风机参数对立体冷库气流组织影响的数值模拟

张洪一　曹亚超　崔海亭

摘 要：為使立体冷库温度场更加均匀，研究立体库气流组织不同工况下的变化规律。利用FLUENT软件分别对冷风机送风速度在3.7～15.7 m/s、送风温度在240～248 K以及6种摆放位置下立体库内气流流动与传热过程进行数值模拟，并据此探析立体库气流组织特征分布及冷却性能指标。结果表明，风速对立体冷库性能影响显著，预冷时间随风速增加呈指数减小，温度场分布更均匀，但在冷藏阶段风速过大会造成气流扰动，温度场均匀性降低且能耗骤升；送风温度变化对气流组织分布无显著影响，与冷却速率呈反比关系，增幅基本一致；风机摆放采用主流背向式，气流干扰小且温度场降温均匀。立体冷库风机风速优选12.7 m/s，风温高于冷藏温度2 K，可保证降温速率与降温均匀特性，摆放形式优先采用主流背向式，温度场波动范围为-1～1 K，缩短了冷库在无装载情况下的开机预冷时间。研究结果有利于提高冷库冷却性能和货物冷藏品质，可为立体冷库内气流组织设计方案提供参考。

关键词：工程热物理；立体冷库；气流组织；送风参数；风机摆放；数值模拟

中图分类号：TB657.1

文献标识码：A DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx03001

Numerical simulation of the effect of fan parameters on the airflow

organization of a stereoscopic cold storage

ZHANG Hongyi， CAO Yachao， CUI Haiting

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：In order to make the temperature field of the stereoscopic cold storage more uniform， the change law of the airflow organization of the stereoscopic cold storage under different working conditions was studied. The airflow and heat transfer processes in the stereoscopic cold storage were numerically simulated by using FLUENT software with the air velocity of 3.7～15.7 m/s， the air temperature of 240～248 K and six placement positions， and the distribution of airflow organization characteristic and cooling performance index of the stereoscopic cold storage were explored accordingly. The results show that the wind speed has a significant impact on the performance of the stereoscopic cold storage. The pre-cooling time is exponentially reduced with the increase in wind speed， the temperature field distribution is more uniform， but in the cold storage stage， excessive wind speed will cause airflow disturbance， reduce the temperature field uniformity and sharply increase energy consumption; Air supply temperature changes have no significant impact on the distribution of airflow organization， and is inversely proportional to the cooling rate， with a basically consistent increase; The fan is placed in a mainstream back-to-back style， with minimal airflow interference and uniform temperature field cooling. The optimal wind speed of the fan in the stereoscopic cold storage is 12.7 m/s， and the air temperature is 2 K higher than the refrigeration temperature， which can ensure the cooling rate and uniform cooling characteristics. The optimal installation method is mainstream back facing style， and the temperature field fluctuation does not exceed ± 1 K， reducing the pre-cooling time of this type of cold storage when starting without loading. The research results provide a reference for the design scheme of airflow organization in the stereoscopic cold storage， which is conducive to improving the cooling performance of cold storage and the cold storage quality of goods.

Keywords：engineering thermophysics；stereoscopic cold storage；airflow organization；air supply parameters；fan placement；numerical simulation

随着冷链行业的持续发展，冷库从以前相对简单标准的冷藏模式转向应用场景多元化、冷库运营模式多元化发展[1-3]。相比中国常见的层高5～6 m的传统型冷库，新兴的自动化立体冷库建设高度均超过20 m。传统冷库在实际应用过程中自身空间利用率不高，如无隔架层、直接码货，则利用率更低，而立体冷库可使单位面积冷藏量最大化，封闭式结构能对跑冷现象有效控制，其特有的优势使立体冷库成为未来发展的主流[4-5]。目前，国内外专家学者主要对传统冷库气流组织进行研究，如冷风机出风速度[6-8]、冷风机的摆放位置[9-10]、冷库内货物的摆放形式等[11-13]。管佳佳等[5]对立体冷库的送风量进行了优化，周丹[14]对立体冷库下的吹风方式进行了探究。目前文献中对立体冷库冷风机冷却下的气流组织研究较少。立体冷库中往往需要装多个冷风机，出风气流相互干涉，库内流场和温度场更加复杂，内部气流组织的合理分布对储藏货物的品质有重要影响。

本文以天津某立体冷库为研究对象，研究冷风机不同送风参数和风机摆放形式对立体冷库气流组织的影响，探究库内气流组织的分布规律，提高冷库预冷过程中的降温速率，降低风机能耗。

1.1 物理模型

本文以天津某立体冷库为研究对象，因其冷藏货物为带有包装的生肉产品，冷藏温度为-25 ℃，故研究中不考虑风速和库内湿度变化导致的物品干耗。其三维模型如图1所示。该冷藏间设计尺寸为96.4 m（长）×21.5 m（宽）×26.5 m（高）。冷藏间采用塔式冷风机强制循环制冷（在保温吊顶及屋面夹层间安装），风机安装于冷藏间中央，采用侧面背向吹风。

