开式陈列柜风幕系统的计算流体力学(CFD)设计

    陈列柜是超市中常用的销售冷冻冷藏商品的存放装置.为便于顾客挑选,陈列柜的一面敞开,利用出风口吹成的风幕将低温商品和高温环境隔开,以减少热空气的侵入.立式陈列柜的大部分热负荷(70%以上)来自于环境热空气的卷入[1,2].因此形成良好的风幕是减少热负荷、节约能源的有效措施.

    风幕不仅与陈列柜结构尺寸有关,还与风幕气流速度、紊流度等参数有关,由于流场测试设备昂贵,计算流体力学(CFD)方法成为风幕设计的有效手段David等[3]曾采用有限差分方法研究二维冻肉陈列柜的风幕,由于他所采用的四边形网格的贴体性较差,所建立模型难以反映陈列柜的真实结构.本文采用对单元大小、形状变化不敏感的有限元法,对立式超市陈列柜的风幕系统进行CFD数值模拟,以期为陈列柜的优化设计提供定量依据.

    1　数学模型及边界条件

　　开式陈列柜的结构如图1所示.立式陈列柜通常成排放置,风口长度方向尺寸远大于高度和深度两个方向,故将其简化为二维模型.

　　陈列柜除底部货柜外共有4层货架,货架外是出风口与回风口之间的风幕.出风口一般分两层,内层送风空气在流道内经过蒸发器,温度较低;外层为流道内的回风空气,温度较高,但低于环境温度.计算中货架上的物品设为方形非流动区域;由于陈列柜外部为自由边界,计算区域根据边界条件对主流区域的影响扩展至外部空间.

    陈列柜风幕系统中的高低温区域相差有30°C左右,在CFD计算中必须考虑重力和浮升力的影响,因此选用带浮升力项的k-E双方程模型来求解有效紊流粘度Le和有效紊流热导率ke.紊流模型的控制方程如下:

    其中:µ为层流粘度;µt为紊流粘度附加项;cp为比定压热容;Q为密度;t为温度;Φ为粘性能量耗散项,

    其他未定义参数均为模型中用到的常数,取值为:

　　由于采用开启式结构,外部环境对陈列柜风幕的影响较大,计算区域的大小应根据数值计算结果进行调整.通过数值实验,当外边界条件对主流区域的计算结果没有影响时,选定其最小空间作为计算区域.固体壁面及外部空间计算界面处速度取为0.靠近外边界的一层内边界节点温度设定为环境温度,即认为陈列柜内的冷空气到达这些点时已被外界热负荷加热到环境温度.送风口处风速、温度按实测值给定.回风口处取背压为0.

    2　计算区域单元划分

    2.1　总体划分情况

    CFD计算中,单元划分的好坏直接影响计算精度和解的收敛性.针对陈列柜结构复杂、风幕系统温度场流场分布不均匀的特点,选用三角形线形单元.根据有限元法的特点,单元划分时作如下考虑: