郭晉楠 南曉紅 劉立軍

1 西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

2 西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

0 引言

庫(kù)內(nèi)氣流組織特性對(duì)貨物貯藏品質(zhì)影響顯著。庫(kù)內(nèi)傳熱系數(shù)具有空間差異，造成貨物換熱不均勻[1]。因此研究者們對(duì)貨物擺放形式[2]以及貯藏環(huán)境參數(shù)控制和預(yù)測(cè)[3]等進(jìn)行了研究。目前，在冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)口加裝送風(fēng)管道成為一種重要方法[4]。由于具有均勻、低速送風(fēng)的特點(diǎn)[5]，纖維空氣分布系統(tǒng)（下文稱纖維風(fēng)管）被逐漸應(yīng)用于冷藏庫(kù)，但風(fēng)管布置不合理容易造成庫(kù)內(nèi)局部區(qū)域氣流組織較差的狀況，需調(diào)整送風(fēng)方式以改善庫(kù)內(nèi)流場(chǎng)。

本文采用數(shù)值模擬技術(shù)，分析設(shè)計(jì)工況下半圓式纖維風(fēng)管氣流組織的不足，通過(guò)將風(fēng)管變?yōu)樗姆种粓A式纖維風(fēng)管，對(duì)庫(kù)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化研究。研究結(jié)果對(duì)纖維風(fēng)管在冷藏庫(kù)中的應(yīng)用以及提高花椒貯藏品質(zhì)具有重要意義。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 幾何及物理模型

本研究的冷藏庫(kù)為某全自動(dòng)化立體花椒冷藏庫(kù)，冷藏庫(kù)尺寸為90.6 m×35.1 m×23.0 m，體積約為68371 m3，總庫(kù)容量約為5000t，屬于高大空間。冷卻設(shè)備采用吊頂式冷風(fēng)機(jī)。送風(fēng)裝置為半圓附壁式纖維風(fēng)管。庫(kù)內(nèi)有七處貨物區(qū)，分別為貨物區(qū)A、B、C、D、E、F 和G。冷藏庫(kù)三維幾何模型見(jiàn)圖1（a）。在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算之前，對(duì)幾何及物理模型做合理假設(shè)：

（1）冷藏庫(kù)內(nèi)貨物的物性參數(shù)恒定；

（2）空氣物性參數(shù)是常數(shù)，為不可壓縮流體；

（3）貨物區(qū)為均勻的多孔介質(zhì)區(qū)，且熱物理性質(zhì)在所研究溫度范圍內(nèi)恒定；

（4）空氣和貨物之間的熱傳遞由熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流機(jī)制控制，忽略輻射傳熱；

（5）計(jì)算模型的幾何和邊界條件都是對(duì)稱的，取該冷藏庫(kù)幾何模型的二分之一進(jìn)行研究，如此，可節(jié)約計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間。簡(jiǎn)化幾何模型如圖1（b）。

圖1 冷藏庫(kù)幾何模型及簡(jiǎn)化示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 控制方程

本研究針對(duì)空氣區(qū)和貨物區(qū)建立三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)換熱控制方程，包括：連續(xù)性方程，動(dòng)量方程和能量方程以及k-ε 兩方程模型方程，其通用表達(dá)式[6]為：

1.2.2 貨物區(qū)的處理

受冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)作用，庫(kù)內(nèi)空氣向貨物區(qū)滲流時(shí)受到花椒表面的阻力，這部分阻力在計(jì)算時(shí)作為流體動(dòng)量方程的阻力源項(xiàng)，由Forchheimer 滲透定理確定，主要表現(xiàn)為黏性阻力和慣性阻力：

式中：μ為空氣動(dòng)力黏度，Pa·s；α為貨物區(qū)（多孔介質(zhì)區(qū)）滲透率，m2；C2為慣性阻力系數(shù)，1/m；ρ為空氣密度，kg/m3；ui為X、Y 和Z 方向分速度，m/s；|u|為空氣速度，m/s。

依據(jù)Ergun 方程[7]可得到粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)：

式中：ε 為貨物區(qū)的孔隙率；DP為貨物區(qū)裝袋的有效尺寸，m。

1.2.3 邊界條件

1）送風(fēng)邊界

風(fēng)管送風(fēng)面：速度入口。風(fēng)管總長(zhǎng)度為80 m，斷面為半圓形，直徑約為2.1 m，管道側(cè)面九點(diǎn)鐘方向開(kāi)設(shè)噴孔（孔徑約10 mm），如圖2 所示。依據(jù)廠家提供的設(shè)計(jì)參數(shù)，小孔噴射速度為0.30 m/s，未開(kāi)孔管道面為大滲透送風(fēng)，速度約為0.04 m/s。

圖2 風(fēng)管簡(jiǎn)化幾何模型示意圖

庫(kù)內(nèi)室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算溫度為-5～-3 ℃，空氣流經(jīng)冷風(fēng)機(jī)后的溫差[8]為2～3 ℃，所以送風(fēng)溫度定為-7 ℃。

