（制冷及低温工程专业论文）果蔬冷藏间内速度、温度、湿度分布及产品干耗的动态特性研究.pdf

摘要 摘要 随着我国食品工业的迅猛发展，人民生活水平的不断提高，我国的食品冷 藏链得到了快速发展。冷藏库作为食品冷藏链中的一环，为控制食品质量，减 少食品干耗起着越来越重要的作用。 众所周知，冷藏库内存在复杂的热质交换过程。过去在冷库的设计和运行 过程中，往往采用经验法优化结构和操作参数。然而，实践证明这种方法具有 很大的局限性，食品的质量控制并不能得到可靠保证。用建立冷藏库内热质传 递过程数学模型，运用计算流体力学的方法进行气流组织数值计算并最终对设 备进行优化设计、控制食品质量已成为可能。本文将以计算流体力学和传热学 为基础，将上海某大型冷库项目内的一个典型果蔬冷藏间作为研究对象，运用 计算流体力学的方法对该冷藏间内速度、温度、湿度场的动态分布及产品冷藏 期间的干耗进行相关研究。 本论文的研究内容主要包括如下几个方面：首先，根据对项目现场的考察 并结合该项目相关设计资料建立被研究对象的几何模型，并在此基础上分析冷 藏间为空库时内部流场分布的特点。然后，探讨当冷藏间内贮藏土豆时，冷风 机送风参数( 送风速度、温度、相对湿度) 对冷库内部流场分布以及土豆冷藏 期间干耗的影响。接着，又分析了土豆的物性参数( 土豆直径，孔隙率，呼吸 热) 以及堆放方式对冷库内部流场分布以及土豆冷藏期间干耗的影响。最后， 对影响土豆冷藏期间干耗的因素进行敏感性分析，确定了影响干耗的敏感因素。 关键词：冷藏间，送风参数，物性参数，流场分布，干耗 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y si nc h i n a ，t h ef o o dc o l d c h a i nh a so b t a i n e dr a p i dd e v e l o p m e n t w i t hf o o di n d u s t r yp r o g r e s sa n di m p r o v e m e n to fp e o p l e sq u a l i t yo f1 i f e t h ec o l ds t o r a g e ，a sali n ko fc o l d c h a i n ，isp l a y i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l ei nt e r m so fc o n t r o l l i n gf o o dq u a l i t ya n dr e d u c i n gi t s w e i g h tl o s s i t i sl e a r n e dt h a tt h ee x c h a n g e so fh e a ta n dm a s sa r ev e r yc o m p li c a t e d i nc o l ds t o r a g e t h a ts o m ee m p i r i c a lm e t h o d sw e r eo f t e nu s e dt oo p ti m iz e c o l ds t o r a g e ss t r u c t u r ed e s i g na n do p e r a t i n gp a r a m e t e ri nt h ep a s t b u t p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a tt h o s em e t h o d sh a v et h e i ro w nli m i t a t i o n s ，s o q u a l i t yc o n t r o lo ff o o dc a n tg e tr e l i a b l eg u a r a n t e e r e c e n t l y ，i th a s b e c a m ep o s s i b l et h a te s t a b l i s hm a t h e m a t i c a lm o d e lo f h e a ta n dm a s s t r a n s f e rp r o c e s so fc o l ds t o r a g ei n t e r i o ra n da p p l yt h et e c h n i q u eo f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) t os i m u l a t et h ea i rf l o wi nc o l d s t o r a g e t h ea p p l i c a t i o nw i l lh e l pt oo p t i m i z es t r u c t u r ed e s i g no fc o l d s t o r a g ea n dc o n t r o lt h ef o o dq u a lit y t h isp a p e rw il lb a s eo nt h e c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sa n dh e a tt r a n s f e rt h e o r ya n dt a k eat y p i c a l g r e e n s t u f f ss p r i n g h o u s eo fs o m el a r g e 。