（制冷及低温工程专业论文）螺旋式速冻装置料口气流组织的研究.pdf

摘要 螺旋式速冻装置料口气流组织的研究 摘要 本课题以螺旋吹风式速冻装置为研究对象，针对目前吹风式速冻装置普遍存 在的进出料口热质交换问题，对料口气流组织展开研究。在实验研究的基础上， 探求用数值模拟方法计算包括进出料口在内的速冻装置内整个流场，以期了解不 同气流组织下的料口处热质交换特性及其对冻结区气流的影响，为吹风式速冻装 置的优化设计提供依据。 本文首次建立包括料1 3 在内的螺旋吹风式速冻装置三维数理模型。在实验分 析和理论分析的基础上，利用p h o e n i c s 程序对装置内流场进行了模拟，相关 方案的结果对比验证了模型的正确性。研究发现在不改变装置内部已有结构的前 提下，冻结区和料口间设置遮流板的改进措施可以有效地减小科口处的热质交 换，降低装置能耗。 关键词：速冻装置，料口，热质交换，数值模拟，节能 一 竺! 型竺! t h e s t u d y o nt h ef l o w o r g a n i z a t i o n o ft h e s p i r a lq u i c k f r e e z i n gi n s t a l l a t i o n a b s t r a c t t h eo b j e c to ft h i sp a p e ri st h es p i r a lq u i c k f r e e z i n gi n s t a l l a t i o n a c c o r d i n gt ot h e p r o b l e m t h a tt h ec o o l i n gl o a do ft h eq u i c kf r e e z i n ge q u i p m e n ti sr a i s e dc o n s i d e r a b l y b y t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ra tt h ee n t r a n c ea n d e x i t ，t h i sp a p e rd e t e c t st h e p o s s i b i l i t y o fc a l c u l a t i n gt h ew h o l ef l o wf i e l dt h a ti n c l u d e st h ee n t r a n c ea n de x i tw i t h i nt h e i n s t a l l a t i o n b y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a s e do nt h er e s e a r c ha n d a n a l y s i s o f e x p e r i m e n t ，t h es t u d yi n t e n tt ol e a r na b o u tt h ec h a r a c t e ro fh e ma n dm a s sn a n s f e ra t t h ee n t r a n c ea n de x i ta n di t si n f l u e n c et ot h ef r e e z i n gr e g i o na td i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，s o a st op r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ei m p r o v e dd e g n a t i o no f t h e q u i c kf r e e z i n gi n s t a l l a t i o n i ti st h ef i r s tt i m et ob u i l da3 - d i m e n t i o n a lm a t h e m a t i c a l - p h y s i c a lm o d e lo f t h e s p i r a lq u i c kf r e e z i n gi n s t a l l a t i o ni n c l u d i n gt h ee n t r a n c ea n de x i t t h es t u d ym a k e st h e s i m u l a t i o no nt h ef l o wf i e l di nt h ei n s t a l l a t i o nb yt h es o t b , v a r ep h o e n i c s ，c o m p a r e s t h er e s u l tw k ht h a to ft h ee x p e r i m e n t ，a n dt h er e s u l ti sr e a s o n a b l e ：o nt h ep r e m i s eo f n o tc h a n g i n gt h e