基于CFD模拟差压预冷库内流场分布特征的研究

于永顺， 杨永发

(西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224)

预冷是将收获的水果和蔬菜迅速冷却到适合运输或储存的温度的过程。果蔬收获以后，仍然保持着呼吸作用，即吸收氧气，产生大量呼吸热，消耗自身养分。结果造成果蔬凋萎、变色、软化，以致发霉腐烂，失去商品价值[1]。采后迅速降低果蔬的温度，可以有效地减弱果蔬的呼吸，延缓果蔬的新陈代谢过程，保持果蔬的品质，延长货架期。

差压预冷是通过机械加压在预冷果蔬包装箱两侧产生一定的差压，增加冷空气与预冷果蔬的接触面积，迫使冷空气完全通过果蔬表面，迅速带走果蔬表面的热量，并将预冷的水果和蔬菜迅速冷却到一定的温度值的一种空气预冷新形式。相比于常规室内冷却比较，差压预冷冷却速度快，冷却时间短，且冷却均匀耗能低[2]。差压预冷要求果蔬包装箱两侧必须打孔，包装后按一定方式放在风道两侧[3]。目前，我国差压预冷行业的发展还不成熟。水果和蔬菜的储存大多以大规模冷藏的方式进行。冷链产业一直是世界各国研究的热点，我国也越来越重视冷链产业的发展。

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，以下简称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换热问题[4]。运用CFD技术，通过建立三维模型并借助可靠的数值计算就可以模拟出整个预冷库内流场的流动情况，具有成本低、效率高的优点[5]。田甜等建立了冷库内气流场的数学模型，通过CFD技术，比较了不同冷却风机的布置情况对冷库气流组织的影响。结果表明，对于气流移动距离较短的小型冷库，冷却风机布置在宽度方向气流组织能够均匀分布于冷库内，死角区域较少[6]。

1 数学物理模型的建立

1.1 整机模型

差压预冷装置主要由制冷机组(压缩机、空冷冷凝器、节流阀)、冷却风机、卷帘装置、差压风箱、预冷库、密封门等组成。整机结构如图1所示。在冷却风机底部与差压风箱顶部密封安装卷帘装置，即遮风幕布可以移动到能覆盖货物区的上方，使得冷却风机出风口的冷空气从货物区上部流动并从密封门所处位置回流到差压风箱所在位置，冷空气快速均匀地吹过包装箱内果蔬的表面，带走热量，从而达到给果蔬预冷的作用。本试验差压预冷机外部隔热层采用硬质聚氨酯泡沫塑料(导热系数λ=0.031 W/m·k)，厚度为δ=0.1 m。冷却设备为一台冷却风机，总风量为12 000 m3/h，功率为550 W，为悬吊式安装在差压风箱上部。相关技术参数见表1。

图1 差压预冷整机结构1.预冷库；2.差压风箱；3.卷帘装置；4.制冷机组；5.冷却风机；6.密封门

表1 技术参数

1.2 货物处理

预冷库内准备预冷的货物为番茄，放置在包装箱中，堆垛存放，包装箱尺寸为56×36×16 cm，货物堆成3垛，每垛11层，每层有3×8个包装箱。根据这种存放方式，为方便研究和建模，可以将货物整体看成三个水平布置的立方体(288×56×176 cm)，并作为整体热源项处理，其热流量为35 W/m3。

1.3 数值模拟

1.3.1 控制方程

差压预冷库采用冷却风机与差压风箱强制空气循环，预冷库流场区属于大空间紊流流动换热(雷诺数为106数量级)[7]。为取得预冷库数值模拟的结果，首先要建立合适的描述预冷库内流动换热的数学模型，下列通用微分方程用来描述预冷库内的气体流场[8]。

式中：ρ为密度；t为时间；φ为通用变量；V为各方向速度；Γ为与φ相对应的广义扩散系数；S为与φ相对应的广义源项。

1.3.2 预冷库内热流量计算

预冷库内热流量主要来自货物番茄自身呼吸热和库体围护结构热流量，按每立方米番茄重量为500 kg计算，呼吸热总值为140 W；围护结构热流量主要来自库内外温差不同以及受太阳辐射的作用产生的耗冷量，具体数值可由下式计算[9]：

Q1=αKΑΔt=αKΑ(tw-tn)

式中：Q1为箱体围护结构带来的耗冷量，W；K为箱体围护结构的传热系数；A为箱体围护结构传热面积，m2；tw为箱外计算温度，℃；tn为箱外计算温度，℃；α为室内外的温差修正系数。

由上式可计算得出Q1=350.72 W。

1.4 边界条件

设计要求番茄需预冷到适宜贮藏的温度2 ℃，其边界条件进行如下设置：冷却风机出风口为入口边界，经风速仪及热电偶多次测量取平均入口风速为7 m/s，温度为270 K(-3 ℃)。在标准κ-ε湍流模型中，由于κ值很难用实验测得，因此采用湍流强度来定义湍流，取为5%[10]；差压风箱回风口为出口边界，采用压力出口条件设置其温度为273 K(0 ℃)，表压强为-5 Pa。

