（工程热物理专业论文）果蔬差压通风预冷理论与实验研究.pdf

山东建筑大学硕士论文 摘要 对球形果蔬差压通风预冷的流动与换热问题进行研究。引用多孔介质理论对西瓜单 体和箱装黄金梨的差压通风预冷过程建立了数学模型。应用有限容积法进对数学方程进 行离散，通过c f d 技术模拟了不同送风速度工况下西瓜单体的预冷过程及不同冷风温度、 送风速度、包装箱开孔方式及摆放方式工况下黄金梨的预冷过程，并对影响预冷效果的 因素进行了比较。 建立了差压通风预冷实验台，对影响预冷时间和冷却均匀性的因素进行了实验研究， 并将测试结果与理论模拟结果进行了对比，结果吻合较好，从而验证了理论模型的可靠 性。 预冷箱内温度场的变化主要取决于速度场。通过改变影响流场变化参数，如冷风进 入预冷箱的速度大小、冷风在包装箱进口的状态、冷风在箱内的流动状态研究了果蔬差 压通风预冷的冷却速率和冷却均匀性。结果表明，进口风速的影响比较明显，综合考虑 降温效果和风机能耗，建议风速在1 5 2 m s 为宜；开孔形式的影响比较小，孔形变化的 影响在5 内；开孔率在1 2 1 6 范围内较好；箱内果蔬交叉方式摆放冷却速率较快，平 行摆放方式冷却均匀性较好。 关键词：差压预冷，多孔介质，c f d ，数值模拟，实验研究 山东建筑大学硕士论文 t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d y o np r e s s u r ep r e c o o l i n go f f r u i t s a n dv e g e t a b l e s d o n gd e f a ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yw a n gq i a n g a b s t r a c t t h ea i rf l o wa n dh e a tt r a n s f e rw e r er e s e a r c h e dd u r i n gp r e s s u r ep r e c o o l i n go fs p h e r i c i t y f i x d t s b a s e do nt h et h e o r yo fp o r o u sm e d i a , t w om a t h e m a t i c a lm o d e l so ft w o - d i m e n s i o na b o u t s i n g l ew a t e r m e l o na n dt h r e e d i m e n s i o na b o u tg o l d e n - p e a ri nb o x e sw e r ec o n d u c t e d a f i n i t e - v o l u m em e t h o dw a su s e dt os o l v et h em a t h e m a t i c a lm o d e l s 1 1 ”m o d e lo fs i n g l e w a t e r m e l o n 、) i 阻ss i m u l a t e dw i t hc h a n g i n gc o o l i n ga i rv e l o c i t yb yc f dt e c h n o l o g y t h e p r e c o o l i n gp r o c e s s e so fg o l d e n - p e a ri nt h eb o xw e r es i m u l a t e dt o o t h ep r e c o o l i n ge f f e c t s w e r ea n a l y z e db yc h a n g i n gt h ec 0 0 1 吨a i rt e m p e r a t u r e ，c o o l i n ga i rv e l o c i t y , t h eh o l es t y l eo f t h ep r e c o o l i n gb o x , t h ea r r a yq u o m o d oo ff r u i t si nt h eb o x a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f s i m u l a t i o n , t h ef a c t o r s 栅嘁t h ee f f e c t so fp r e c o o l i n gw e r ec o m p a r e da n dc h o s e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h ep r e s s u r ep r e c o o l i n ge x p e r i m e n t a l d e v i c ew a se s t a b l i s h e dt ot e s tt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ep r e c o o l i n gs p e e da n du n i f o r m i t yf i u