基于CFD的高压静电解冻柜气流优化模拟研究*

仇富强

(铜陵学院 电气工程学院，安徽 铜陵 244061)

高压静电解冻技术采用高压静电场微能源作用于冷鲜肉，使其可在低温条件下即可解冻，具有解冻速度快、解冻后肉样温度分布均匀、肉汁流失少、可以有效防止冷鲜肉的油脂酸化，且可杀菌，有利于保证冷鲜肉解冻品质[1-3]，是一种前景广阔的解冻方法。

目前，高压静电场已逐渐应用于食品加工产业[4-7]。在解冻方面国内已有部分学者进行研究，如郭衍银等[8]进行了高压静电场用于解冻速冻冬枣的实验研究，研究表明：采用该方法冬枣汁液流失较少，品质佳。孙芳等[9]对牛肉做了高压静电解冻实验，研究表明，与常规解冻方法相比，其解冻时间、失水率、外观和肉色值差异均有明显改善。唐树培等[10-11]研发了一台新型高压静电解冻柜，可用于冷冻肉的解冻。并以羊胴体为研究对象进行了解冻实验。结果表明，采用高压电场解冻所需时间短、汁液流失率低，且解冻后羊胴体外观新鲜、肉色泽差异显著、并能抑制细菌生长。臧芳波等[12]对高压静电解冻柜应用于肉类及肉制品时对持水性、肌肉结构、颜色等方面的影响进行了归纳，并对其发展前景进行了展望。马坚研究了高压静电场对牛里脊肉冻结和解决的保鲜[13]。 目前国内在高压静电场解冻方面的研究相对较少。而高压静电解冻柜作为一种解冻设备，由于结构原因，采用高压静电解冻柜解冻时受气流分部影响，其内部温度可能会分布不均，局部温度甚至高于程序设定值[14]。这将影响物料解冻后的品质。但目前还未见有人进行气流分布优化方面的研究工作。

本研究采用Computational Fluid Dynamics (CFD)模拟软件，通过建立高压静电解冻柜物风机热对流稳态湍流数学模型，对强制送风情况下解冻柜内温度场和速度场分布进行研究。该研究有助于了解高压静电棋柜内空气流动和温度分布特点，给出物料的最优放置区域、提出优化措施，进而提高物料解冻品质，为今后高压静电柜设计和物料放置提供一些参考意见。

1 计算流体力学及计算步骤

解冻柜内合理的气体流场可使柜内冷量分配均匀，从而达到提高产品品质、降低能耗的目的[15]。采用CFD软件可对整个流场的气流变化进行模拟，更好地对解冻柜内流体的流动变化进行分析。所用CFD的研究步骤如图1所示[16]。

图1 计算流体力学的基本步骤

2 高压静电解冻柜数值模拟

本研究设计的高压静电解冻柜实物如图2所示。其内部尺寸为：1 100 mm×600 mm×1 490 mm(长×宽×高)。解冻柜体围护结构采用不锈钢板，隔热层采用聚氨酯发泡，厚度为75 mm，双层密封玻璃门。该解冻柜所用制冷系统为风冷涡旋式；冷风机为SCL 100D型离心式，吊顶置于解冻柜内顶部，风机留有3个送风口，送风口尺寸为172 mm×150 mm×50 mm，各送风口间距为46 mm，风机后部设有回风口，回风口尺寸为608 mm×200 mm×50 mm，冷风机前部距柜壁140 mm，后部距柜壁85 mm，侧面距柜壁246 mm。

图2 高压静电解冻柜实物图

本研究忽略冷冻物料的影响，主要研究制冷模式冷风机送风速度、送风温度一定时，高压静电解冻柜内温度场和速度场的分布。因冷风机尺寸对柜内气流组织影响较小，模拟计算中将解冻柜简化为一个长方体，其几何图形见图3。