s c a l e c o l ds t o r a g ep r o j e c to f s h a n g h a i a sr e s e a r c ho b j e c t ， a p p l yt h em e t h o do fc o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c st os t u d yt h ed y n a m i cd i s t r i b u t i o no fv e l o c i t y ，t e m p e r a t u r ea n d m o i s t u r ei nt h ei n t e r i o ra n dw e i g h tl o s so ff o o dd u r i n gc o l ds t o r a g e m a i ns t u d yc o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s f i r s t ， a c c o r d i n gt ob o t ht h ef i e l di n v e s t i g a t i o na n d r e l a t e dd e s i g nd a t a e s t a b l i s hag e o m e t r i cm o d e lo fr e s e a r c h e do b j e c t ，o nt h i sb a s i s ，a n a l y z e i i a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r n a l f l o wf i e l dd i s t r i b u t i o nw h e nt h ec o l d s t o r a g ei se m p t y t h e n ，i n v e s t i g a t et h a te f f e c to fa i rs u p p l yp a r a m e t e r s o fc o o l i n gf a no ni n t e r n a lf l o wf i e l da n dp o t a t o sw e i g h tl o s sd u r i n gc o l d s t o r a g e b e s i d e s ，s t u d yt h a te f f e c to fp o t a t oi t s e l fp h y s i c a lp r o p e r t i e s a n ds t a c k i n ga r r a n g e m e n to ni n t e r n a lf l o wf i e l da n dp o t a t o sw e i g h tl o s s d u r i n gc o l ds t o r a g e f i n a l l y ，c a r r yo ns e n s i t i v i t ya n a l y s i sa b o u ts o m e f a c t sw h i c hh a v ea ne f f e c to np o t a t o sw e i g h tl o s sd u r i n gc o l ds t o r a g e a n dd e t e r m i n et h es e n s i t i v i t yf a c t s k e y w o r d s ：c o l ds t o r a g e ，a i rs u p p l yp a r a m e t e r ，p h y s i c a lp a r a m e t e r ， f l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n ，w e i g h tl o s s i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：黄名j 艽 2o d 留年弓月2e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月曰 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：前墨j 苑 2 矿。