冷藏库内气体流场数值模拟与验证

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　　冷藏库流场的设计一直是个难题。为了获取冷藏库内流场的信息,传统的方法是进行实验测量或做流场可视化研究。这些做法在实际运用中都具有很大的局限性,使 用成本也很高,而且不可能获得整个流场内详尽的信息。计算流体力学(Computational FluidDynamics,以下简称为CFD)是基于计算机技术的一种数值计算工具,用于求解流体的流动和传热问题。CFD技术的运用可以很好地解决上 述难题,它可以通过建立模型,并借助可靠的数值计算,模拟出整个流场的流动情况,因而可以更好地分析冷藏库内流体的流动情况。冷藏库内合理的气体流场可以 保证库内冷量的均匀分配,提高传热效率,降低货物的干耗,提高货物的贮藏质量,并可达到节能的目的[1]。调查发现,目前大多数冷藏库内的气流布置存在不 合理的问题。因而,研究和改善冷藏库内的气流组织具有实质性的意义。

　　近年来,数值计算技术在食品、制冷等工程实际中得到了广泛的应用,并取得了相当满意的效果[2-9],但将数值计算应用于冷库方面的研究却很少。余克志和 陈天及建立了小型装配式冷库的二维物理模型和紊流数学模型,并编制计算机程序进行数值求解,揭示了库内气体流场特性与温度场分布特性,并分析了装货高度和 位置对库内速度场和温度场的影响以及冷风机送风速度及库温控制对库内温度分布的影响[10];王剑锋等人对分别属于两个冷库的流场进行了二维模拟研究,并 对气流组织进行了对比分析,指出冷库流场存在一个中心大回流,流场的主流有靠近边界流动的趋势,无论是水平还是垂直速度均呈现两边大、中间小的格局 [11,12];胡浩等人建立了水果气调库库内气体流动、传热和传质的非稳态数学模型,还根据水果的呼吸原理建立了货物区的传热、传质控制方程,采用 SIMPLE算法和整体求解的解法对水果气调库的降温、降氧等非稳态过程进行了数值模拟,但最后的计算没有作进一步的验证研究[13];Tassoua和 Xianga利用CFD工具对蔬菜冷藏间进行了数值模拟,在模型中考虑到了浮升力的作用,并与其它方程一起联立求解。计算结果与实验数据吻合很好,作者以 一个甜菜冷藏间作对比,经15 h冷却后,温度的计算结果和实验测得数据仅相差0.5℃,充分显示了CFD技术的独特优势[14]。相对于CFD技术在其他领域内的研究、应用,数值计算 在冷藏库中的应用基本上处于模型设计和验证的阶段,这与冷藏库内的气流、热质交换相对复杂有很大的关系。而冷库的多个设计参数对流场影响方面的研究涉及极 少,也不全面,缺少对相关参数影响的深入研究。

　　本文首先在参考前人研究的基础上,采用了K-E两方程模型和较成熟的Simple算法[15],对冷藏库内流场进行数值模拟,并用实验验证模拟结果,以正 确地反映冷库中流场的特点。然后通过对流场的动态仿真研究,得到了冷风机风速、拐角挡板和货物堆放方式等多种设计参数对冷藏库内流场和温度场的影响。本文 的模拟分析结果对冷藏库流场的优化设计和改造具有参考价值,并有利于提高冷藏库的设计水平,从而改善冷藏链中这一关键性环节。