a l r e a d y e x i s t i n g s t r u c t u r ei n s i d et h ei n s t a l l a t i o n ，t h ei n s t a l l i n go f b a f f l ea tt h ep r o p e rp o s i t i o nc a nd e c r e a s et h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ra tt h ee n t r a n c e a n de x i te f f i c i e n t l y , a n di sar e c o m m e n d e dm e t h o df o re n e r g y s a v i n g k e y w o r d s ：q u i c kf r e e z i n gi n s t a l l a t i o n ，t h ee n t r a n c ea n de x i t ，h e a ta n dm a s st r a n s f e r n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e n e r g ys a v i n g 第一章概述 第一章概述 能源利用问题与经济的可持续发展密切相关。目前我国能源利用的效率普遍 较低，整体约为3 0 ，而发达国家的能源利用率多达4 0 以上，日本更高达5 0 以上。节能和赢效成为经济可持续发展的关键问题，因此我国制定了能源建设“开 发和节约并重，近期要把节能放在优先地位”的总方针【“】。制冷行业是能耗较 大的行业之一在各类食品企业尤其是冷冻冷藏企业中，制冷系统能耗占了整个企 业能耗的大部分，其中，速冻设备部分耗电量约占冷冻食品加工厂全厂总耗电量 的3 0 5 0 。 近年来，人民生活水平日益提高，膳食结构和营养结构向高品质转化。商用冷 柜( 冷冻冷藏陈列柜等) 和家用电冰箱的迅速普及，使速冻食品所需的从生产、贮 藏、运输、销售至家庭的整个冷链逐渐建立且目趋完善。特别由于速冻食品工业 的较快增长，冷链系统的开始所要求采用的快速冻结设备成为食品加工机械中的 迫切需求，其主要功能是使食品迅速冻结至适当的低温( 一1 8 。c 或更低) ，确保食 品能长期保存而不变质。 目前，我国制造的速冻设备普遍存在着效率低、能耗大的缺点，因此对速冻 设备进行性能研究、解决速冻设备能耗问题具有重要意义。针对吹风式速冻装置， 影响设备性能的因素很多，例如：蒸发器与冷凝器的换热性能、结霜特性、风机 效率、送风方式与气流组织、料口的热质交换、围护结构的隔热性能等。在上述 各种因素中，料口的热质交换显著地增加了速冻设备的热负荷，造成了能源的直 接浪费。 料口处流场是整个速冻装置气流组织的一部分，与冻结区的流场相互影响。 本文将在本课题组的研究基础上，用p n o e n i c s 软件对单螺旋速冻机流场进行模 拟分析，重点进行异侧同高度进出料口热质交换的模拟和实验研究，并提出改进 方案，减小料口的冷量流失，以达到节能的目的，并改善操作人员的劳动条件。 1 1 速冻食品工业和速冻技术的历史与现状 1 1 1 速冻食品工业的历史与发展 速冻食品工业，最早1 9 2 8 年起源于美国，开始时发展缓慢。二战后，美国 科学家系统研究了食品的冻结及冷藏理论，提出。1 8 。c 为合适的冷藏温度，并得到 速冻食品工业界的公认。5 0 年代美国加利福尼亚阿尔贝尼的美国农业部西部地 区研究所提出著名的t t t 概念，即速冻食品的质量取决于时间和温度两个因素。 后左尔又发展这一理论而提出p e p , 理论，即速冻食品的质量还取决于产品原料， 加工工艺和包装等因素。在5 0 、6 0 年代，速冻食品在美国实现了工业化生产并 进入超级市场。 目前的速冻食品工业，正处在一个世界性持续增长时期。在可预见的将来， 其发展速度没有丝毫减慢的迹象。速冻食品已成为当今世界上发展最快的食品工 业之一。目前世界速冻食品总产量超过5 0 0 0 万吨，品种超过3 5 0 0 种。发达国家 速冻食品的消费量占各国总消费的6 0 7 0 。美国的速冻食品消费量为世界第一， 第一章概述 1 9 9 7 年总产量即达1 6 9 0 万吨，人均年占有量6 0 公斤p 1 。其次是欧盟。各类速冻 食品消费中以调理食品为最多，约占2 5 ，其次为冷冻蔬菜，2 0 左右。世界各 国速冻食品中以预制食品发展为最快，这是社会和经济发展的必然产物。 我国速冻食品工业源于7 0 年代，而真正的发展始于9 0 年代。1 9 9 6 年我国速 冻食品的总产量约为4 5 0 万吨，出口1 5 0 万吨，人均年消费2 3 公斤，成为9 0 年代发展最快的食品加工业。到2 0 0 0 年，速冻食品的年产量接近1 0 0 0 万吨。品 种上发展到1 5 0 多个品种，但仍显单调，主要品种还是局限在面点上【6 l 。据调查， 到2 0 0 2 年，我国有各类速冻食品生产厂家近2 0 0 0 家，年销售额达1 0 0 亿元人民 币。 