吕年岁月2 e 1 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景、课题来源与意义 1 1 1 研究背景 随着我国食品工业的迅猛发展，人民生活水平的不断提高，我国的食品冷 藏链得到了快速的发展。作为二十世纪随着科学技术进步、制冷技术发展而建 立起来的一项系统工程，食品冷藏链是建立在食品冷冻工艺学的基础上，以制 冷技术为手段，使易腐食品从生产者到消费者之间的所有环节，即在原料( 采摘， 捕捞、收购等环节) 、生产、加工、运输、贮藏、销售流通的整个过程中，始终 保持合适的低温条件，以保证食品的质量，减少食品的损耗。 食品冷藏链中的主要环节有：原料前外理环节、预冷环节、速冻环节、冷 藏环节、流通运输环节、销售分配环节等。原料前处理、预冷、速冻这三个环 节都是食品冷加工环节，我们可称它为冷藏链中的“前端环节 ；冷藏环节， 主要是冷却物冷藏和冻结物冷藏，这是冷藏链的“中端环节”；销售与分配环 节，是冷藏链的“末端环节”；而冷藏运输则贯穿在整个冷藏链的各个环节中。 冷库作为冷藏链中重要的一环，是发展冷藏业的基础设施。近年来，随着 货物冷藏需求量的增加，我国冷库建设发展十分迅速。据统计，我国现有冷冻 冷藏能力已达5 0 0 多万吨，其中外资、中外合资和私营冷库约占5 0 万吨，国有 冷库4 5 0 多万吨，分属于内贸、农业、外贸和轻工系统。其中内贸系统冷库容 量达3 0 0 多万吨，占全国总量的6 0 以上。我国商业系统拥有果蔬贮藏库面积 达2 0 0 多万m 2 ，仓储能力达1 3 0 多万吨，其中机械冷藏库7 0 多万吨，普通库为 6 0 多万吨。 从市场对冷藏库的需求来看，我国现有的冷藏库容量还是十分不足的，今 第1 章绪论 后还将根据不同的需求建设各种类型的冷藏库。然而，调查发现，目前大多数 冷藏库内气流组织存在不合理的问题，导致冷库内冷量分配不均，货物的干耗 增加，从而降低了货物的贮藏质量。因此，研究并改善冷藏库内的气流组织具 有十分重要的意义。 1 1 2 课题来源与意义 本课题来源于留学归国基金项目冷藏库内温度、湿度动态分布过程的 研究。 由于冷藏库中存在着复杂的热质交换过程，以往在冷藏库的设计和运行过 程中，往往采用经验法优化结构和设定操作参数，使得控制贮藏品的质量非常 困难。用建立冷藏库内热质传递过程数学模型，运用计算流体力学的方法进行 气流组织数值计算并最终对冷库进行优化设计，从而控制食品质量已成为可能。 计算流体力学( c f d ) 作为一门在经典力学、数值计算方法和计算机技术基础上 建立起来的新型学科，它通过对实际问题建立数学物理模型，根据提供的边界 条件和参数，可以对速度场、温度场、压力场等诸多物理量进行仿真模拟，从 而得到流动区域内精细的速度场、温度场，因此，以c f d 为研究工具可更好地分 析冷藏库内流体的流动情况。近年来，c f d 技术应用在食品、制冷等工程实际中 所取得的满意效果就是最好的证明。但是，与其他领域相比，这一技术应用于 冷库方面的研究却很少。 1 2 国内外研究进展与现状 1 2 1 国外现状与动态 h h a s s e 和m b e c k e r n 3 通过对冷库系统的研究，提出了冷库内的动态模拟模 型，它是由相互关联的子系统如：库内空气，货物，房屋结构，冷库墙壁，蒸 发器，制冷机及环境等组成。数学描述是基于质量和能量的平衡，连同热质交 换的简单估计，考虑了物品的冻结及蒸发器的结霜，也考虑了融霜的可能性。 2 第1 章绪论 通过使用模块结构和自上而下顺序的模拟得到了一个全面的动态性能的简单描 述。这个模型的优点在于它的参数是有限的，并且大多数的参数很容易从获得 的信息中确定。使用这些参数，在冷库运行中，那些重要参数的瞬态特性能够 被预测。 h b n a h o r 和m l h o a n g 瞳1 对冷库内的流场进行了分析，利用瞬态三维c f d 模型来计算无存货冷库和有存货冷库的速度，温度和湿度分布。同时，还模拟 风扇和冷却器的动态特性。依靠具有标准外墙轮廓的标准七一占模型，以紊流状 态计算。通过测量库内的速度，空气和产品的温度模型得到了验证。无存货时 冷库内部速度的大小能达到平均2 2 的精确度，温度的分布比预测的更均匀；、 有存货时，速度大小的平均精确度能达到2 0 ，模型能够在合理的精度范围内预 测空气和产品的温度。 m l h o a n g 和p v e r b o v e n 口1 研究了冷库内气流属性和产品属性的偏差对菊 苣根冷却的影响。研究了菊苣根在各种不同的风速，温度及相对湿度下的冷却 过程；产品孔隙率的变化，呼吸热的变化以及产品的热容也被研究。研究结果 增进了我们对冷却过程中控制策略及冷库运行工况的理解。产品温度对工艺条 件的最小灵敏性被发现是在低风速( o 1 m s ) ，低温度( 1 ) 及高相对湿度( 9 5 ) 时。而这些条件的较小偏差可能导致经三个月贮存后，产品失重增加达4 。产 品堆的孔隙率及呼吸起效她对产品失重的变化具有重要的影响。 p c h e n ，o j c l e l a n d a h l 等人发展了一种基于t a m m 方程的经验模型，用来 预测通过大门渗入到冷库中的气体流速。