图3 解冻柜三维几何模型

2.1 网格的划分

为使计算时间不至于过长，并保证计算精度，本研究采用ANSYS开发的网格创建软件ICEM对建立的高压静电解冻柜几何模型进行网格划分，网格类型为结构化网格。将划分好的网格模型输出为.msh文件，使用Fluent将该文件载入，在Fluent中进行网格检查。

2.2 解冻柜数学模型的建立

本文主要对解冻柜空载时其内部流体的流动和传热传质进行研究。采用Fluent软件对其模拟时，假定流体的流动和传热传质过程遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律三大定律。且流体流动处于非稳态湍流时，遵守湍流(也称紊流)输运方程[17]。

对高压静电解冻柜内流场的分布情况进行研究时，为简化计算并保证模拟精度，特做了如下假设：

1)解冻柜内的流场为不随时间发生变化的稳态流场。

2)解冻柜内流体视为不可压缩的牛顿气体。

3)忽略冷风机内部流场的变化对柜内流场的影响。

4)忽略解冻柜的围护结构和外界的质交换。

5)忽略解冻柜内各设备零部件对流场的影响。

6)固体壁面上流体的流动为无滑移流动边界条件。

所设计解冻柜送风方式属于有限空间强制对流冷却，其Re约为106，为紊流。近壁面附近雷诺数较小、受分子黏性影响较大，采用壁面函数法进行处理。整个解冻柜内的流场最终简化为三维、稳态、不可压缩、黏性的湍流流场，可选用标准的k-ε两方程模型，并结合SIMPLE算法对解冻柜内的流场进行模拟计算。简化后的方程如式(1)：

div(ρVφ)=div(Гgradφ)+S

(1)

式中：φ为通用变量，Г为广义扩散系数，S为广义源项。各方程见表1：

表1 各控制方程变量、扩散系数以及源项

标准k-ε模型中的经验常数C的值见表2：

表2 标准k-ε模型中的参数

2.3 边界条件及求解器参数设置

研究中解冻柜围护结构按第三类边界条件处理，且冷风机无散热损失，解冻柜外表面与外界无热交换。表3为模型边界条件设置参数，表4为初始条件设置参数。为提高求解精度，本研究采用SIMPLE算法计算时求解精度全部设定为10-3。

表3 边界条件设置参数

3 模拟结果及分析

3.1 选取代表性切面

图4为是各代表性切面示意图。为观察和分析模拟结果，需要选取解冻柜内长度方向、宽度方向以及高度方向的代表性切面，来进一步分析柜内温度场和速度场分布规律。代表性切面分别选取长度方向X=0.332 m、X=0.55 m、X=0.768 m切面，宽度方向Y=0.215 m切面，以及高度方向Z=0.75 m切面。X=0.332 m、X=0.55 m、X=0.768 m切面为穿过各个送风口中心的切面，该切面能够较好地反映出各个送风口温度、速度分布在高度方向上的变化规律；Y=0.215 m切面为穿过全部送风口中心的切面，该切面能反映出整个冷风机温度、速度分布在竖直方向上的分布规律；Z=0.75 m切面则为了反映出解冻柜内温度、速度在水平方向上的变化规律。

表4 初始条件设置参数

图4 解冻柜代表性切面示意图

3.2 温度场模拟结果分析

图5为各送风口截面等温线图。由图5可看出，经冷风机处理后的空气，通过送风口以射流的形式送出，在其作用范围内，对流换热强烈，温度与送风温度几乎持平。特别是解冻柜内的中心区域，由于该区域在流动方向上射流速度快，换热效果剧烈，能够起到良好的隔热效果，温度相对较低。在靠近柜底处温度相对偏高，这是由于该区域受到回流影响，射流在此处衰减、空气流速减小，集聚的热量不易消散，因此形成了相对高温区域。在柜内四壁拐角处均出现了明显的温度梯度分布，呈现温度相对较高的现象，这是由于在拐角处流速方向发生改变，在死角区域形成小涡流导致的。