目前我国的速冻食品工业仍处于起步阶段，与世界上一些发达国家和中等 发达国家相比，人均消费量相差很远，而发展中又面临很多问题。大部分企业生 产规模小，速冻设备效率低下，目前我国的速冻食品工业没有统一的行业标准和 规范可遵循，与此相对的是国外速冻食品工业高效的速冻设备和完备的行业标 准，配套设施与地区冷链，而其最大特点是高自动化控制和相当大的处理能力。 到2 0 0 0 年，我国冷藏保温汽车约有3 万量，美国有2 0 多万辆，日本有1 0 多万 辆。冷藏保温汽车占货运汽车的比例，美国为0 8 1 ，英国为25 28 ，德国 等发达国家均为2 - 3 ，我国仅为0 3 左右，并且在汽车性能和类型方面有一定 差距【7 1 。 西方国家的经验是人均g d p 达到4 0 0 0 美元后，速冻食品市场才相应地呈快 速发展态势。2 0 0 2 年，我国已有一批大城市人均g d p 已达到或接近4 0 0 0 美元， 各大中城市也大量的出现中高收入阶层，速冻食品的销量必定随着中国经济的快 速发展而逐渐提高。当前人们的消费观念日益向卫生、营养、方便、快捷转变， 而速冻食品正是符合了这些要求，对于有着1 2 亿人口的中国而言，这个市场的 潜在容量是巨大的。中国发展速冻食品具有很多有利的因素，首先是资源丰富， 各种粮食、蔬菜、肉类、水产品等都比较丰富：其次，中国是世界上食品种类最 多的国家，可以开发的速冻食品品种很多；再次，中国的冷藏技术和冷藏运输都 有了一定的发展，冷藏完全能适应食品发展的速度。 2 0 0 0 - - 2 0 1 0 年将是我国人民生活水平普遍进入小康型，一部分进入富裕型的 时期。预计到2 0 1 0 年我同的人均年消费速冻食品为2 0 公斤。这样我国2 0 1 0 年 速冻食品工业的总产值约3 6 0 0 4 5 0 0 亿，将成为食品工业中举足轻重的产业，而 与此相关的机械市场需求为9 0 1 0 0 亿，这个数字相当于9 0 年代初全国的食品与 包装机械工业一年的产值总和p j 。 自1 9 7 3 年北京，青岛等地陆续从日本引进螺旋式速冻设备，8 0 年代引进设 备不断增加而国产设备也开始陆续推出，到9 0 年代进入迅猛发展阶段【9 l 。近卜 年来是我国人均收入增长最快的时期。大中城市，特别是沿海地区城市的超级市 场和便利店迅速发展，商用冷柜日益普及，逐步形成了略有规模但远非完善的地 区冷链。而作为冷链运作的第一个环节一速冻商品的制造环节，目前存在相当多 的问题，如管理混乱，生产未形成规模，“速冻”与“冻结”概念的严重混淆。 但对于速冻机械而言，效率低下应为其主要问题。以流态化单体速冻装置为例， 国外的耗电为1 8 2 5 k w t ，而国内则在3 0 k w t 以上，能耗高出2 0 6 0 i ”】，不仅 造成了速冻食品成本的增加，也造成很大的能源浪费。因此，提高速冻机械的效 率成为一个实际而迫切的要求。 1 1 2 速冻技术与机理 速冻技术的具体要求是：在3 0 分钟内通过一1 5 的最大冰晶生成带，4 0 分 钟内将食品9 5 以 ：的水分冻成冰，食品的l f 、心湍度达到1 8 或以下，并在此 温度f 保存。 衡量一个国家和地区速冻食品质量最重要的标准，是此地大型冷库公认的冷 减温度。一18 这一冷藏温度标准，为二战后美国利学家研究得出并在f 丛界范围 内得到认同，被写入国际食品标准委员会关于速冻食品的条例中，也记入了美国、 加拿大及欧盟等国有关速冻食品的法规中，被认为是极为科学的冷藏温度标准。 简单地说，速冻技术即是在较短的时间内使食品的中心温度降至一1 8 。c ，并 以较快的速度通过最大冰晶生成带。最大冰晶生成带的形成是由于食品中的大部 分的自由水仍含有盐及可溶物，其凝固点多介于一1 5 附近，加上自由水为食 品中含量最多的水，所以此温度范围足食品形成冰晶的主要发生区，被称为最大 冰品生成带。最大冰晶生成带的形成对食品有很多不良影响l l l l ，食品所放出的结 冰潜热最多，温度下降最慢。实际上，冰晶生成的大小与降温速率成反比，及冷 却速率越快，冰晶的形成越细微，细胞组织就越不易受到破坏。因为此时，细胞 内外的游离水和结合水几乎同时析出大量细小冰晶( 冰晶粒子 2 0 时，。= 0 ，此 时扩散的影响就被忽略，只考虑对流的作用。此时若流速大于零，则e 点在，) 点 的卜游，界肺节点的变量值完全由上游节点( 对于p 点而言，此时上游节点为p 点) 确定，及之相司。 本文在计算中选用迎风格式，即对流项的计算中，网格点间界面上的变量 取上风一侧的数值，这对于计算对流起主导作用的速冻装置内的空气流动，会得 到更合理的结果。 2 动量方程式( 2 1 0 b 2 ) 中包含了压力梯度项。不存在可以直接求解的压力 方程，压力与速度的关系隐含在连续眭方程中，由正确的压力场求得的速度场必 须满足连续性方程。p h o e n i c s 程序中是应用压力修正法来求解压力场的，这 也是s i m p l e 算法的核心内容。 连续性方程的离散与压力修正值有关，可以认为连续性方程的离散形式即是 压力修正方程。交错网格下，变量7 1 、k 、e 和各物性值的主节点在主网格的主 节点位置上，而速度变量1 1 、v 、w 的主节点在主网格的边界节点位置上( 见图 3 2 ) 。