基于CFD 的沙棘速冻库的设计及试验

Rahimov Asif，胡靖明，杨 梅，张强林，向金田，张文洁

（甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州市 730070）

0 引言

沙棘（Hippophae rhamnoides L.）又叫醋柳、酸刺、黑刺，胡颓子科[1]。我国沙棘林面积约214万hm2，约占世界总面积的90%，中国沙棘果每年实际采收6～8万t[2]。因沙棘浆果皮薄、果梗短，直接采收困难，加工企业一般将枝条果装框放入-30℃以下速冻库速冻。速冻后沙棘品质基本无变化，因此可采用速冻枝果的方式获得纯冻果[3-4]。现有冷库在制冷过程中内部气流场和温度场分布不均，制冷效果差。速冻库在运行中气流场会直接影响速度场和温度场，传统测定方法很难获得整个速冻库的流场分布情况，而采用CFD仿真可快速、直观模拟出冷库内部不同时间气流分布并实现冷库优化设计，使冷库内回流最小化、气流均匀化、送风合理化[5-6]。

流场的涡流区与冷库的尺寸结构、风机的进口风速和出口风速等有密切联系。在速冻库设计中，涡流区域速冻效果差，应尽量避免回流涡流区域的出现[7]。在冷库建设过程中应设法改变涡流区出现的位置，使其尽量移至冷库顶部或墙角等远离货物储存区域的地方[8]。

本文对试验冷库（10m×5m×5m）进行了CFD仿真研究，运用CFD 模拟仿真果蔬摆放形式对库中气流的影响，模拟中为了使空气密度更接近实际工况，假设气流不可压缩并且符合Boussinep假设[9]，运用了交错网格技术和SIMPLE算法对压力进行解耦来防止库内出现不合理的流速场[10]，并为速冻库设计导流板以改变速冻库内部温度场和速度场。本研究结果将为沙棘速冻冷库设计和优化提供参考。

1 解决方案

1.1 冷库设计

改进后的速冻库外墙体由10m×5m×5m（长×宽×高）的隔热墙壁构成，内部由3 个2.7m×0.8m×0.8m（长×宽×高）的大型风机和3个0.9m×0.8m×0.5m（长×宽×高）的小风机组成，其结构如图1。速冻库工作时速冻库内部气流处于循环状态，在导流板作用下，大型风机组和小型风机产生的气流构成小单元气流循环，导流板的设计能够使气流得到有效利用，缩短速冻时间，加快降温速度，保障沙棘枝条果速冻效率。

图1 速冻库结构示意

1.2 导流板的设计

针对现有速冻库内部气流和温度不均匀，难以形成回流区，影响沙棘枝条果速冻效率的问题，在速冻库内部增设导流板用于改变风机组风向，引导风向处于循环状态，加快制冷速度，缩短制冷时间，保障沙棘枝条果速冻效率。导流板的材料主要为玻璃钢，后端与大型风机组固定，呈近似四分之一圆形，宽度为3m，其结构如图2。通过经验数据和实地试验分析预测出有无导流板速冻库的气流场预测图，如图3、图4。

图2 导流板结构（单位：mm）

图4 改进前速冻库气流场预测

1.3 理论分析

在本研究中，流体流动被认为是一个稳态的、不可压缩的三维湍流，假设流动气体为稳态，符合质量、动量和能量守恒[11-12]，为研究方便，需做如下假设：

（1）速冻库内空气符合Boussineq假设并不可压缩；

（2）速冻库内为试验所搭建的铁架、铁丝和管道对速冻库内的流场没有影响；

（3）速冻库内的空气流动属于稳态紊流。

速冻库主要是依靠冷风机的强制性对流实现通道内气流场与温度场的流动分布。整个沙棘速冻库装置的气流出口为冷风机的出风口，通道内的进风口边界定义为速度入口。在标准的k-ε湍流模型中，常用湍流强度与湍流粘度比这两个指标来表示湍流，本文将湍流强度设为5%，湍流粘度比为10[13]。进风口的速度取值为5m/s，进风口的温度按速冻通道内设计的温度-30℃（243.15K）来赋值。针对对流换热，本文采用第三类边界条件，隧道内钢板采用壁面无滑移条件，对流换热系数为35w/（m2K）。在相应模块中进行结构化网格划分[14]，壁面附近设置4 层膨胀层并对局部位置进行加密，最终二维网格数达58020个。经过仿真处理，选择有代表性的切面输出沙棘速冻隧道的气流场与温度场的维图。