i t s a sar e s u l t , t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ee x p e r i m e n ta n dt h es i m u l a t i o nr e s u l tw a sw i t h i nt h e r a n g eo f e r r o r , a n dt h ed e p e n d a b i l i t yo f t h et h e o r e t i c a lm o d e lw a sv e r i f i e de x c e l l e n t l y d u r i n gp r c c o o l i n gp r o c e s so ff r u i t s ，t h et e m p e r a t u r ef i e l dw 私a f f e c t e db yt h ea i rf l o w i n g f i e l d t h ee f f e c t so fp r e c o o l i n gw e r ei n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t a lm e a s u r e 、丽t l lc h a n g i n gt h e c o o l i n ga i rv e l o c i t yf i e l d , s u c ha st h ev e l o c i t yo fc o o l i n ga i rw h i c hf l o wi n t ot h eb o xa n dt h e f l o w i n gs t a t eb e t v r e f f l lt h ef r u i t s t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ec o o l i n ga i rv e l o c i t ya f f e c tt h ep r e c o o l i n ge f f e c t sg r e a t l y t h ew i n d s p e e do f1 5 例si ss u g g e s t e db o t ht h “u n ga b o u tp l 洲l 啦v e l o c i t ya n dt h ep o w e r c o n s u m e t h ei n f l u e n c eo fh o l es t y l ei sn o te v i d e n ta n dt h e e f f e c t so fp r e c o o l i n gb e t w e e n d i f f e r e n th o l e sa r en om o r et h a n5 t h ep e r c e n to f h o l e sa b o u t1 2 1 6 w o r k sp e r f e c t l y t h e p r e c o o l i n gv e l o c i t yw i t hs t a g g e ra r r a yi nt h eb o xo ff 证t si ss l o w e rt h a nt h a to fp a r a l l e la r r a y a n dt h ep r e c o o l i n gu n i f o r m i t yi sb e t 伦r 山东建筑大学硕士论文 k e yw o r d s ：p r e s s u r ep r e c o o l i n s 口p o r o u s m e d i a , c f d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , e x p e r i m e n tr e s e a r c h 山东建筑大学硕士论文 p m 符号表 密度 压力 动力粘性系数 运动粘性系数 动力黏度 导热系数 对流换热系数 广义变量 广义源项 田间热 温度 定压比热 多孔介质渗透性 孔隙率 果蔬半径 弧度 时间 j 方向速度 ，方向速度 z 方向速度 差压风机转速 差压风机风量 雷诺数 普朗特数 预冷均匀度 下角标 p r o d u m o i s ta i r 5 1 p a s w ( m k ) w ( m 2 k ) 眦 k j ( k g k ) m m 伽n m s m s m s r r a i n m 蜘h 矶 p p y 玎 元 ， 曲 & r g g f 只 秒 f h y w 疗 q 忍 厅 仃 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是苯人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。誉人承担本声明的法律责任 学位论文作者签名：耋塑垒 日期 瑚1 5 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文 保密论文在解密后遵守此声明 学位论文作者签名： 导师签 名： 驻呐 侧6 山东建筑大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 引言 我国是农业大国，是世界上果蔬种类最多、种植面积最大的国家。