2）出口邊界

冷風(fēng)機(jī)回風(fēng)口：自由出流，即該邊界的速度和溫度法向梯度為零。

3）墻體邊界

墻體速度邊界均為無(wú)滑移邊界，即速度為零。

四周外墻和屋頂與外界空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，故四周外墻和屋頂外墻熱邊界條件為第三類邊界條件，外表面與庫(kù)外空氣對(duì)流換熱系數(shù)[9]為23 W/(m2·K)，庫(kù)外空氣溫度為30.6 ℃。四周外墻墻體厚度150 mm，屋頂厚度200 mm，保溫材料均為聚氨酯。

地面與土壤接觸，熱流傳輸恒定，傳熱條件可定為定熱流量，故地面熱邊界條件為第二類邊界條件，熱流密度3 W/m2，墻體厚度200 mm，保溫材料為XPS（聚苯乙烯保溫板）。

4）冷風(fēng)機(jī)邊界

風(fēng)機(jī)外殼：無(wú)滑移邊界，即邊界速度為零。并假設(shè)其與室內(nèi)無(wú)熱量傳遞，即壁面絕熱。

5）中心對(duì)稱面

中心面：對(duì)稱邊界，即所計(jì)算的物理量梯度為零。

2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證及模型驗(yàn)證

本文建立5 個(gè)不同網(wǎng)格數(shù)量的計(jì)算模型，網(wǎng)格劃分如圖3（a）。隨著網(wǎng)格數(shù)量增加，各區(qū)域溫度最大值均趨于穩(wěn)定。從圖3（b）可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到265 萬(wàn)時(shí)，各區(qū)域溫度最大值相對(duì)變化率為2.5%，故網(wǎng)格數(shù)量為265 萬(wàn)時(shí)計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖及網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

針對(duì)射流溫度衰減情況，當(dāng)射流溫度與周圍空氣溫度不同時(shí)，趙榮義等人[10]提出出定量的研究結(jié)果計(jì)算公式（下文稱趙榮義計(jì)算式）如下：

此外，蔡增基等人[11]通過(guò)理論分析得出平面射流軸心溫度差衰減計(jì)算公式（下文稱蔡增基計(jì)算式）具體如下：

從圖4 中發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果的射流軸心溫度與上述計(jì)算體系的衰減規(guī)律一致，最大相對(duì)誤差約49%，最小相對(duì)誤差1.7%，平均相對(duì)誤差2%，驗(yàn)證了計(jì)算模型的可靠性。

圖4 射流軸心溫度衰減

當(dāng)送風(fēng)溫度為-7 ℃時(shí)，貨物區(qū)A～G 最高溫度為-5.8 ℃，不滿足花椒貯藏工藝要求（-5 ℃～-3 ℃），如圖3（b）。當(dāng)送風(fēng)溫度為-5 ℃時(shí)，貨物最高溫度和最低溫度均介于-4.6 ℃～-3.8 ℃，滿足要求，如圖5。因此以送風(fēng)溫度為-5 ℃時(shí)的傳熱模型進(jìn)行研究。

圖5 送風(fēng)溫度為-5 ℃時(shí)貨物區(qū)A～G 的最高溫度和最低溫度

3 氣流組織評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前，常用的氣流組織評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有3 類：送風(fēng)有效性參數(shù)，污染物排除有效性參數(shù)及余熱排出效率和熱舒適參數(shù)[12]。本文采用不均勻系數(shù)及余熱排出效率對(duì)庫(kù)內(nèi)氣流組織進(jìn)行評(píng)價(jià)。溫度不均勻系數(shù)kt定義如下[13]：

余熱排出效率η 可用下式定義[13]：

式中：tp、tn、t0分別為回風(fēng)溫度，貨物區(qū)平均溫度和送風(fēng)溫度。余熱排出效率越高，節(jié)能潛力越大。

4 計(jì)算結(jié)果分析及評(píng)價(jià)

4.1 改進(jìn)前后計(jì)算結(jié)果分析

由于纖維風(fēng)管沿Y 軸方向布置，冷空氣集中匯于回風(fēng)口，容易造成距離冷風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)的區(qū)域氣流組織較差。為改善此狀況，以總送風(fēng)量不變?yōu)榍疤幔瑢雸A式纖維風(fēng)管改為四分之一圓式風(fēng)管（如圖6），并使送風(fēng)方向均朝向墻體。改進(jìn)后送風(fēng)邊界條件為：小孔噴射速度為0.6 m/s，未開(kāi)孔管道面滲透風(fēng)速為0.08 m/s。

圖6 改進(jìn)纖維風(fēng)管送風(fēng)模型示意圖

4.1.1 改進(jìn)前后庫(kù)內(nèi)速度場(chǎng)對(duì)比分析

從圖7 可以看出，在半圓式纖維風(fēng)管送風(fēng)模式下，y=45 m 截面的空氣最大速度為0.28 m/s，最小速度為0.04 m/s。在四分之一圓式纖維風(fēng)管送風(fēng)模式下，y=45 m 截面的空氣最大速度為0.36 m/s，最小速度為0.04 m/s。改進(jìn)送風(fēng)方式前后，貨物區(qū)周圍最大空氣速度相比改進(jìn)之前增大29%，有利于庫(kù)內(nèi)冷空氣和貨物進(jìn)行換熱。

