三维流体力学预测风机不同布置形式对冷库气流的影响

谢 晶，汤 毅，王金锋，侯伟峰，朱军伟

(上海海洋大学食品学院，上海 201306)

三维流体力学预测风机不同布置形式对冷库气流的影响

谢 晶，汤 毅，王金锋，侯伟峰，朱军伟

(上海海洋大学食品学院，上海 201306)

我国冷库的建设数量近年来增长迅速，可多数冷库中的气流分布并不合理，而风机的布置形式是影响冷库中气流分布的一个重要因素。运用SIMPLE算法，结合波兴涅克(Boussineq)假设，对目标冷库中不同的冷风机安装形式进行三维数值模拟。模拟结果显示目标冷库中采用两个三出风口的风机吹风比采用三个两出风口的风机吹风所引起的气流场均匀性更好;同时针对后者造成的射流偏移，对风机位置进行改变后得出了冷库中的流场较改变前均匀性提高。数值模拟的结果对中型冷库和大型冷库中风机的安装形式和安装位置提供了参考依据。

冷库，风机，CFD，气流分布，数值模拟

冷库中的流场分析一直以来是困扰设计人员的难题，传统的解决方法只能靠实际实验测量和气流可视化研究，而这些都存在成本高、效果不理想的缺点［1］。均匀合理的气流是决定冷藏货物质量和节能的关键因素之一，所以对冷库内气流组织的改善研究具有很大的意义。作为流体力学的一个分支，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，以下简称CFD)常用的软件有FLUENT、CFX、PHOENICS等，最初用于汽车制造业和核工业［2］。随着计算机性能的不断改善和CFD软件本身的不断优化，CFD已被运用于制冷技术的数值模拟中，相比传统的实际实验研究，CFD数值模拟技术可以节约实验的成本和时间，并且可以灵活改变各项条件进行模拟实验。目前，在冷库的研究中，CFD技术已被运用于温度场、气体流场、湿度场、压力场等［3－7］。在冷库运行过程中，冷风机的各项参数如出风形式、出风速度、风机位置等对冷库中的气流都有干涉。对于中型、大型冷库，一般都会装有多个冷风机，而不同的风机布置形式对流场会产生不同的影响。由于在中大型冷库中很难采用实际实验进行气流测试，故已有的文献中还没有关于风机不同布置形式对流场影响的研究报道。本文借鉴先前运用CFD在冷库中进行数值模拟的经验［1，8－9］，采用 SIMPLE算法，结合波兴涅克(Boussineq)假设和冷库中气流的湍流系数修正对目标冷库中两种风机的布置形式进行了三维CFD数值模拟，针对冷库中气流的偏移采用改变风机间距离以达到改善气流的均匀性。CFD模拟的结果对冷库建设中风机的合理布置提供了参考依据。

1 数学物理模型

本文研究的对象为一个容积为210m3(长10m×宽7m×高3m)的冷库，制冷负荷为14.3kW，参照某冷风机制造厂的样本，可以有两种冷风机的配置方案，即分别为两出风口的风机(SPAE－032D，每台制冷量4.89kW)三台和三出风口的风机(SPAE－043D，每台制冷量7.41kW)两台。风机在冷库竖直平面内对称排列，均采用置顶式安装，详细风机参数如表1所示。

表1 两种风机的参数

表2 各控制方程变量、扩散系数及源项

风机的出风速度参照文献［1］的出风速度给出，为7m/s。

由于冷库中气流流动方式为强制空气循环，流场区的雷诺数约为106(数量级)，属于大空间紊流流动换热，故采用标准k－ε方程求解问题，其中k－ε模型选用Standrad模型，但是由于贴近壁面的黏性底层中，Re数较低，所以必须采用壁面函数修正［1］。

下列通用微分方程用来描述冷库内的气体流场。

表3是标准k－ε方程的一些常用参数。

表3 k－ε方程中的系数

1.1 冷风机出风口边界

由于k－ε方程中，湍流动能k和湍流动能耗散率ε难以确定，故采用特征尺度和紊流强度来定义紊流，紊流强度经过湍流参数计算程序4.0计算得出。其中流速按平均流速(v=7m/s)，流体密度取空气密度(t=0℃，ρ=1.225kg/m3)，特征长度按风机特征直径(D=0.6m)，流体动力粘度按空气动力粘度(μ=0.000017kg/m·s)，冷库的材料热导率按照聚乙烯泡沫的热导率(λ=0.0297W/m·K)输入［9］。