模型整合了气密性以及由于打开门引 起的气体渗入和由于运输车辆通过大门而引起的额外的气体交换。 a m f o s t e rr b a r r e t t 畸1 等人从改进冷库内温度的控制并提升冷库运行的 经济性出发，研究如何减少通过食品冷库库门的空气渗透量，发展了一种气体 通过大门流动时的c f d 模型并使用常规的叶轮风速仪和激光多普勒速度仪进行 了测量。实验表明建立的c f d 模型总的来说是较精确的。 3 第1 章绪论 y 0 d e v r e s 和c f h b i s h o p 阳1 则采用了一个计算机模型来计算能量的消耗 和水分的流失。 总的来说，国外在对冷库内的气流环境和与之相关的影响因素的研究方面 ，较国内深入。 1 2 2 国内现状与动态 相比国外的研究现状，目前国内对冷库内气体流场的研究并不多，公开发 表的研究成果较少。其中具有代表性的研究主要有： 西安交大胡浩等 1 采用k 一占紊流模型建立了水果气调库内气体流动、传热 与传质的三维数学模型，还对水果的呼吸原理建立了货物区的热质传递控制方 程，采用s i m p l e 算法和整体求解法，编制了通用的计算程序，对气调库的降 温、降氧过程进行了数值计算。 浙江大学的王剑锋等阻1 对冷库冻结间的流场进行模拟研究得出：合理的冷库 冻结间气体流场，可以保证冷量的均匀分配，加快冻结速度、降低冻品干耗， 节约冻结电耗量。 上海水产大学的吴天，谢晶1 对一个空的果品冷藏库气体流场进行了初步的 模拟及实验研究。研究表明数值模拟在冷藏库流场优化设计中的应用切实可行 而且优势显著。 上海水产大学的陈天及，余克志等通过对一小型装配式冷库在装货条件下 温度场的实验研究n 0 1 ，总结出了库内温度场的分布规律，并分析了冷风机送风 速度及库温控制对库内温度分布的影响。随后，他们又应用数值模拟的方法分 析了货物对该冷库内速度场和温度场影响n ，揭示了不同装货高度和堆放位置 下库内速度场与温度场的分布特性，并通过实验验证了数值计算结果的正确性。 1 3 研究内容 综合目前国内外对冷库中低温环境的研究现状可知，计算流体力学在该领 域的应用还远不如其它领域普遍，国内的研究现状与国外也存在较大差距。因 4 第1 章绪论 此，在完成本论文的过程中将从以下几方面入手进行探讨： 首先，探讨冷藏间为空库时内部速度场和温度场分布特点。这部分内容主 要包括：第一，根据相关设计资料建立所研究对象为空库时的几何模型，并应 用数值模拟前处理软件g a m b i t 对该几何模型进行网格划分。在进行网格划分时， 为了比较不同网格模型对模拟结果精确度的影响，将同一个几何模型用不同类 型和大小的网格分别进行划分，然后再分别带入f l u e n t 进行迭代求解，最后将 迭代结果进行对比分析，从而确定精确度较高的网格模型。第二，湍流模型的 选择。在确定网格模型之后，再对该网格系统分别采用不同的湍流模型进行迭 代求解，将迭代结果进行对比分析，进而确定精确度较高的湍流模型。第三， 分析空库时内部的流场分布。包括速度场，温度场分布。 接着，探讨当冷藏间内堆放土豆时，在不同因素的作用下其内部温度、湿 度场随时间的动态分布及产品内水分耗散率随时间的变化。在探讨这部分内容 时，主要从两个方面入手：一方面，从冷风机送风参数的角度分析各种送风参 数的变化对冷藏间内流场动态分布和水分耗散率的影响。这其中包括探讨不同 的送风速度，送风温度和送风湿度下，冷藏间内流场分布和产品水分耗散率随 时间的变化。另一方面，从土豆物性参数与堆放方式的角度分析其对内部流场 分布和水分耗散率的影响。这里涉及到的产品物性参数包括：土豆直径，堆放 孔隙率及呼吸热。其分析的步骤和方法与探讨送风参数时类似；至于堆放方式 的影响，则是通过假定对同一批土豆若采用不同堆放方式进行冷藏，那么冷藏 间内的流场分布和产品水分耗散速率将发生怎样的变化。 然后，应用敏感性分析的方法对影响土豆冷藏期间水分耗散率的因素进行 敏感性分析。从而确定影响土豆冷藏期间水分耗散率的敏感因素。 最后，在总结以上研究成果的基础上，提出进一步研究的建议。 第2 章果蔬冷藏库简介及几何模型的建立 第2 章果蔬冷藏库简介及几何模型的建立 2 1 果蔬冷藏库简介 果蔬冷藏库通常专指用来贮藏水果，蔬菜这一类鲜活食品的冷却物冷藏间。 由于相对于冻结物冷藏间而言，这类冷库通常设计温度一2 以上( 冻结物冷藏 库的设计温度在一1 5 以下) ，因此，它属于高温冷库的范畴。根据果蔬冷藏 工艺的不同，果蔬冷藏库又可分为普通冷藏库和气调冷藏库。普通冷藏库是指 根据不同果蔬的冷藏条件( 冷藏温度，相对湿度) ，用来贮藏经过冷却间( 也可 直接在冷藏库内) 冷却后果蔬的冷藏库。气调冷藏库是指在普通冷藏库的基础 上，通过调节和控制设备进一步提高贮藏环境的相对湿度，并人为地造成特定 的环境气体成分，在维持果蔬正常生命活动的前提下，有效地抑制呼吸、蒸发、 激素作用及微生物纳；活动，延缓生理代谢，推迟后熟、衰老进程和防止腐败变 质，从而减少贮藏损失，延长保鲜期，使果蔬更长久地保持新鲜和优质的食用 状态的一类冷藏库。