圖7 改進(jìn)送風(fēng)方式前后y=45 m截面速度分布圖（m/s）

4.1.2 改進(jìn)前后庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)對(duì)比分析

從圖8 可以看出，在四分之一圓式纖維風(fēng)管送風(fēng)模式下，貨物區(qū)的溫度介于-4.45～-4.25 ℃，貨物區(qū)最大溫差為0.2 ℃，滿足花椒貯藏條件（-5～-3 ℃）。在半圓式纖維風(fēng)管送風(fēng)模式下，貨物區(qū)溫度介于-4.15～-4.45 ℃，貨物區(qū)最大溫差為0.3 ℃。改進(jìn)后貨物區(qū)最大溫差降低33%，且改進(jìn)前貨物溫度偏低。經(jīng)過(guò)上述分析，使用四分之一圓式纖維風(fēng)管送風(fēng)模式有利于營(yíng)造更加均勻的貯藏環(huán)境。

圖8 改進(jìn)送風(fēng)方式前后y=45 m 截面溫度分布圖（℃）

4.2 冷藏庫(kù)內(nèi)氣流組織的評(píng)價(jià)分析

在貨物區(qū)以20 m 為步長(zhǎng)沿Y 軸方向均勻建立五個(gè)截面，調(diào)取每個(gè)截面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度和溫度的值，按照式（7）和（8）進(jìn)行氣流組織評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算，結(jié)果如表1 所示。

表1 氣流組織評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

從表1 可以看出，冷藏庫(kù)內(nèi)貨物區(qū)溫度不均勻度有明顯差別：改進(jìn)送風(fēng)方式（即四分之一圓式纖維風(fēng)管送風(fēng)模式）后，y=65 m 和y=85 m 截面的貨物溫度不均勻系數(shù)比半圓式纖維風(fēng)管送風(fēng)模式下的溫度不均系數(shù)降低9.6%～17.8%，而y=5 m 和y=25 m 截面的貨物溫度不均勻系數(shù)均有所增大。由于距離冷風(fēng)機(jī)較近的區(qū)域空氣流速大、換熱充分，貨物貯藏條件整體較好。而距離冷風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)的區(qū)域，空氣流速小，貨物貯藏條件整體較差，故改進(jìn)送風(fēng)方式后有效于改善距離冷風(fēng)較遠(yuǎn)區(qū)域的氣流組織特性。

對(duì)于庫(kù)內(nèi)余熱排出效率，在半圓式纖維風(fēng)管送風(fēng)模式下，介于y=85 m 截面和y=90.6 m 墻體的區(qū)域余熱排出效率均低于0.95，該區(qū)域體積占冷藏庫(kù)總體積的6%。經(jīng)改進(jìn)送風(fēng)方式，庫(kù)內(nèi)所有貨物區(qū)的余熱排出效率均有所提高，最大增幅達(dá)12.5%，最小增幅為4.5%，最小余熱排出效率達(dá)1.05，較優(yōu)化之前的0.95增大10.5%，有利于增強(qiáng)冷藏庫(kù)運(yùn)行節(jié)能潛力。

5 結(jié)論

本文以韓城市某花椒冷藏庫(kù)為研究對(duì)象，建立庫(kù)內(nèi)冷空氣流動(dòng)與傳熱的三維數(shù)學(xué)求解模型，依據(jù)保持總送風(fēng)量不變的原則，改進(jìn)纖維風(fēng)管送風(fēng)方式，對(duì)比研究了改進(jìn)送風(fēng)方式前后庫(kù)內(nèi)流場(chǎng)的分布情況，主要得出如下結(jié)論：

1）在四分之一圓式纖維風(fēng)管送風(fēng)模式下，貨物區(qū)最大溫差為0.2 ℃，相比改進(jìn)前，貨物區(qū)最大溫差降低約33%，有利于營(yíng)造更加均勻的貯藏環(huán)境。

2）改進(jìn)送風(fēng)模式后，距離冷風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)的區(qū)域的溫度不均勻系數(shù)較改進(jìn)之前的貨物溫度不均系數(shù)降低9.6%～17.8%。使用四分之一圓式纖維風(fēng)管進(jìn)行送風(fēng)，可以有效改善距離冷風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)區(qū)域溫度場(chǎng)的均勻性。

3）改進(jìn)送風(fēng)模式后，庫(kù)內(nèi)貨物區(qū)所有區(qū)域不同位置的余熱排出效率較優(yōu)化之前提高4.5%～12.5%。庫(kù)內(nèi)最小余熱排出效率達(dá)1.05，較優(yōu)化之前的0.95 增大10.5%。改進(jìn)后的送風(fēng)模式可以有效提高整個(gè)冷藏庫(kù)內(nèi)的余熱排出效率，有利于冷藏庫(kù)運(yùn)行節(jié)能。