图5 各送风口截面等温线图

从图5中还可看出，X=0.55 m处的中间送风口截面较之X=0.332 m、X=0.768 m柜内中心区域出现较为明显的温度分层现象，这主要是由于中间送风口射流会受到两端送风口射流的影响，致使在远离中间送风口范围内的区域温度相对偏低，但解冻柜内大部分区域的温度与送风温度偏差不大。因此，解冻时物料应主要放置在解冻柜的中间和回风口下端区域，以避免造成干耗增加，影响物料解冻质量。

图6为冷风机截面Y=0.215 m等温线图。从图6中可看到，该切面上温度呈现出“中间小，两边大”的对称性分布，靠近送风口处温度最低，在冷风机射流作用范围内，温度相对偏低。在两侧靠近柜壁处、底部中间区域及柜内拐角处，由于回流作用空气流速减小，空气与周围环境的热交换，造成热量在这些区域集聚，致使温度相对偏高。

图6 Y=0.215 m截面等温线图

图7为冷风机截面Z=0.75 m等温线图。由图7可看到，柜内气流组织为下送侧回的形式，冷风机回风口处温度最低，在送回风空气流动的路线上，温度相对较低。这是由于从各送风口射流的冷空气，经过回流作用将冷量循环往复的带至回风口处。不在冷空气流动路线和贴近柜壁的区域空气流动慢，热量在这一区域集聚而不易被带走，换热效果差，从而该区域温度相对较高。

图7 Z=0.75 m截面等温线图

3.3 速度场模拟结果分析

图8为各送风口截面速度分布图。由图8可看出，气流由送风口射出后，由于送风口贴附柜顶，射流在柜内上部只能卷吸很少的空气，解冻柜内下部空气在回流作用下具有向上分速度，射流在此处衰减，空气流速减小。在送风和回风两个相反运动的作用下，在靠近解冻柜中部区域形成回流区，离回风口越近速度越大。由于在壁面处分子的动力黏性，在柜内周围近壁面区域速度也较小。

图8 各送风口截面速度分布图

图9为冷风机截面Y=0.215 m速度分布图。从图9中可看到，解冻柜内速度分布总体呈“中间大，两侧小”对称性。空气射流从冷风机送风口以较高速度送出，沿重力方向竖直向下前进、不断卷吸周围空气，速度沿程逐渐衰减，紊流强度逐渐增大，直至充分发展。当射流达到解冻柜中心区域后，由于受到回流以及本身重力作用，接近柜底时向冷风机回风口方向运动。在解冻柜四壁拐角处由于速度方向发生改变，存在小涡流，该区域速度较小，不利于散热，导致温度等温线图上该区域温度相对较高。

图9 Y=0.215 m截面速度分布图

图10为冷风机截面Z=0.75 m处横向剖面速度分布图。从图10中可看到，冷风机回风口附近气流速度最大，中间区域的速度场分布较均匀。

图10 Z=0.75 m截面速度分布图

另外，在冷风机三个送风口作用范围内，解冻柜内中心区域能源源不断地获得速度动能，有利于流体在柜内充分换热。

4 结论

本文主要通过建立高压静电解冻柜的物理及数学模型，对空载状况下其柜内内部温度和速度的分布情况进行了数值模拟研究。得出如下结论：

1)速度分布上，在解冻柜中部区域存在回流区，受其影响，这部分区域空气运动速度相对较小；同时，解冻柜内下方区域由于受到回流和重力作用，该区域也处于低速区；柜内流速较高的区域位于送风口和回风口作用范围内。解冻柜内速度分布整体呈现出“中间小，两边大”的对称特点。

2)温度分布上，该解冻柜内的区域温度的高低与该区域速度的大小密切相关。总体上解冻柜内的温度分布较为均匀，局部高温区位于冷风机下方的近柜底区域以及四壁拐角处。

综上所述，建议做以下优化改进：增加送风口横向尺寸，使送风射流作用范围能扩大至两侧壁面，使其在靠近壁面处产生显著的贴附射流，以增加靠近壁面的空气流速和气流射程、从而使气流分布更加均匀，有效提高解冻物料品质。