CFD在冷链保鲜设备中的应用

宋锐

（山东建筑大学热能工程学院，山东 济南 250101）

改革开放30年来，我国从一个食品匮乏的国家发展为食品生产大国。但是在食品产业发展的同时，我国食品冷藏链研究滞后，在技术、设备、行业标准和系统管理水平等方面均与西方发达国家存在一定的差距[1]。以绿色果蔬为例，2012年我国果蔬冷链流通率仅为5%，采后损失率为25%～30%，经济损失高达1000亿元[2]。故而加强食品的冷链物流技术是保证食品品质的关键。

食品冷藏链是指易腐食品从产地收购或捕捞之后，在产品贮藏、加工、运输、分销和零售，直到消费者手中的各个环节始终处于产品所需的低温环境下[3,4]。在众多的冷却方法中，空气冷却的方式由于技术成熟、价格低廉、操作简单等优点成为冷链保鲜设备的重要冷却方法，故而冷链设备内部流体合适的速度与温度分布是保障食品储运品质的关键因素之一[4,5]。但是通过求解微分方程的方式得到温度与速度分布的解析解或者通过实验测量数据了解速度与温度的分布情况，既浪费了精力，又浪费了金钱[6]。近些年，计算流体力学（Computational fluid dynamics，CFD）由于其强大的模拟能力，可以较为准确地计算出冷链设备内部空气流动类型、压力损失以及传热、传质现象，从而准确获取在一定外部条件下食品冷却降温效果[7,8]，成为优化设计食品冷链设备的新途径。

1 CFD的基本理论

根据流体力学的基本知识，自然界内的流动传热现象都可以通过连续性方程（质量守恒方程）、动量守恒方程（N-S方程）及能量守恒方程来求解。同时，流体在实际对流换热过程中多为湍流流动，故而仍需求解湍流方程（k-ε与k-ω方程[9]）。从根本上讲，CFD模拟的实质是通过建模使流体力学基本的方程组封闭进行求解的过程[10]。在得到计算结果后，还可以通过后处理技术使计算结果可视化，进而揭示食品冷链储运设备内流场的性质，为冷链设备结构设计与优化提供理论基础。

2 CFD在冷链保鲜设备上的应用

2.1 在预冷设备中的应用

果蔬采收后如果不及时处理，常温下极易腐败变质。采用预冷措施快速降低果蔬的田间热，对于保持果蔬的新鲜品质非常重要[11,12]。而送风参数（速度、温度、方向）、包装箱箱体结构、果蔬摆放方式对果蔬的预冷速度有重要的影响，因而针对以上问题，诸多学者利用CFD技术进行了相关研究。

Dehghannya等[13]利用CFD将多孔介质理论运用到果蔬预冷上，建立了压差预冷数学模型，采用有限元的方式进行计算，这对于果蔬压差预冷的数值模拟具有指导作用。Pathare PB等[14]通过实验与CFD模拟的论证得出，当包装箱与内部果品水力直径之比小于10时，包装内部局部非均匀的空气流动对其内部传热传质现象会有较大的影响。他提出在利用多孔介质模型进行冷链物流的CFD模拟时要注意其适用范围。Chau等[15]建立了考虑蒸发效应、呼吸散热以及果蔬辐射散热的单体球型果蔬在差压预冷过程中的传热传质CFD数学模型，并采用有限差分法进行求解。王贵强等[16]将CFD、自然对流和辐射换热经验公式与傅里叶导热公式分别计算食品的表面传热系数、食品与包装材料之间的空气层内的传热过程与食品内部的传热过程，并通过迭代的计算方式将三者结合。结果表明，相对于传统的空气层热阻处理方式，该模型能够获得更加准确的计算结果，与实验结果吻合较好。

王强等[17]建立了黄金梨预冷仿真模型，利用CFD软件，对包装箱内直排和叉排两种摆放形式黄金梨预冷过程进行了模拟。结果表明，叉排相对于直排，能将预冷时间缩短10%～12%。王强[18]通过葡萄的差压通风预冷实验与CFD模拟得出，开孔面积主要影响果蔬的纵向温度分布，风口的流速主要影响温度的横向分布。因而，要提高葡萄预冷的冷却速度和冷却均匀性必须合理地选择压差以及预冷包装箱开孔面积。之后，通过进一步研究指出，从预冷速度、冷却均匀性以及包装的角度、预冷后葡萄的回温速度、差压风机功率的大小、干耗等因素综合考虑，对于纸质葡萄包装箱，开孔直径最好在28mm左右，开孔率保持在15%～20%为宜[19]。

2.2 在冷藏车中的应用

冷藏车是指用来运输冷冻或保鲜货物的封闭式厢式运输车，内部装有制冷机组的制冷装置和聚氨酯隔热层。可以利用CFD对冷藏车内温度场分布规律进行不同条件的数值模拟，能够克服传统理论分析法在对象简化和计算求解方面的不足，突破试验过程人力物力消耗以及试验周期长等诸多限制[20]，达到较好的冷藏运输效果。