1.2 数学模型

为建立合适的流动换热模型，计算冷藏间内气流组织的速度场和温度场，作出如下假设和简化：1）空气可被视为不可压缩气体，密度符合Boussinesq假设；2）冷库密封良好，和外界空气不发生质量交换；3）气流在内壁面上流动属于无滑移边界条件。

1.3 边界条件

1）入口边界条件 冷风机送风口设为速度进口，Boussinesq假设的温度基准为240 K（-33 ℃），密度为1.42 kg/m³，温度膨胀系数为0.004 01，湍流强度设置为5%，水利直径设置为出风口直径1 m。

2）出口边界条件 因回风口的速度、压力未知，冷风机的回风口边界类型定义为自由流出。

3）壁面边界条件 目标冷库位于天津，环境温度取当地夏季空气调节日平均温度为27 ℃。冷库的顶板为220 mm厚的硬质聚氨酯泡沫夹芯隔热板，冷藏间的地面为200 mm厚的聚苯乙烯隔热板，冷库四周的墙体保温材料为200 mm厚的硬质聚氨酯泡沫夹芯隔热板。

冷库的四周墙壁、库顶和地面为固壁边界，温度条件定义为第3类边界条件，表面无滑移。因大部分时间冷风机处于停机状态，冷库内部气流和内墙对流换热较小，通常忽略。根据设计规范[18]，冷库外表面的换热系数为23 W/ （m²·℃），而架空地面外表面的换热系数为8 W/（m²·℃）。冷库固壁边界综合对流换热系数可由式（8）计算：

本文利用ICEM软件采用结构化网格划分，全局尺寸0.4 m，冷风机进出口进行局部加密处理。当网格数量达到159万时（见图2），各采样点的速度不再随着网格数量的增加而改变，网格加密已经无法明显提高数值模拟结果的精确性。

网格质量为0.55～1，网格质量良好，无负体积，密度适中，适用本文所建冷库模型。利用FLUENT软件进行求解，速度-压力耦合采用SIMPLIE算法，一阶迎风格式。通过等比例的方法建立了物理模型，与刘海波[20]的实验数据进行比较（见图3），模拟值和实验值的单点最大误差不超过10%，均方差为5.32%，满足工程技术要求，验证了数学模型的可行性。

2 數值模拟及结果分析

2.1 不同送风速度

冷库降温过程为非稳态过程，在排除其他干扰因素，保证冷风机送风温度和其他参数不变的情况下，对送风速度分别为3.7，6.7，9.7，12.7，15.7 m/s进行模拟。图4为不同风速的空气流线图，由图可知，送风口低温气流沿射流方向喷射而出，此时空气流线集中，气流动量大且温度低；低温气流在流动过程中逐渐向外发散，受空气阻力影响，速度逐步降低，与冷库内热空气发生热量、质量交换。

图5为不同风速下中轴线风速分布图。图6为冷藏间y=1截面速度云图。由图5和图6可知，在低风速3.7 m/s时，射流受重力影响向下弯曲，气流触底四散，回流依靠回风口吸力；风速为6.7 m/s时，射流经过冷库两侧中心，扰乱流场分布；风速达到或超过9.7 m/s时，射流弯曲程度减小射程增大，抵达冷库墙壁，流场分布规则呈回字型分布。当风速为12.7 m/s时，气流螺旋式上升进入回风口，而风速在15.7 m/s时，气流扰动增大，底层中部产生4个小的漩涡，影响气流回流。

图7为整体温度云图，当风速分别为3.7，6.7 m/s时，风速过低，温度场出现分层分区现象。随着送风速度增加，冷风机气流更加贴近库顶，射流影响区域和冷量传递的范围更广，温度场分布均匀性提高。风速变化对冷库内部速度场、温度场分布及降温趋势的变化与文献[20]所展示的变化规律基本一致。

图8为不同风速下的降温曲线，图9为冷却时间随风速的变化曲线。从图8和图9可知，随着送风速度的增大，达到冷库设定温度所需的冷却时间不断减少，冷却时间缩小的幅度越来越小，通过提高送风速度来缩短冷却时间越来越困难。冷库能耗和送风量会随着风机转速增加而增大，送风速度为12.7 m/s是较优的选择，冷却速率为3.5 K/min，冷却速率增速最大，冷库内气流组织分布均匀且风速不超过2 m/s。

温度不均匀系数描述了测量点的温度与所有考虑点的平均温度之间的偏差水平，可用标准方差反映各测点温度均匀度离散程度，见式（9）：

表2为冷库预冷10 min时库内最高温度与冷藏温度的差值以及温度不均匀度。由表2可知，预冷阶段，送风速度越大，温度场均匀性越高；在冷藏阶段风速过高会导致气流扰动，温度场均匀性下降。优选风速为12.7 m/s，可保证降温速率与降温均匀特性，温度差为1.13 K，温度不均匀度为0.002 8，冷库温差最小；冷藏阶段时，冷库温度波动最小，温度场更均匀。