本论文所研究的果品冷藏库属于前一种类型即普通冷藏库。 2 2 冷藏库几何模型的建立 本论文研究对象的原型来源于意露( 上海) 冷藏有限公司所属的意露上海 冷库项目。 意露上海冷库项目位于上海市闵行区华漕镇闵北工业开发区纪展路3 5 8 号， 冷库占地总面积5 8 亩，约3 万8 千平米，其中建设面积5 2 亩，约3 万5 千平 米；冷库面积为1 6 2 0 2 5 平米，冷库建筑高度1 9 5 米，库房净高1 3 5 米。冷 库容积率o 6 5 。在隔热保温方面，冷库外围护结构与顶板采用1 7 5 毫米厚聚氨 酯板作保温层，内部各冷藏室隔断采用1 0 0 毫米厚的聚氨酯板；库房地面保温 6 第2 章果蔬冷藏库简介及几何模型的建立 采用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板，板厚5 0 毫米，地面共铺三层挤塑板。在制冷系 统方面，该冷库采用的是水冷螺杆式氨制冷系统，制冷方式为氨直接蒸发式制 冷，冷凝方式为蒸发式冷凝，库房的制冷设备采用氨吊顶热浸锌式高效冷风机。 为了有效地保证产品的冷藏品质，该冷库采用独立式的冷藏室及先进的电脑自 动化温控监控系统；针对冷冻食品、饮料、蔬菜、水果、禽畜、海产品、水产 品的仓储要求可提供从+ 1 5 c o - - 2 8 c o 的不同区间的温度控制。项目全部建成 后，总存储量将达到2 5 ，0 0 0 个托盘( 2 5 ，0 0 0 吨) 。该项目已于2 0 0 7 年7 月 动工，项目将分三期进行。 虽然意露( 上海) 冷藏库是一个大型的多温区间冷藏库，针对不同冷藏物 的冷藏要求，它可以通过先进的自动化温控系统对其冷藏环境进行特定调节， 提供从+ 1 5 c o - - 2 8 c o 的大范围温度区间控制，但是，由于本论文研究的对象是 果蔬冷藏库内温度场，湿度场及速度场的动态分布，故对于像意露冷库这样的 多温区间独立式冷藏库，我们选择与研究相关的果蔬冷藏间，即高温库作为研 究对象。所选冷藏间的几何尺寸为：长2 8 米，宽1 7 3 米，高1 3 5 米。内部冷 却设备为两台吊顶式高效冷风机，吊顶高度1 1 4 5 米，之所以对于这样大型的 冷藏间，只选择了两台冷风机作为冷却设备，主要是基于制冷设备初投资的考 虑。据了解得知，在进行制冷系统设计时，最初考虑了在冷藏间内布置均匀送 风管。但是，考虑到如果风管用镀锌铁皮制作，使用时间长了容易生锈和滋生 微生物，这将影响到食品的冷藏品质；而如果采用有机玻璃纤维制作，成本又 图1 1 果蔬冷藏间几何模型 第2 章果蔬冷藏库简介及几何模型的建立 太高，初投资不允许。因此，综合考虑后决定采用高效冷风机直接送风。而采 用这种送风形式能否满足实际运行的要求却是一个值得探讨的问题。在下一章 中，我们将对冷藏间为空库时内部的速度和温度分布进行详细的讨论。根据掌 握的设计资料，建立冷藏间的几何模型如图1 1 所示。 8 第3 章冷藏间为空库时内部流场分析 第3 章冷藏间为空库时内部流场分析 3 1 空库时冷藏间内部流场分析的目的 对于像意露( 上海) 冷藏库这样的大型冷藏间，虽然在冷藏问建造前的设 计阶段就已经确定了其内部的设计参数，但是，毕竟影响冷藏间内部环境参数 分布的因素是复杂多变的，要受到诸如自然环境因素，设计技术水平，设备的 先进也日常运行管理等多种因素的影响。因此，冷藏间实际运行的参数与设 计参数之间或多或少存在差异，如何才能评价两者间的差异有多大了，如果我 们采用现场测试的方法，通过采集数据后进行对比势必将耗费大量的时间，且 费用高昂。而且，更重要的是即便是采用现场测试的方式，由于此时冷藏间已 经建造完成，就算测得数据与设计参数存在很大差异，也很难再采取补救措施。 这将会给冷藏间的投资建设方带来巨大的经济损失，后果非常严重。如何才能 使冷藏间内的实际流场参数满足设计参数的要求，避免不必要的经济损失呢? 计算流体力学技术( c f d ) 给我们提供了一种可行的方法。通过应用这种技术进 行冷藏间内的气流组织计算，可以得到我们所关心的内部环境参数的大小及分 布状况。 众所周知，冷藏间内温度、湿度及速度分布的均匀性对冷藏间内果蔬的贮 藏品质具有重要的影响，各参数的取值控制不当或分布不均都将加剧产品的腐 败变质，增加产品的干耗并缩短产品的贮藏期，从而降低产品的经济价值。可 见，能否有效控制冷藏间内的环境参数对保证食品的安全贮藏是非常重要的。 运用计算流体力学的方法对冷藏间内无荷载时的流场参数进行气流组织数值计 算，可以为冷藏间的结构设计以及设备选择和布置的合理性，提供参考依据。 9 第3 章冷藏问为空库时内部流场分析 因此，有必要对空库时内部气流组织参数进行分析。 3 2 空库时冷藏间内部流场分析 3 2 1 冷藏间内的负荷计算 本论文所研究的冷藏间属于冷藏间中部十八间相同几何尺寸的冷藏间中的 一间。冷藏间四周围护结构均为l o o m m 厚的硬质聚氨酯保温板隔墙，且四周相 邻的冷藏间的设计温度与研究对象的设计温度相同，故不考虑四周围护结构的 传热量，作为无温差绝热处理。因此，这里所考虑的围护结构的得热量主要来 至于冷藏间的顶板得热和地面得热。