Chourasia等[21]利用CFD软件模拟货物不同宽高比及货物堆栈之间不同间隙时所需要的冷却时间，由此来确定最佳货物宽高比和垂直水平间隙。张哲等[21]采用CFD软件Fluent计算空载车箱内部温度场，并分析不同堆码方式对货物区温度场及流场的影响。结果表明采用紧密堆放方式时断面平均温度为-11℃，而间隔堆放时的断面平均温度为-11.5℃，两种堆码方式的断面平均温度较为接近，但间隔堆放时货物中间的间距有利于气流的均匀分布，并能加快冷板冷藏车冷却速度。陈焕新等[23]以冷板冷藏车作为研究对象，发现在冷藏车厢体壁面附近处码放的货物温度最高，且间距越大，货物温度分布越均匀。故而食品在冷藏车内码垛时一定要与车壁保持一定间距。郭嘉明等[24]通过对冷藏车厢体果蔬摆放的中间及两侧留空、两侧留空、一体码垛三种食品码垛方式的模型进行数值计算，结果表明中间及两侧留空的码垛方式最佳，温度分布较为均匀。韩佳伟等[25]建立了冷藏车车厢温度场分布计算模型。分析结果表明，制冷温度为3℃，制冷时间和关闭制冷风机阶段都为10min，与制冷温度为0℃，制冷时间15min和关闭制冷风机为20min两种制冷模式下能耗进行比较，第一种方式比第二种方式能节约3.6×105J的能耗。赵鑫鑫等[26]建立多温区冷藏车的传热模型，利用CFD软件研究回风导轨对车厢内温度场分布均匀性的影响规律，并进行实验验证。结果表明：回风导轨的布置能够有效改善车厢内的温度分布，且对冷藏区的影响相比常温区稍高。在载货状态下，导轨高度与温度不均匀系数近似呈正比例线性分布。张娅妮等[27－29]针对风道布局、送风速度等影响因素，利用CFD软件，建立冷藏车厢的三维湍流模型并进行模拟计算。研究表明：冷风机紧贴顶部时，冷风会在冷藏车车厢内形成贴壁射流，一方面可以隔绝外部热量，另一方面也更容易将气流送到车厢尾部。同时，适当增加向后引导气流的通风管道，冷空气在车厢的分布均匀，并降低车厢前部的气流强度。

2.3 在冷库中的应用

冷库是食品冷链中最重要设施之一，其主要的用途是食品储藏。同时，食品的预冷也多依托于冷库进行。然而由于冷库的储藏量大、存储周期长，其内部货物易出现温度分布不均匀，这些缺点严重影响了食品的质量安全。故而利用CFD对冷库内的流场进行研究，优化其送风形式、货物码垛、以及冷库空气幕，可以提高冷库的贮藏质量。

Son H.Ho等[30]分别建立了三维完整模型并通过CFD模拟，发现送风风速越大、制冷源安装位置越低、离货物越近，库内的温度场越均匀。谢晶等[31]通过对小型装配式冷库进行CFD模拟与实验研究，得到冷库的空气流动主要是贴附边界流动，同时在整个冷库的流场中存在着一个中心大回流区。芮文琴等[32]通过对装配式冷库内冷风机摆放的位置进行CFD模拟研究，得到冷风机布置在冷库宽度方向一侧比布置在长度方向一侧库内流场均匀，但其对冷风机直吹的冷库墙体的影响较大。故而提出了在冷库墙角安装圆形挡板的方法来改善冷空气在冷库墙角附近的流动情况。孙海亭[33]通过Fluent软件，对冷库苹果贮藏进行了数值模拟并进行实验验证，结果表明：模拟数值与实测数值的变化趋势一致，相关系数达到0.921，表明应用计算流体动力学软件Fluent对库内气流组织具有可靠性。同时其还对冷库内不同的码垛方式进行了模拟分析，得出库内苹果箱较合理的堆码方式为：货垛距墙≥0.50m，垛间距离≥0.50m，垛底垫木高度≥0.09m，货垛距冷风机≥2.00m，货垛距库底≥0.50m，库内通道≥1.00m。垛高不能超过冷风机的出风口[34]。南晓红等[34]建立了冷库的数学模型，并对热压作用下冷库大门处的气体流动、压力变化以及冷库内温度场变化进行CFD模拟。结果表明：随着出风口速度的减小，中和面的位置逐渐下移，在速度为2m/s的条件下约位于大门1/2处。同时其将CFD计算结果与穿过冷库大门空气渗透速率的几种经验公式进行对比，得到了模拟与经验公式的偏差在19%以内。

3 CFD在冷链方面应用的发展趋势

CFD具有诸多优势，被广泛应用于食品冷链行业中，但其目前仍存在一些需要注意的地方，主要体现在以下几个方面。

（1）尽可能地使模型及物性参数的设置更贴近实际情况。冷链设备内部的流动传热情况受外界影响相对较大，同时，食品与换热介质在降温过程中其物性参数也在不断的改变。因而尽可能多地考虑外界因素，精确食品与换热介质的热物性参数成为合理提高CFD模拟精度的重要因素。

（2）明确合适的求解模型。目前CFD软件中会提供多种计算模型，以Fluent软件为例，常用的湍流模型包括两大类，即k-ε[22-24]与k-ω[25,36]，两者均广泛运用于食品冷链的数值模拟中，但两者具体的适用情况，目前没有相对明确的界定。故而选择合适的求解方式也是影响CFD模拟精度的重点。

（3）提高网格质量。网格的划分与计算的精度息息相关，目前，网格的划分质量要求没有统一的标准，不同研究模型的网格质量要求不一样。同时网格数量的划分也没有统一的标准，虽然诸多学者在进行CFD模拟时多进行网格无关性验证，但关于无关性的要求仍没有一个具体的数值。

（4）不断修正，多次求解，并进行实验验证。网格质量、计算模型、物性参数、边界条件均会对计算结果造成影响。因而模拟结果要经过实验验证，并不断修正参数，这样模拟结果才能更接近实际。