2.2 不同送风温度

图10为不同送风温度的冷却曲线。模拟结果发现，送风温度的改变基本不影响库内气流组织分布，不同送风温度下的速度场和温度场基本一致，货物区的温度基本维持在-1～1 K。由图10可知，送风温度越低，预冷时间越短，冷却速率越快，但冷却速率增速基本一致。因冷藏间维护结构无法完全隔绝热量传递，当送风温度为248 K时，随预冷时间的延长，库内温度只能接近248 K而无法达到。当送风温度在240～248 K变化时，温度场温度不均匀度为0.229～0.252，送风温度变化对货物区温度梯度的影响不大，库内温度场分布基本不随送风温度的变化而波动。

2.3 不同冷风机摆放形式

冷库内的主要扰动来源于冷风机，冷风机安放位置对库内气流组织的分布有很大影响[21-23]，参考大量文献及研究数据，根据优选送风参数，针对此冷库提出的6种风机摆放方案（方案A：主流背向式；方案B：主流面向式；方案C：主流接力式；方案D：一字排开式；方案E：主流背对交错式；方案F：主流面向交错式）进行研究，详见图11。

图12为冷风机不同摆放形式下的空气流线图。图13为对应的中轴线风速分布图。由图12和图13可知，方案A与前文风速为12.7 m/s条件下速度场分布相同，流线呈对称分布，两侧中心位置流线稀疏为回流区；方案B射流在中间区域发生接触，造成动量损失，气流相互干涉导致流场分布不均；方案C冷风机同向出流，部分气流热质未充分交换就被回风口大量吸入，冷藏间纵深较长，影响回流；方案D气流以较大速度撞击墙壁，流程相对较短，回流速度快，相邻冷风机气流干扰较大，流场分布紊乱；方案E和方案F减小了冷风机回流、汇流的相互干扰，但受限于冷库宽度。

图14为不同摆放形式下的截面温度云图。在运行15 min后，方案A和方案B达到冷藏温度，方案D、方案E和方案F平均温度为249 K，方案C温度最高为250 K。另外方案E和方案F虽然减少了气流之间的相互干涉，但是贴近墙壁的风机射流受到墙壁的阻碍无法与库内空气充分接触，导致冷藏间预冷时间延长，冷却效率降低。方案A冷藏间两端的温度低于中心区域的温度，中心货物码垛区温度场分布均匀；方案B冷藏间两端温度高于中心温度；方案C整体温度场明显分布不均，因气流被回风口吸入致换热不充分，以及冷藏间纵深过长导致侧端冷风机周围冷空气很难到达，造成侧端温度较高；方案D由于冷藏间宽度较短导致冷风机射流之前相互干扰，冷藏间中部和两端温度较高；方案E和方案F冷藏间货物码垛区温度场分布不均，局部相对温度较高会造成货物冷藏温度不一致进而影响冷藏品质。

图15为冷风机不同摆放形式的冷却时间。由图可知，冷风机以主流背向式（方案A）安装冷库预冷所需时间最短，冷却速率最快。

图16为冷风机不同摆放形式下的温度不均匀度。由图可知，方案A、方案B和方案F的温度不均匀度明显较低，均为0.23～0.27，冷藏间内部温度波动较小，温度场分布均匀。从预冷时间和温度不均匀度分析得出，风机摆放优选方案是主流背向式（方案A），可缩短立体冷库在无装载情况下开机预冷时间以及对冷库卸载后是否停机做出预测，主流面向式（方案B）和主流面向交错式（方案F）为次选。

3 结 语

本文主要针对新兴的立体冷库进行冷风机送风参数对冷却性能影响的研究，并筛选出一种合理的方案。通过模拟结果可知，方案能够提高冷藏间气流组织速度场、温度场分布的均匀性，保证货物冻藏品质，可为立体冷库设计优化、布风改造和货物堆垛提供参考依据，并为流场的优化提供理论指导。具体结论如下。

1）适宜的送风参数和风机摆放形式可以提高冷库的冷冻效果，实现快速均衡预冷。当送风速度为9.7～12.7 m/s时，冷库内氣流组织分布规则，送风速度选取12.7 m/s较为合适，能够确保降温速率和温度场的均匀性。

2）冷却时间与送风温度呈正相关，改变送风温度对气流组织分布的影响不显著。

3）冷风机采取主流背向式（方案A），可以减小送风气流相互干扰，库内气流组织速度场呈回字型分布，中心货物域温度分布均匀。

4）利用CFD技术预测出较为优选的风机参数和安装位置，减少立体冷库温度波动，为立体冷库的节能降费措施研究奠定了基础。

受疫情等影响未对立体冷库进行现场实验，未来还需进一步对立体冷库满载时的冷却性能进行研究，如就货物摆放方式、风机启停运行方式，以及冷库能耗性价比定量分析等方面进行探讨，进一步提升大型立体冷库货物冷藏品质，实现节能降耗。

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