同时，考虑到库内冷风机运转时的散热量 相对于围护结构得热量来说很小，对数值计算结果钠毒舂确桎影响划i ，故在本 研究中忽略了冷风机的散热量。从意露( 上海) 冷藏库的制冷系统施工方了解 到，该冷藏库的顶板均采用1 7 5 毫米后的硬质聚氨酯板作为隔热板。经送国家 塑料制品质量监督检测中心检验，2 5 时，该冷藏问所用硬质聚氨酯板的导热 系数为0 0 2 3 w m ，满足设计要求。又根据冷藏间设计规范n 2 1 的规定 库房围护结构外表面与内表面换热系数按如下要求确定：( 1 ) 顶棚上为阁楼或 有房屋和外墙外部紧邻其他建筑物的外表面时，口。= 1 2w m ； ( 2 ) 冷却 物冷藏间设有强力鼓风装置时，口。= 1 8w m ； ( 3 ) 地面下为通风架空层 时，口：- - 8w m ； ( 4 ) 地面为直接铺设在土壤上时，a 可不计。结合本 工程实际，选定顶棚外表面换热系数口。- - - - 1 2w m ，内表面换热系数口。= 1 8 w m ，地面下表面换热系数口j - - 8w m ，以下分别计算顶板得热量和地 面得热量： ( 1 ) 顶板得热量计算： 顶板外侧计算温度t 。采用上海夏季室外日平均计算温度t 。- - - - - 3 0 c ：冷藏间内部 1 0 第3 章冷藏间为空库时内部流场分析 冷藏温度f 。取设计平均温度t 。= 2 ，按冷藏间设计规范的要求，顶棚上为 通风阁楼时，其顶板内外温差修正系数a = 1 2 。顶板厚度6 = 1 7 5 r a m ，导热系数 入= o 0 2 3 w m 。由第三类边界条件下导热热流量计算公式n3 | ，求得冷藏间 通过顶板的得热量g 。为： g 。= 篱= 半器笄吐3 3 ( w m 2 ) + 一+ 一+ + a 。 名 1 20 0 2 315aa00 2 3 w 以 h ( 2 ) 地板得热量计算： 地板下侧架空层计算温度f ：采用上海夏季室外日平均计算温度t 。= 3 0 ；冷藏间 内部冷藏温度t 。取设计平均温度t 。= 2 ，按冷藏间设计规范的要求，冷问 地面隔热层下为架空层时，其地面内外温差修正系数a = o 7 。地面结构包括： 1 5 0 r a m 厚挤塑聚苯乙烯板，导热系数入= o 0 3w m ；2 5 0 r a m 厚混凝土板，导 热系数九= 0 7 9w m ；5 0 r a m 厚水泥砂浆找平层，导热系数九= 0 3w m ； 2 m m 厚氯化聚乙烯防水卷材，导热系数入= o 0 9 7w m 。利用上述求得热量 gt 的公式可得通过地面得热量gz 为： gz 5 ja丽(to-t月)= 覃匝盈0 7 罕x ( 3 0 叵- 2 ) 甄黾4 5 c w m 2 ) 口：鲁以a 。8 0 0 30 7 9o 30 0 9 71 8 3 2 2 初始条件、边界条件及计算方法 网格模型边界条件的设定及模型输入参数值分别见表3 1 和表3 2 。同时进 行动量方程和能量方程迭代计算，在满足设定精度和保证特征物理量收敛后， 停止迭代。所有计算首先选用较小的欠松弛因子和一阶迎风格式得到初值，然 第3 章冷藏间为空库时内部流场分析 后采用能有效减少假扩散的二阶迎风格式得到最终结果。除能量方程残差控制 在5 1 0 - 8 外，其它残差均控制在1 0 。下面如无特殊说明均采用此计算方法。 所有计算均在个人电脑完成。 表3 i 边界条件表 表3 2 模型参数表 参数名称参数值 送风速度( m s ) 送风温度( ) 湍流强度( ) 送风口水力直径( m ) 空气密度( k g m 3 ) 空气比热( j k g k ) 空气导热系数( w m k ) 空气黏度( k g m s ) 1 0 1 5 0 8 2 1 2 8 1 0 0 6 4 3 0 0 2 4 2 i 7 9 1 旷 3 2 3 湍流模型的选择 将选定的网格模型导入f l u e n t 之后，需要选择适当的数值模型。就所研究 的冷藏间来说，冷风自冷风机送风口以射流的形式吹出，冷藏问内流体运动呈 湍流状态。由于在湍流流动与换热中，速度、压力、温度等参数都随时间和空 间发生随机变化，要对高度复杂的湍流流动与换热进行直接的数值模拟，必须 采用很小的时间与空间步长，在目前的计算机水平下，这几乎不可能实现。利 用雷诺时均法，将非稳态控制方程对时间作平均，得到时均物理量控制方程， 再经过一定的条件假设演变出当前湍流流动与换热计算广泛采用的湍流模型。 1 2 第3 章冷藏间为空库时内部流场分析 所谓湍流模型是把湍流脉动值的附加项与时均值联系起来的一些特定关系 式。b o u s s i n e s q 把湍流脉动所造成的附加应力与层流运动的剪切力联系起来， 引入湍流粘性系数 并指出它是空间坐标的函数，取决于流动状态而不是物 性参数。这样计算湍流流动与换热的关键就在于如何计算湍流粘性系数”根 据确定的。微分方程数目的多少就产生零方程模型、一方程模型及两方程模型 等。目前工程上广泛采用的两方程k s 模型，就是通过引入湍动能丘与耗散率s 来求解。，从而完成湍流流动与换热的求解。工程实践表明：在一定范围内，、 两方程k - f 模型能较好地解决湍流流动与换热问题。