动量方程的离散在细节上不同于主网格上其它变量方程的离散。 利用前述方法对动量方程进行离散，压力梯度项特殊处理后并入式( 2 1 1 ) 的邑项，则甜方程离散后源项中添加a 。( 斥一b ) ；v 方程离散后源项中添加 a 。( b p ) ；w 方程离散后源项中添加a h ( 昂b ) 。动量方程的差分形式同通 用微分方程式( 2 1 1 ) 的差分形式相同，只是其中的系数须经适当插值确定。动 量方程的差分方程中各量的取值列于附表1 。 压力修正方程的导出；用压力修正法求解动量方程前需先假定压力场。对于 假定的压力场( 或上次迭代值) p ，与其相对应的速度为u 、v 、w ，改进值 与p 之差记为p 速度变量记法相同。推导的前提假设为本层次迭代上系数和源 项中常数项b 不变( 此处6 不包括压力项) 。动量方程中p 己归于源项，为推导 方便将b 提出，则对于”方程的p 节点，有：b = b 一( b b ) a e ，z ，与z ，= ”+ “ 都满足本层次动量方程，则有： a e ”：= 口m ”二+ 6 + ( 耳一巧) 彳。 ( 3 2 a ) “。z ，：= d 。 二+ 甜二) + 6 + ( 巧+ 巧一巧一巧) 4 。 ( 3 2 b ) 为区别起见，邻点系数用d 。表示。式( 3 2 b ) 减去式( 3 2 a ) ，引入假设 e a 。“。= 0 ，即忽略邻点速度修正值影响( 这一假设不会影响收敛结果，但会 使收敛速度减慢) ，令吃：生，推广到其它方向变量，得速度修正公式： 口。 第三章模型的求解 “。= ：+ d ( 巧一鹾) p 。= v ：+ d 。( 巧一) ( 3 3 a ) ( 3 3 b ) 这样，求解动量方程转化为求解压力修正值p ，从而求得改进的速度场。 对连续性方程在主控制容积内积分，将式( 3 3 ) 代入其积分形式，整理可得 压力修正值j ) 的离散方程： 其中 d p p ：= d f p ；十d 残+ dq p ：+ ds p ；+ q 【i p ；+ dl p 2 + b b a = d 。a 。，d = d 川ad 二d 。a 。，d s = d ；a ：，a h = d ，a t t l = d ，a b = ( ”：一“：) a 。+ ( v ：一v ：) 4 。+ ( w j w ：) 爿。 、 需要指出的是，压力修正方程与主方程有相同的离散形式，但变量系数的因 次不同，主方程变量系数口，的因次为n s m ，压力修正方程的郇因次为1 t 1 4 n s 。 至此，我们获得了全部方程的离散形式。 3 2 3 边界条件及壁而函数 前面已经获得了内节点的离散方程。p h o e n i c s 程序巾对边界条件的处理采 用附加源项法，边界节点不进入计算，邻边界节点方程添加附加源项。 附加源项法的基本思想是：离散方程中边界节点影响归于邻边界节点方程的 源项b ，称为附加源项，此项作以特殊处理。 附加源项的统一形式为： s 。= ( 办一办) + d ，( 办一九) ( 3 5 ) 其中，乓表示质量流量系数，d ，表示扩散系数，下标w 表边界节点。不同 边界的，和d 。表达式在表3 5 给出。 1 ) 入【j 及出口的边界条件 入口边界的西变量值必须给定。对于动量和能量方程，速度和温度值根据测 定值给出：对于足方程，当入口k 值无实测值可依据时，可取为来流动能的一 个百分数，一般为o 0 0 5 0 叭5 ，本文取为o0 1 5 ：对于s 方程，令s ：鲨， 第三章模型的求解 表3 - - 5 附加源项质量流量系数吒和扩散系数d 。的表达式 节点所相邻边界符号 d 右，上，项 k 如| 丽i 口，n ，h 【卜- p u 矿彳，0 1 】 左，下，底 k 如l 而 w 。s ，l i p u ，a w ，0 1 1 其中型：1 0 0 1 0 0 0 。，为特性尺度，可取为通道的当量直径。当计算区域内 仇 湍流运动很强烈时，入口界面k 。s 取值对计算结果影响不大。 出口边界作充分发展假设，譬i ，= 0 ，即出口界面的法向上被求变量已充分 册。 发展，如= 妨a 2 ) 固体壁面的边界条件 k s 湍流模型适用于高湍流r e y n o l d s 数区域，对于流体粘性作用较强的近 壁区域则不适应，因此近壁区域采用壁面函数法。 壁面函数法的主要内容是确定麒和五，即边界当量粘性系数和边界当量传热 系数，目的是获取边界节点对第一个内节点的影响系数。近壁面区域，在平行剪 切流假设下，忽略压力项，引入湍流参数，定义近壁区域的无量纲距离j ，+ 和无 量纲速度+ ： i! 。c 。i 足2 y + = j ，l l ， 】三 + ：”里丝 t w | p ( 3 6 ) ( 3 7 ) 其中，：仇( u p - - u l e ) ) ，壁面切应力，或表示单位面积动量通量，n m z p 根据壁面对数率，有： 梯+ = 1 n ( 印+ ) ( 3 8 ) 这里，k = 0 4 0 4 3 5 ，冯卡门混合长度常数，e = 9 ，积分常数。 引入无量纲温度，+ ， 第三章模型的求解 r + ：( 1 - 巧m ! 拳 g p c 。 ( 3 。9 ) 其中，q w ：五，堡! 