2 结果与分析

采用SOLIDWORKS软件进行三维几何建模并将几何文件导入ANSYS Workbench 2021R1软件中，进行Mesh网格划分及FLUENT三维数值模拟分析，得到了差压预冷库内流场分布的仿真结果。通过选取三维预冷库的典型截面，分析其流场分布，研究了差压式预冷库的预冷效果。物理模型的网格划分示意图如图2所示。

图2 物理模型网格划分

2.1 流场分析

2.1.1 温度场分析

空箱状态下当冷却风机出风口风速7 m/s时，距离底面1 m和距离冷却风机2 m处的温度分布如图3所示。由图3可知，库体内部温度场的分布情况整体较均匀，在库体外围区域，由于预冷库与外界进行热交换，因而温度高于内部气体温度。实箱状态下冷却风机出风口风速7 m/s时，X-Y截面上库体内部的温度分布如图4所示。由图4可知，温度场分布相对均匀，由于货物区自身存在呼吸热，使得货物区温度较高。冷却风机和差压风箱相互作用，强制冷风快速通过货物区实现换热的作用，因此流向差压风箱内部的气体温度明显高于其他区域温度。

图3 空箱状态下温度场分布

图4 实箱状态下温度场分布

2.1.2 速度场分析

X-Y截面下库体内部的速度分布如图5所示，该分布图可以反应库体空间区域的气流流动情况。由图5可知，出风口处的速度最高，货物区顶部的速度较高。由于库体墙壁的屏障，气流在墙壁上形成涡流区。货物区由于货物箱体的阻碍速度较低，差压风箱由于静压作用强吸冷空气，因此速度较高。合理设置出风口和回风口的差压是设计差压预冷装置的关键。

图5 预冷库内部速度场分布

2.1.3 压力场分析

X-Y截面下预冷库内部的压力分布如图6所示，对比图5可知，压力场的分布与出风口和回风口的风速密切相关。出风口的风速较大，因此压力也较大。差压风箱起到吸引冷空气回流的作用，因此此处压力相对较小。当气体与预冷库前壁之间形成涡流区时，气体的流动因对流冲击而加剧，压力反而升高。当气流通过货物区时，风速降低，压力降低。

图6 预冷库内部压力场分布

2.2 冷却风机风速对温度场的影响

三种不同的冷却风机出风口风速下的温度场分布图如图7所示，从左至右风速依次为4、7、10 m/s。由图7很明显看出，在不同的风速下，温度场的分布变化很大。风速越高，货物区的温度越低。在4 m/s的风速下，货物区的温度平均在298 K(24 ℃)左右，此风速下预冷效果并不理想；在7 m/s的风速下，货物区的温度平均在276 K(2 ℃)左右，此风速下符合设计要求的预冷效果；在10 m/s的风速下，货物区的温度平均在268K(-5 ℃)左右，此风速下预冷效果较为明显。

图7 三种不同风速下的温度场分布

2.3 货物堆放形式对预冷库温度场的影响

对两种不同的货物堆放形式进行模拟，即2列和3列堆放形式。距送风口垂直截面下2 m处两种不同堆放形式下的温度场分布如图8所示，从图8可以清楚地看出，货物的堆放形式对预冷库货物区的温度场分布有很大影响。两列堆放形式的货物区域温度明显高于三列堆放形式的货物区域温度。通过分析得知，2垛堆放形式的货物区温度较高的原因是由于冷却风机的中间风扇口的大部分冷风通过2垛货物中间的较大间隙回流到差压风箱中，使得在相同气体流量下，2垛堆放形式的预冷效率不高，因此货物区温度明显高于3垛堆放形式。另外，3垛堆放形式下的货物区与库体壁之间由于风道间隙较小，其温度高于货物区，可能造成此处放置的货物预冷不彻底，改进时可以通过在3垛堆放形式的基础上适当增大风道间隙或者调整包装箱的尺寸。

图8 两种不同堆放形式下的温度场分布

3 结论

(1)建立了差压预冷装置的数学物理模型，模拟分析了其库内气流温度场、速度场和压力场的分布情况，为后续差压预冷设备的选型提供了参考依据。

(2)通过改变冷却风机的不同出风口风速，模拟其温度场的分布情况，结果表明差压预冷机的预冷效果与冷却风机出风口风速密切相关，风速越大，货物区的温度值越低，合理控制风速是适应不同货物预冷到最佳温度的关键。

(3)两种不同的堆放形式下的温度场分布情况表明应当根据冷却风机的风扇数合理布置堆放形式，即风扇数对应码垛数，使得预冷效率合理利用。另外，适当增加空气流通间隙可以提高预冷的效率，堆放越密集，越不利于货物区的散热。