1.2 冷风机回风口边界

将k、ε作局部单向处理。

1.3 热物性参数

按蒸发温度T=273K(0℃)选取。

2 数值模拟

2.1 模型的建立

本文所有数值模拟是在GAMBIT2.2.30软件中建立模型。流场模拟中最常使用的网格有结构网格和非结构网格两种，模型的建立方式分为三维模型和二维模型，前人的研究结果证实了非结构网格较适应冷库这类复杂的模型［10］，而且相对于二维模拟只考虑竖直面气流相互干涉的方式，三维模拟综合了竖直和水平面气流的相互作用因而更准确［11］，故本文采用三维模拟的方式，结合非结构网格进行划分，其中网格尺寸精度设为45cm，在两种风机布置方式的模型都产生19555个网格，网格生成形式如图1所示。

图1 两种不同网格模型

2.2 稳态温度场分析

CFD模拟两种风机摆设形式的稳态温度场分布经过TECPLOT 10软件处理后如图2所示。图中稳态条件下温度场在冷库中分布相对均匀，基本维持在273K这一恒定温度，这说明本次模拟的方法正确。但冷库一般的降温过程是一个非稳态的过程，故需在此基础上对冷库的运行进行非稳态模拟。

图2 稳态温度场分布

2.3 非稳态流场分析

CFD模拟的非稳态气体流场如图3所示，模拟结果显示采用两台三风口风机布置的方式的气流在水平平面内对称良好，而采用三台两出风口风机布置的方式气流在水平方向内射流偏向中心区域，这可能是由于三台风机较两台风机，气流相互干涉形式更复杂。在冷库运行时，后者这种风机布置的吹风形式容易导致气流不均匀(中间流速过大、两边较小)从而造成冷库两边的货物冷藏质量下降，在冷库建设中应当避免这类情况的发生。

图3 冷库非稳态气体流场分布

2.4 非稳态温度场分析

图4是冷库运行过程中非稳态温度场分布图，按三风口风机进行布置的方案中由于气体射流的偏移造成了温度场较低的区域也偏向中心，其中目标冷库按两风口三台风机进行布置时，冷库运行8min温度场可以达到稳定，按三风口两台风机进行布置时，冷库则需要运行9min达到恒定，温度较高的区域都集中在墙角区域和靠近回风口的区域。

3 风机布置的改良

3.1 模型的改良

针对目标冷库中三台两风口风机布置方式吹风所引起的气流分布不均匀的问题，本文将数值模拟的模型进行了改进。理论上可以通过增加两台风机间的距离达到减少气流相互干涉的目的，故本文将原有的模型中的风机分别改为离冷库长度方向的墙侧0.5m，即把两边两台风机分别往外移动0.5m，改变后的风机位置如图5所示，模型的其他设置参数均不变，进行数值模拟。

图4 冷库非稳态温度场分布

图5 风机的位置图

3.2 改变风机位置后的数值模拟

图6和图7是风机位置改变后CFD模拟的冷库流场和温度场分布图，模拟结果可以得到目标冷库内的气流通过增加风机间的距离后均匀性较改变前有所提高，具体表现在消除了两边风机吹出的偏移气流，这是由于风机间的距离增加后，三个风机吹出气流的相互影响大大减少，导致了冷库内整体的气流在水平面上对称性良好，此外，温度场由于流场得到了改善也更为均匀。

图6 风机位置改变后的流场分布

4 结论

本文对一个容积为210m3的冷库进行了不同风机布置形式的数值模拟，对其中气流分布不合理的布置形式进行了模型的优化，得出了以下结论∶

4.1 在目标冷库的两种冷风机的选择方案中，采用两台三出风口比采用三台两出风口的方案气流分布更均匀。

4.2 采用三台两出风口的风机在目标冷库的模拟中气流偏向中心，在冷库冷却过程中温度场达到恒定的时间为8min，较两台三出风口的风机温度场到达恒定的时间少1min，在制冷中更节能。