五，壁面热流密度，或表示单位面积热量通量，w m 2 j ，p r + 的分布符合： t + = d ，l n ( 母) + 盯r ， 牟 这里，p ：9 ( 垒一1 ) ( 生) ，盯。为p r ，普朗特数 o to t ( 3 1 0 ) 据式( 3 7 ) 和的定义町得，z ，的表达式，同理有丑： 肼：尝 ( 3 1 l a ) h r 见：五p r 生( 3 1 l b ) 7”十 附加源项中，a ，和丑即作为”方程和t 方程的扩散系数。 对于第一个内节点j dl ：k 方程的处理，假设( 娑) ，：0 ；剥方程，直接给 j j rj fi 定p 点的5 值，假设脉动动能的产生与耗散相平衡，有：s ，= 二望。 秒一 3 2 4p i t o e n i c s 软件简介 本课题的数值计算采用p h o e n i c s 软件，版本p h o e n i c s 34 。p h o e n i c s 软件是目前围际上流行的大型商月州“算流体力学及计算传热学软件。p h o e n i c s 由p a r a b o l i c ，h y p e r b o l i co re l l i p t i cn u m e r i c a lc o d es e r i e s 的首写字母组成的是 触界上第。+ 个投放市场的c f d ( c o m p u t a t j o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 商用软件( 1 9 8 1 年 由英国c h a m 公司首先推 十 ) 。它是由c h a m 公司在dbs p a l d i n g 教授的带领 下，由许多人经过多年的精心研制和开发而推出的软件。p h o e n i c s 软件功能 强大，可用于求解零维，一维，二维及三维空间内的可压缩或不可压缩、单相或 多相流体的稳态或非稳态流动，确定流动空间内的质量、动量、热量、浓度传递 与分布，所以该软件可用于解决包含流动、传热、化学反应等复杂过程的问题， 如工程设备中设计热交换器、模拟热传导、机械压力流；核反应中的两相流动， 环境保护中模拟显示污染物的扩散、多相流动、大气湍流等：生物工程中模拟研 究生命器官的机理等。 软件箝有正交坐标系( 包括直角坐标系、柱坐标系和极坐标系) 和适体坐标 第三二章模型的求解 系b f c ( b o d y f i t t e dc 0 0 r d i n 砒e ) 两套举标系。由于b f c 系所需内存比正交系 人钨彩，木文选用商角班标系以节省内存提高计算速度。商角系巾网格的划分l 住图3 2r ，给m 。软件采j l j 交钳嘲格结构，以解决连续性匀程1 j 动琊7 j 科t j ：乃 梯艘离散的失耦0u 题。速度分毓的求解及存贮是和j 川) ：习格的界【f ： | r ，m j 垮岂备坐 j n 勺求解平存贮均柏! ：网格饥li ：流体的物性俏也存存h 叫格m 1 卜| 錾| 3 3 给m 符速度分射：l ：节点弄| i 拱! 制弈秘的小崽，速度的卜1 ，一i 变请，v 、， 花后| 弼f 1 0 叙述、 1 分别记做“，l ， p h o e n i c s 软f t 所求解的问题的删j j 微分疗程具有以f 统。的形式： z 。l r ( ，j p ，谚) + d 1 ( ，：p ，f ，；一，1 - g r a d o 6 | ) 2 - _ n ( 3 j2 ) j e m t ，r ，时m j ，s ； r ，第i 棚物质的体积比份： p ，第，棚物质的鬻度，k g h r t 3 ； 函，讯i 槲物j 彘i “j 。、”数，t l i 、- 、川浓艘剥1 迅绩2 山f 1 ，一茹i 川物塥甜1 棼暂m 冀凝 b ，珈f f ：j , i i x o i “ 一i ，一，j s 恻3 3 a 虬的主节点和控制容秘 n ，的 ss 阁3 - - 3 b图3 3 c m ：l 和控制容积w 。的主节点和控制容袱 圈3 3 随角坐标卜再迎j ! 王 ：分髓主节点和控制容积示意图 将 ? 述微分，程离散处理。j ，秉川逖代的“假没一修i f ：”方= i = 求解，软件巾 第三章模型的求解 备有整场( w h o l e - - f i e l d ) 推进迭代法、逐层推进( s l a b - - b y - - s l a b ) 的g s 迭代 求解法和逐点推进( p o i n t b y p o i n t ) 的迭代求解法供用户选择使用。本文由 于z 向的作用较弱，故选用逐层推进的迭代求解法，即沿个方向亿向、逐层推 进，先对该层r 扣的两个方向( 即x 向和y 向) 进行迭代修正，然后再转向下一 层。这样可以降低每一轮迭代中的运算次数，节省计算时间。 p h o e n i c s 程序中源项的设置有两种方式：使用源程序中的固有源项( 缺省 源项) 或通过t e r m s 命令使固有源项失效，另外也可以通过p a t c h 及c o v a l 命令引入其它源项，如浮升力项、方程及方程源项的自处理等。p h o e n i c s 中 对单相流问题的求解采用s i m p l e 算法，其特点为： 1 ) 用迎风格式，可将扩散项与对流项的影响系数分离开来，前述离散方程 对流项系数的表达式可以清楚的表明这一特征。 