根据不同的适用条件，k - e 两方程模型又可以分为：标准k s 两方程模型，重整化群k - s 模型和可实现k g 模型。 ( 1 ) 标准k - 6 两方程模型。该模型是典型的两方程模型，它是在一方程模 型的基础上，新引入一个关于湍流耗散率g 的方程后形成的。该模型是目前使用 最广泛的湍流模型。在标准的k s 模型中，k 和s 是两个基本未知量，与之相对 应的输运方程为 昙( 肚) + 毒( 砌扣毒泓+ 箦) 考】+ q + q 一, 0 6 一城 ( 3 1 ) 昙( 伊) + 苦( 倒j ) - 毒 + 丝0 。：) 罢o x j 】+ q 。妻( g 七+ c 3 。q ) 一c 2 , p 譬+ 砖( 3 2 ) p t = o c 。i k 2 ( 3 3 ) 式中，p 表示密度，k g m 31 4 表示坊向的速度，m s ；6 滚示由平均速度梯度而 产生的湍动能，m 2 s 2 ；镰示由浮力产生的湍动能，m 2 s 2 ；臁示由于在可压缩 湍流中，过度扩散产生的波动；s 。和s f 是用户定义项；c l 占，c 2 占，g 。是试验 常量；吼和o r 。是舫程和方程的湍流p r a n d t l 数；对于空气、水的湍流计算， 1 3 第3 章冷藏间为空库时内部流场分析 可取c l 。= 1 4 4 ，g 。- - - 1 9 2 ，吼= 1 o ，吒= 1 3 ，品= 0 0 9 。需要指出，标准k 一占 两方程模型是针对湍流发展非常充分的湍流流动来建立的，是一种针对高胎数 的湍流计算模型，对近壁区内的流动计算及低眈数的流动计算需采用壁面函数 法或采用低屁数的计算模型。当用于强旋流、弯曲壁面流动或弯曲流线流动时， 会产生一定的失真n 钔。原因是在标准k - e 模型中，对于r e y n o l d s 应力的各个分量， 假定粘度系数“是相同的，即假定“是各向同性的标量。而在弯曲流线的情况 下，湍流是各向异性的，从应该是各向异性的张量。 ( 2 ) 重整化群k - s 模型。这个模型是由y a k h o t 及0 r z a g n 5 1 提出的，在这个 模型中，通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响，而使这些小 尺度运动有系统地从控制方程中去除。与标准k s 模型比较发现，重整化群k - s 模型主要变化是：( 1 ) 通过修正湍动粘度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流 动情况；( 2 ) 在e - 方程中增加了一项，从而反映了主流的时均应变率玩，这样， 该模型中产生项不仅与流动情况有关，而且在同一问题中也还是空间坐标的函 数。从而，它可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较煳流动。需要注意 的是，重整化群k - s 模型仍是针对充分发展的湍流有效，而对近壁区内的流动 及胎数较低的流动，必须使用壁面函数法或低胎数的k s 模型来模拟。 ( 3 ) 可实现后一占模型。由于标准k - e 模型对时均应变率特别大的情形，有 可能导致负的正应力。为了使流动符合湍流的物理定律，需要对正应力进行某 种数学约束。为了保证这种约束的实现，文献n 6 1 认为湍动粘度计算式中的系数 不应是常数，而应与应变率联系起来。从而，提出了可实现k - e 模型。在该模 型中关于k 和g 的输运方程如下： 呈( 肚) + 昙( 砌，) ：三【( + 丝) 篓】- i - g k p 6 ( 3 4 ) o t 啦 o x j o ko x j 1 4 第3 章冷藏间为空库时内部流场分析 昙c 伊，+ 毒c 倒沪考十等，考，+ 以e g 一鹏南 ( 3 其中， 式( 3 5 ) 中，q 按下式计算： 吼= 1 0 ，o e = 1 2 ，c 2 = 1 9 - m a x i 3 ，专) 刁= ( 2 岛岛彤喜 岛= 糖+ 面u j = p 晒肛嚣， 岛= 糖+ 斟 u = 厄百面可 益l ，= q i ，- 2 6 触 q 。= ：孬d 一占娃彩t ( 3 6 ) 这里的或是从角速度为略的参考系中观察到的时均转动速率张量，显然，对无 旋转的流场，上式中u 计算式根号中的第二项为零，这一项是专门用以表示旋 转的影响的，也是本模型的特点之一。与标准两方程模型比较发现，可实现七一占 模型主要变化是：( 1 ) 湍动粘度计算式发生了变化，引入了与旋转和曲率有关 志 = = ， 中 q 其 第3 章冷藏间为空库时内部流场分析 的内容；( 2 ) g 方程发生了很大变化，方程中的产生项( 方程3 5 右端第二项) 不再包含有k 方程中的产生项g 。( 3 ) s 方程中的倒数第二项不具有任何奇异 性，即使k 值很小或为零，分母也不会为零。这与标准七一占模型和重整化群k - s 模型有很大区别。由于可实现k - 8 模型具有以上这些特点，它已被有效地用于 各种不同类型，流动模拟，包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流的自由 流动、管道内流动、边界层流动，以及带有分离的流动等。 