图7 风机位置改变后的非稳态温度场分布(8min)

4.3 目标冷库中采用三台两风口的风机在增加风机间距离后，气流场分布较风机位置改变前均匀，射流的偏向问题得到解决。

以上结论均可以为建设中大型冷库提供风机布置的参考依据，随着CFD在冷库中研究的深入，进一步的研究可以围绕以下几个方面进行∶

在CFD模拟中，针对某一特定农产品，引入货物的孔隙率、表面换热系数等参数模拟货物存放状态下货物对冷库气流和温度场的影响;

运用CFD模拟大型冷库中风机的其他设置参数(如风机高度、出风速度、吹风形式)对冷库气流的影响;

运用CFD模拟大型冷库中不同风速及不同吹风形式的空气幕对冷库气流场的影响从而得出大型冷库中空气幕的最佳设置方式。

［1］谢晶，瞿晓华，徐世琼.冷藏库内气体流场数值模拟与验证［J］.农业工程学报，2005，21(2):11－16.

［2］吴德铭，郜冶.实用计算流体力学基础［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2008.

［3］Foster A M，Swain M J，Barrett R，et al.Three－dimensional effects of an air curtain used to restrict cold room infiltration［J］. Applied Mathematical Modelling，2007，31(6):1109－1123.

［4］Chourasia M K，Goswami T K.CFD simulation of effects of operating parameters and product on heat transfer and moisture loss in the stack of bagged potatoes［J］.Journal of Food Engineering，2007，80(3):947－960.

［5］Delele M A，Schenk A，Tijskens E，et al.Optimization of the humidification of cold stores by pressurized water atomizers based on a multiscale CFD model［J］.Journal of Food Engineering，2009，91(2):228－239.

［6］Hoang M L，Verboven P，Baelmans M，et al.Sensitivity of temperature and weight loss in the bulk of chicory roots with respect to process and product parameters［J］.Journal of Food Engineering，2004，62(4):233－243.

［7］刘研玲，张岩，王世清，等.果蔬摆放形式对冷库内气流场分布影响的研究［J］.青岛农业大学学报，2008，25(1):24－27.

［8］韩志，谢晶，潘迎捷.食品冷却抽真空过程流场影响参数分析［J］.农业机械学报，2010，41(9):118－121.

［9］谢晶，吴天.小型冷库门开关过程温度场的数值模拟［J］.上海水产大学学报，2006，15(3):332－339.

［10］Foster A M，Swain M J，Barrett R，et al.Experimental verification of analytical and CFD predictions of infiltration through cold store entrances［J］.InternationalJournalof Refrigeration，2003，26(8):918－925.

［11］Hoang M L，Verboven P，De Baerdemaeker J，et al.Analysis of the airflow in a cold store by means of computational fluid dynamics［J］.International Journal of Refrigeration，2000，23(2): 127－140.

Computational fluid dynamics simulation of influence of different arrangements of fans to the cold store

XIE Jing，TANG Yi，WANG Jin－feng，HOU Wei－feng，ZHU Jun－wei
(College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China)

In recent years，the number of cold stores in domestic has increased rapidly，but the air distributions in most cold stores are not reasonable and the arrangement of the fans is an important factor of effecting the air distribution.SIMPLE revised was used and Boussineq assumption was combined，three dimensional numerical simulations were done on different kinds of cold fan arrangement in target cold store.The result of simulations showed that the uniformity of the air distributions in those had three air outlets was better than in those had two，meanwhile，to the Jet migration formed by former，the uniformity improved after the arrangement of the fans were changed.The references of the arrangements and the positions of fans in medium and large cold stores were provided by the simulation results.

cold store;fan;CFD;air flow distribution;numerical simulation

TS203

A

1002－0306(2011)11－0349－04

2011－08－05

谢晶(1968－)，女，教授，博士，研究方向:制冷技术，食品冷冻冷藏技术，食品质量与安全等。

2010年度上海市政府间国际科技合作计划(10390710500);上海市教育委员会重点学科建设项目(J50704)。