2 ) 把邻点的影响系数表示为对流分量及扩散分量之和。当扩散项忽略不计 时，动量方程实际上采用j a c o b i 点迭代求解。因此在这种算法中，扩散项采用线 迭代而对流项采用点迭代。点迭代的收敛速度较慢，但对于对流项与压力项之间 的耦合关系，这种迭代方式有利于防止迭代发散，故可促进强烈非线性问题迭代 过程的收敛。 s i m p l e 算法的计算步骤为： 1 ) 根据初始速度分布，计算动量离散方程中的系数及常数项； 2 ) 根据假定的压力场p ，依次求解各方向动量方程得到“+ 、v + 、w ； 3 ) 求解压力修正方程，得p7 ； 4 ) 根据求解速度改进值； 5 ) 利用改进后的速度场求解那些通过源项，物性等与速度场耦合的变量； 6 ) 利用改进后的速度场重新计算动量方程的系数，并用改进后的压力场作 为下轮迭代计算的初始值； 7 ) 重复以上步骤，直到获得收敛的解。 p h o e n i c s 软件主要由四部分组成：e a r t h 、s a t e l l i t e 、p h o t o n 和 g u i d e ，完成所模拟问题的确定，计算和输出三部分功能。e a r t h 是软件的中 心主程序，用于求解各变量的离散方程组。s a t e l l i t e 是数据操作程序，是用 户可以直接介入的部分，它在e a r t h 工作之前依据用户对q 1 文件的编写，或 在v r e d i t o r 中的设置而修改或重新设置缺省值，信息由e a r d a t 文件传给 e a r t h 进而工作。不能对e a r t h 进行编辑，若用户需要对e a r t h 的运行加入 数据，则必须通过修改g r o u n d 部分来实现传递。g r o u n d 部分中的 g r e x 2 ( g r o u n de x a m p l e 2 ) 中包含了许多较为常用的f o r t r a n 子程序拱 e a r t h 调用。p h o t o n 是p h o e n i c s 的输出部分，与v r - v i e w e r 和a u t o p l o t 一起，提供绘图功能，绘制由e a r t h 运算而得到的矢量场和标量场，其间的信 息传递由p h i 文件执行，p h i 文件是计算结果的输出文件，可在文本下打开。 g u i d e 是一个独立运行的自指令程序块，提供大量有关p h o e n i c s 软件的信息， 用户可以通过阅读g u i d e 较快地r 解和熟悉p h o e n i c s 的内容及使用方法。 p h o e n i c s 的程序结构在图3 4 给出。 p h o e n i c s 拥有自己的输入语音p i l ( p h o e n i c si n p u tl a n g u a g e ) ，适用于c f d 的关键词和命令。_ l j 户可以直接接触到的是s a t e l l i t e 块，人机交互过程即通 p i l 过来实现。p i l 也被用丁e a r t h 记录接受到的指令。是一种可供用户与 s a t e l l i t e 对话以及在q 1 文件中插入指令的医言，使用p i l 可以使得c f d 阀 第三章模型的求解 题的描述简单直接易懂。 q l 文件是用户进行计算所需调用，编写或修改的文件，由二十四组数据 三匝习匡 图3 4p h o e n i c s 的程序结构 块组成。用户在q 1 文件中将要求计算的c f d 问题用p i l 描述清楚，由 s a t e l l i t e 子程序处理以备e a r t h 调用运行。用户使用p h o 吲m c s 计算的 般过程即是在q 1 文件中描述所要求解的问题特征、求解方法、使用模型及收敛 指标等，或在v r v i e w e r 中直接确定物理模型和数学模型及计算的各参数而形成 q 1 文件，由这些p i l 语音通过s a t e l l i t e 传递给e a r t h 调用其中的相应子程 序进行运算，褥到结果。 3 - 3 本课题数值计算模型的求解 3 3 1 网格的划分 吹风式单螺旋速冻装置有比较复杂的内部结构，试算中发现导流板的设置方 位和形式的不同对流场有较大影响。考虑到冻结区转鼓1 1 8 c m 高度上排列6 层 螺旋结构( 实验台上设为6 层平行环状结构) ，高度空问上的传送网带排列较为 稀疏且透风性很强，故本文不考虑螺旋网带对流场的影响。划分网格时首先考虑 固体障碍物及风机和导流板以及遮流板的结构，尺寸和位置，并且将靠近它们及 壁面处的网格细化，其它区域尽量使用均匀网格。转鼓、风机出口导流板和冻结 区风道密封板为圆形或弧型结构，在使用直角坐标系网格对此种物体边界( 包括 其它非规则物体边界) 时须将近壁区域网格细化，以防止出现模拟边界的失真和 薄板结构的断续。 经试算，对计算模型采用5 5 x5 5 1 6 ( x 。x y 。z 。) 单元划分，网格为直 角坐标下i 维非均匀网格。网格的划分见图3 - - 5 a ，图3 - - 5 b 及图3 5 c 。 