通过对以上三种湍流模型特点及适用范围的分析，结合当前研究对象内部 气流运动特点，决定选用标准k - s 两方程模型作为本次数值分析的湍流模型。 3 2 4 冷藏间网格模型的选择 3 2 4 1 建立网格模型 由于本论文所研究的对象为一个长2 8 米，宽1 7 3 米，高1 3 5 米的大型冷 藏间，且采用3 d 模型对整个房间进行模拟。对这样的大空间模型，网格尺寸的 选择很重要。尺寸选的过大，将影响计算结果的精度，选得太小又将耗费大量 的计算资源和计算时间。如何在有限计算资源内，确定一个对计算结果影响不 大的较少网格数的网格模型，是数值计算所关心的问题之一。除此之外，网格 单元类型的选择也是一个重要因素。在3 d 网格单元中包括：六面体结构网格， 四面体和五面体非结构网格。不同类型的网格单元对数值计算的结果也有影响。 基于以上两点考虑，针对所研究的冷藏间构造四套网格模型。网格类型及网格 数见表3 3 。 表3 3 网格单元类型及网格数表 网格类型六面体网格四面体网格 网格数2 9 1 0 8 56 4 0 8 3 81 2 5 1 8 3 28 5 9 1 6 8 3 2 4 2 各网格模型计算结果分析及模型的选定 1 6 第3 章冷藏间为空库时内部流场分析 将备选的网格模型分别导入f l u e n t 中，选定相同的湍流模型( 标准k - 6 两方 程模型) 和近壁面处理方法( 标准壁面函数法) 。然后，对四种备选模型分别 设定相同的初始条件和边界条件并进行模拟计算。通过对计算结果进行后处理， 得到如图3 1 所示的平面内各指定点的速度值和温度值( 见表3 4 ) 。 l 盘一一占 参 量上。i上 ，上。 土工土土 上上。上 上上。ld l i j 3上0土 j 。牟牟 ，j。c ld l 图3 1 高度z = 2 m 的平面内计算点布置图 表3 4 冷藏间内高等于2 m 的平面内各网格模型模拟计算值的对比 定速度( m s ) 温度( ) 点模型1模型2模型3模型4模型1模型2模型3模型4 a lo 4 6o 6 80 7 50 3 31 1 l1 1 21 1 21 1 2 a 20 2 2o 6 60 6 80 3 61 1 21 1 41 1 31 1 0 a 3 0 7 40 1 9o 2 5o 7 61 0 71 0 91 1 01 0 8 a 41 2 10 6 l0 4 21 0 41 0 71 0 81 0 91 0 8 a 51 5 21 0 10 8 11 2 31 0 71 0 81 0 91 0 8 a 61 6 71 3 01 2 51 3 21 0 71 0 81 0 91 0 8 a 71 6 71 4 21 4 41 3 31 0 71 0 81 0 81 0 8 a 81 5 5 1 4 21 4 11 4 1 1 0 7 1 0 71 0 81 0 7 a 91 3 81 3 01 3 l1 4 11 0 61 0 71 0 81 0 7 b lo 9 10 5 80 6 50 8 91 0 91 1 21 1 21 1 0 b 21 3 0o 6 80 6 81 1 61 0 81 1 01 1 21 0 9 第3 章冷藏间为空库时内部流场分析 续表 定速度( m s )温度( ) 点 模型1模型2模型3模型4模型1模型2 模型3 模型4 b 31 6 50 9 10 7 51 4 91 0 71 0 81 0 91 0 8 b 41 9 41 3 21 1 21 6 91 0 71 0 81 0 9 l - 0 8 b 52 1 21 6 51 4 21 8 41 0 71 0 81 0 81 0 8 b 62 1 61 8 01 5 71 9 21 0 71 0 81 0 8 1 0 8 b 71 9 71 7 01 4 81 8 11 0 71 0 81 0 81 0 8 b 81 4 41 2 71 1 11 4 0 1 0 61 0 7 1 0 81 0 7 b 9o 6 60 5 6o 7 40 8 31 0 61 0 71 0 81 0 7 c lo 8 8o 9 91 o lo 8 51 0 81 0 91 1 01 0 9 c 21 1 51 3 4 1 2 9o 9 81 0 81 0 91 1 01 0 9 c 31 2 71 5 31 5 81 0 91 0 71 0 81 0 91 0 8 c 4 1 4 31 5 91 8 l1 2 31 0 71 0 81 0 91 - 0 8 c 51 6 01 6 41 8 91 3 71 0 71 0 81 0 91 0 8 c 61 7 01 6 31 8 3 1 3 71 0 71 0 71 0 8 1 0 8 c 71 6 41 4 61 6 01 4 l1 0 71 0 71 0 81 0 8 c 81 3 41 1 l1 1 81 2 71 0 71 0 71 0 81 0 7 c 9o 9 6o 5 70 6 40 9 41 0 61 0 71 0 81