1.4 模拟分析

由图5、图6 可知，改进前速冻库风机产生风速会逐渐减弱，受风速影响区域较少，风机出风口方向、风机上部和速冻库靠近内墙壁区域受到影响较大。改进后速冻库中风机产生风速也会逐渐减弱，受到风速影响的区域较多，主要为导流板附近区域、风机上下区域和速冻库靠近内墙壁区域。

图5 改进前速冻库风速三维图

图6 改进后速冻库风速三维图

如图7，改进前速冻库气流具有贴壁流动特征且速冻库右下角存在涡流区。经过冷风机处理后的空气以射流形式从送风口射出，一部分由于壁面分子的粘性贴壁流动，另一部分由于自身重力原因向下流动，到达底部拐角处速度方向突然改变，在该处形成涡流区。流经储存区的气流较少且较为紊乱，难以形成回流区，可知气流利用率较低，物料区域受到气流影响较小。如图8，改进后速冻库中气流总体呈大回流形式，导流板区域流速偏大，风机上方区域流速较小，这是由于气流经过冷风机吹出会沿着导流板外形流入存储区域，经过存储区域的气流一部分流向回风口，另一部分在速冻库底部形成涡流，储存区域气流较改进前多，流动性良好，气流流向趋于稳定，气流利用率较高，回流区域较多，储存区域受到气流影响较大。

图7 改进前速冻库气流分布

图8 改进后速冻库气流分布

由图9、图10可看出改进前速冻库温度场在风机产生风速作用下出风口附近区域温度在-20～-30°C 之间，其温度较低，区域面积较小，存储区域温度为-20°C，有一部分温度较低区域在墙壁上；改进后速冻库温度场在风机风速作用下出风口和导流板附近区域的温度在-20～-29°C 之间，其温度较低，区域面积较大，储存区域的温度能够维持在-20°C，有一部分温度稍低的区域在风机的下方，温度为-18～19℃。

图9 改进前速冻库温度场梯度

图10 改进后速冻库温度场梯度

由图11 可知改进前速冻库温度速度流线大多数在出风口附近进行回流，气流贴壁流动，在壁面附近形成了一个低温区域，主要温度速度流线都经过低温区域，其存储区域经过温度流线较少，说明制冷速度较慢。由图12可知改进后速冻库温度速度流线从整体上看相对比较整齐有顺，较多数温度速度流线在导流板附近和储存区域进行回流，其回流区域较大，回流数量较多，表明制冷速度较快。

图11 改进前速冻库温度流线

图12 改进后速冻库温度流线

2 验证试验

2.1 仪器设备

（1）迷你风速计：本试验采用手持式风速仪测量出风口和回风口风速，具体参数如下，风速测量范围：0～30m/s，测量精度：5%，分辨率：0.1m/s，采样速率：0.5s。

（2）数字探针测温仪：本试验采用数字探针测温仪测量速冻库各点温度，具体参数如下：温度测量范围-40～155℃，测量精度±0.5 ℃，分辨率0.1℃。

（3）电子秤：将采集的沙棘枝条果剪至15～20cm迅速装框，运输至冷藏室中备用。通过风速仪、数字探针测温仪及电子称对改进前后不同冻结时间速冻库温度和风速进行记录。

2.2 试验数据

试验指标为制冷温度和人工劳动时间。人工劳动时间为将待冻沙棘放入库内和取出所花费的时间，试验结果如表1。

表1 改进前后速冻库性能参数对比

由以上试验结果可知，在相同的运行时间和相同的投入枝果质量条件下，改进后速冻库制冷速度比改进前速冻库制冷速度快1.25 倍左右，人工劳动时间明显缩短了2.5 倍左右，劳动效益得到显著提高，大幅降低了用工量。

3 结论

（1）对于气流场，改进前速冻库气流多为贴壁流动，存储区域气流较为紊乱，很难形成回流区，改进后速冻库的气流贴壁流动现象减少，存储区域气流井然有序，形成大面积回流区。

（2）对于温度场，改进前速冻库温度流线多数在出风口处进行回流，存储区域流经的气流较少，可知存储区域受到影响较小；改进后速冻库温度流线在导流板处进行回流，存储区域流经的气流较多，回流区较多，可知存储区域受到影响较大。

（3）在速冻库顶部设计导流板有利于速冻库内部气流流入存储物料区，提高速冻库的速冻效率。