第三章模型的求解 3 3 2 热流密度和装置内的热源 1 ) 装置的顶，底部与四个侧壁除进出料口外均为厚1 5 0 m m 的隔热防护结构， 视为绝热边界而令q w = 0 ；由于计算区域并非整个速冻装置内部，左边界为风机 出口切面( 见图2 1 ) ，则此边界除风机以外视为绝热；风机的进出口和进出料 口为开口边界，有质量的流入或流出，热流密度由计算确定。 2 ) 对于实际运行的速冻装置，有： 装置内热量= 风机散热量+ 维护结构传热量+ 冻品散热量+ 进出料口传热 量 其中以后两项为主要。在实验条件下，从研究气流组织和料口热质交换的角 度出发未放置冻品，考虑到装置内外温差有5 0 c 6 0 ，则装置内的热量产生更 主要由进出料口的传热量所决定。模拟过程中不考虑内热源对装置内流场和温度 场的影响。 3 3 3 程序的收敛 1 ) 收敛指标 p h o e n i c s 程序的收敛停机标准是每一轮迭代后检验收敛公式( 3 1 3 ) 是否满 足 l e ，l r e s r e f 、 ( 3 1 3 ) 这里，郎= a s , 以一a ，谚+ 办+ 6 ，表残差，稳态问题不含唧办项。 r e s i u 强是按精度要求给定的参考值。p h o e d n i c s 中e a r t h 根据变量 的各节点净通量之和计算参考通量r e f e r e n c ef l u x e s ，r e s r e f = r e f e r e n c ef l u x e s r e s f a c 。用户可以指定r e s f a c 值，也可以使用缺省值0 0 0 1 ，本文计算中的 大部分算例中使用r e s f a c = 0 0 0 1 。 2 ) 促进收敛的措施 在p h o e n i c s 软件中，促进收敛的方法有多种，其中最常用的两种是合理 选择松弛因子和假时间步长。对于松弛因子，有： 屯。= 以h + 口劬一九h ) ( 3 1 4 ) 这里，丸。，当前存储值，或称当前计算值，为上次迭代结果 西，当前的迭代结果； 口，松弛因子。 很明显，若t 7 = 0 ，则丸。= “，相当于没有迭代；若t 2 = 1 ，则丸。= 。， 相当于没有进行松弛处理。一股的，口 1 称为超松弛。对 于强烈非线性问题，为使迭代收敛而采用亚松弛，非线性越强，口越小。本文中 根据算例不同，口取值0 2 08 。 第三章模型的求解 珂于假町| 日j 步长，有： 丸。= 。+ 譬( 一丸。) ( 3 1 5 ) 其中，d t ，假时间步长，记做d t f a l s ，由用户设定， 这种松弛参数称为假时间步长是因为等( 。一以。) 项与离散方程中的非稳 态项有相同的形式a 可以看出，若魂r 为大值，则丸。* ，相当于没有松弛； 若加，为小值，则丸。* 以。，相当于没有迭代。与松弛因子相似，假时间步长对 于非线性问题取小值。本文中由于问题的强烈非线性，采用出，促进收敛的变量 一般d t 儿s 取o 0 2 0 8 。 另外，为加快收敛，本文中将初始温度设为风机出口温度。 3 1 收敛的判据 p h o e n i c s 程序提供的收敛判据主要有三个： 1 选定指示点的值是否停止变化： 2 残差是否到达停机点，或是否已减小了若干数量级： 3r e s u l t 文件输出的源项和是否平衡( 尤其是动量和能量方程) 。 本文中主要依据前两个判据判断停机程序是否已收敛。 图3 - - s ax y 方向网格示意图 第j 章模型的求解 图3 - - 5 bx z 方向网格示意图 图3 - - 5 cy z 方向网格示意图 第四章螺旋式速冻装置实验台介绍 第四章螺旋式速冻装置实验台介绍 4 - 1 实验装置简介 实验研究是传热学及流体力学问题最基本的研究方法。任何一种传热、流体 力学现象的基本数据都需通过实验加以测定，数值计算中所采用的数值模型只有 通过对现象的必要观察与测定才能正确地建立，而数值计算结果的准确性也往往 要通过与实测结果的比较才能确认。本课题实验装置采用课题组与天马制冷设备 工程公司1 9 9 8 年共建的吹方式单螺旋速冻装置实验台，在其外维护结构和冻结 区风道密封板上开设料口进行料口热质交换的研究。 4 1 1 实验装置制冷系统 速冻装置采用单级风冷式制冷系统，系统见图见图4 1 。 图4 1 实验装置制冷系统图 系统选用的制冷设备及配件如下： 1 制冷压缩机：型号为s 1 5 1 a - - c ，功率1 0 5k w ，适用于工质r 5 0 2 ，r 2 2 ， r 1 2 ，该压缩机为沈阳第一冷冻机厂与日本三菱重工的合作产品； 2 风冷式冷凝器； 3 热力膨胀阀：为e g e l h o f 产品，型号为t e r a 6r 5 0 2m o p 2 9 b a r3 4 + 7 8 ； 4 配液器：白行设计，有配液器主体，一根中1 6 1 5 主管和1 4 根0 6 10 支管组成，其作用是向蒸发器均匀供液； 第四章 螺旋式速冻装置实验台介绍 5 干燥过滤器：制冷机组配带： 6 蒸发器：自行设计，为变片距形式，其中迎风侧四排管的片间距为1 6 m m ， 其余两排管的片间距为8 m m ，蒸发器盘管为中2 5 25 钢管，总换热面 积7 2 m 2 ： 7 轴流风机( 4 台) ：承德商机集团产l m l 4 4 轴流风机，风量为4 9 0m 3 h ， 风压4 9 0 p a ，功率1 5k w ； 8 制冷工质：r 5 0 2 ，充注量约为1 3 奴。 注：由于本实验台建成较早，改动系统造成较大不便，且出于装置的低温要求，未 采用非f r e o n 制冷剂。 4 1 2 实验装置外形图 实验装置的内部结构见图2 1 和图2 2 ，外形实景图片给出如下( 料口未 开设) ： 图4 2 实验装置外形图片 4 1 3 实验装置运行特性 1 ) 实验装置的制冷与保温性能经实验测定，速冻装置在压缩机开启， 轴流风机f 1 ，f 3 开启( 侧送侧回送风方式) 且风机变频器频率4 0 h z 工况下， 经2 5 0 m i n 制冷系统将库温由2 9 89 c 降至一4 3l ，停机后经6 6 0 m i n 库温由4 31 升至1 3 。6 。该实验装置有较好的制冷性能和保温性能。 2 ) 风机出口风速与电源频率的关系风机的转速由风机变频器控制，亦 即送风速度可由变频器调节。变频器的稳定运行频率为1 5 5 0 i - i z ，此范围内给出 44 1 1 2 的平均出口风速。风机布置见图4 3 。 3 ) 冻结温度与风速的选择由于实验装置的温度和风速在一定范围内可 任意调节，故可在温度与1 x l 速的任意组合工况r 对气流组织或冻结过程进行实 第四章螺旋式速冻装置实验台介绍 验，从而满足了对料i ；3 的热质交换在多种工况下研究的需要。 f 3 f 1 一 图4 3 轴流式风机安装示意图( 由冻结区看过去) 4 2 实验装置科口的开设 本实验的料v 1 开设为对称分布的异侧同高度料口，水平高度在冻结区螺旋结 构底部。各组实验均为侧送侧回送风方式，以风机f l 、f 3 侧为送风侧，另一侧 为回风侧。送风侧料口记作料口i ，回风侧料口记作料口i i 。两个料口截面 积相同，为宽高= 3 5 x 2 0c m 2 ，为研究料口处气流组织，宽度上比模拟传送网 带略大。 图4 4 给出速冻装置回风侧料口i i 的布景示意图，料口i 在装置另一侧与 料口i i 对称布置，图4 4 中与料口i 位置重合。图中长度标注单位为c m 。 1 5 0 ， j l 田1 一! 刨一 i 门 8 d 料1 ：3 l if 感 3 53 5 og o o 图4 4 料口布置示意图 需要指出的是，料 _ 未开设时速冻装罱的运行工况下外围护结构和冻结区风 第四章螺旋式速冻装置实验台介绍 道都是密封的，料口i 和料口i i 的开设在外围护结构上如图4 4 所示，此外冻 结区密封通道的相应位置亦作开口处理，内部结构见图2 2 。 43 主要测试仪表 仪器名称型号精度生产商 m u l t i c h a n n e ls y s t e m6 2 4 3o 1 - - 4 9 9 m s 0 1 5m sk a n o m a x a n e m o m a s t e r( m o d e l1 5 6 0 )5 m 母9 9 m s o 3m sj a p a ni n c 多线风速仪 1 00 - 2 49 m s 07 5m s 2 5 o 5 0 0 m s 15m s h y b r i d r e c o r d e rd r 2 3 2 - ( o 0 5 o f r d g + o 59 c )y o k o g a w a e l e c t r i c 混合式记录仪 c o r p o r a t i o n , j a p a n 注：本文实验使用混合式记录仪的温度测定记录功能。 的五章实验与模捌结果及分析 第五章实验与模拟结果及分析 5 - 1 实验与实验结果的整理与分析 本实验以螺旋式速冻机为研究对象，开设两个料口为异侧同高度，水平位置 在螺旋结构底部。实验装置和仪器仪表已在第四章进行了介绍。这里给出实验方 案说明，实验结果和结果分析。 5 1 1 实验方案 实验方案的设计主要考虑三个因素对料口处气流组织的影响： 1 制冷系统运行情况的变化，见方案a l 和方案a 2 的比较； 2 相同送风方式下的不同送风风速，见方案a l 和方案a 2 的比较， 3 料口与冻结区间遮流板位置，出风料口i i 的遮流方式，见方案b 1 b 5 和 方案c 1 、c 2 。 本实验共做l o 组，其中b l b 5 ，c l 、c 2 为改进方案。遮流板位置示意见图 5 1 ，c 1 为料口i i ( 出风料口) 与冻结区外流场完全遮流，c 2 为料口i i 左侧遮 流。各方案列表如下： 表5 1 实验方案表 【方案序号风机电源频率( h 刁制冷系统运行送风风速( m s )改进措施 la l4 0是56 无 f a 24 0否5 6无 a 32 0是32 无 b 14 0是5 6遮流板位置4 b 24 0是5 6遮流板位置6 b 34 0是56遮流板位置8 b 44 0 是56遮流板位置1 0 b 54 0是56速流板位置1 2 c l4 0是5 6料口i i 完全遮流 c 24 0是5 6料口i i 左侧遮流 所有送风方式为逆时针送风的侧送侧回方式。遮流板位置在冻结区密封板 外，由于料口的存在，