随着生活水平的 提高，人们的饮食正由温饱型向营养型过渡，保鲜果蔬的需求量、消费量大幅增长，同 时也对果蔬品质提出了更高的要求。随着国家农业新政策的推出和新一轮农业结构调 整，果蔬的生产加工和储藏行业迎来了前所未有的发展机会。 果蔬作为生鲜食品，本身含有大量人体不可缺少的营养物质。许多国家和地区已将 新鲜果蔬的日摄入量作为衡量该地区人民健康水平的重要指标。由于新鲜果蔬含有大量 的水分，夏秋季节采摘的果蔬自身携带有大量的田间热，果蔬的温度较高，呼吸作用旺 盛；在产品成分不断变化的同时，释放的呼吸热又使得果蔬品温持续升高，较高的温度 又促进呼吸作用，甚至失水腐烂而失去食用价值【l 】。在无保鲜处理的情况下，新鲜果蔬 收获后的损耗率达2 0 以上，而无保鲜处理直接进入城市，又会给城市增添大批的生 物垃圾，给国家造成大量的经济损失和能源、人力的浪费。有数据表明，冷链中不经预 冷的果蔬的流通损失率高达2 5 - 3 0 ，而预冷后的果蔬损失率仅为5 1 0 左右，还可以 大大提高果蔬的储藏时间f 2 】。 低温可以抑制产品劣变、降低呼吸作用，延缓后熟衰老，减缓病原茵滋生，因此降 低温度及适当的温度管理在园艺产品保鲜处理上是一项很重要的工作。一般情况下，环 境温度越低，呼吸强度也越低；果蔬在1 0 存放时的呼吸强度是0 存放时的3 倍，而 且环境温度下存放2 4 小时的含糖量损失为l 3 1 2 左右。预冷可在短时间内将产品降温， 通常须在数分钟到数小时内达到所需的低温。由于需掌握预冷过程的时效性，因此预冷 处理实际上包含许多在不伤害产品情况下快速降温的技术，而不是只有单纯的降温手 段。 要保持果蔬从采收到销售环节的品质，就必须在产地及时进行预冷处理，很多专家 明确指出：果蔬冷藏必先预冷。加强新鲜果蔬保鲜工作，逐步做到果蔬采后预冷、加工、 包装和储藏，这直接要求一种快速有效的预冷方式。十一五一期间，国家将“果蔬产 地预冷、冷链技术集成与产业化示范 列入了国家科技支撑计划重点项目。 山东省是一个果蔬生产大省，每年生产并对外输出大量的水果蔬菜，是中国北方重 要的“菜篮子”基地。由于新鲜果蔬得不到及时有效的处理，造成了大量的损失。据不 完全统计，我省大约有9 0 以上的果蔬未经过任何低温处理就直接进入流通领域，这 山东建筑大学硕士论文 给外运果蔬造成的经济损失不可估量。 目前，如何提高果蔬的储藏品质、减少腐烂，已经成为关系我省广大果农、菜农经 济利益的重大问题。所以，在省内实施果蔬产地预冷已是势在必行。 省内冷库库容量大，然而冷库资源并没有得到充分的利用，冷库空置率呈上升趋势。 如果在现有的冷库基础上稍加改造，即可建造成为集食品冷藏与果蔬差压通风预冷的两 用冷库。随着冷藏运输业的不断发展和国家政策的大力推行，开展果蔬预冷对促进我省 农产品经济的发展有重要的现实意义。 1 2 预冷简介 预冷可以降低呼吸作用，延缓后熟衰老，有利于保持其营养成分和新鲜度，延长搁 架期；提高果蔬的抗冻害能力，减少果蔬储藏的冷害发生率，保证果蔬品质嘲；预冷可 以减少冷藏链中冷库储藏的负荷，扩大流通范围【4 】。因此，预冷已经成为现代果蔬流通 体系中的重要内容，也是食品冷藏链的首要环节。 现有的预冷方式主要有真空预冷、冷水预冷和通风预冷圆。通风预冷操作简单、投 资和运行费用比较少，适用于多种果蔬，是现行的较为快速、有效的预冷方法。根据流 程的不同，通风预冷又分为强制通风预冷、差压通风预冷两种方式。其结构分类如图 1 1 所示。 图1 1 预冷方式分类图 预冷方式的选择要考虑果蔬的收获季节、低温适应能力、体表比、处理量和运行成 本等因素。 1 真空预冷 真空预冷设计的基本原理是水的蒸发温度与压力成正比的关系。水在1 个标准大气 压( 7 6 1 m n h g ) 下的沸点为1 0 0 c , 在4 6 m m h g 柱压力的条件下，水的沸点为0 。当把 一定量的水放在一个低压环境的容器里，部分水蒸发为水蒸汽被抽出时，环境可以总维 持低压，使得蒸发冷却维持进行。其系统原理如图1 2 所示。 山东建筑大学硕士论文 1 压缩机2 冷凝器3 过滤器4 膨胀闽5 补水器6 空气阀7 压力表 8 温度表9 真空预冷箱1 0 真空泵1 1 集水器1 2 放水阀 图1 2 真空预冷系统原理图 果蔬自身的水分含量一般在8 0 - - 9 0 左右，当有l 的水分蒸发时，蒸发潜热可以 使剩余水分降低5 6 左右。当依靠蒸发潜热使产品温度降低1 0 - , 2 5 时，因蒸发而损 失水分仅为产品含水量的2 - , 5 左右。 一 真空冷却时，真空室的压力多维持在6 1 3 , - 6 6 6 p a 左右，为了减少干耗，果蔬在进行 真空预冷前应采取一定的加湿措施。 优点：冷却速度快，冷却均匀。 缺点：一次性投资高，且需要配备制冷设备。 适合对象：表面积大的叶菜类效果明显；表面积较小的果蔬，冷却效果不理想。 2 冷水预冷 冷水预冷方式是对果蔬采用o 3 冷水喷淋或浸渍的方法进行冷却，使其快速降 温。冷水冷却装置多为隧道式，果蔬依靠传送带或冷却水的流速来移动。水温由制冷系 统控制或者采用加冰块的方法。为提高冷却水的利用率，可设置水处理装置，对冷却水 进行循环利用。系统原理如图1 3 所示。 1 冰水槽2 冷水泵3 喷头4 搁物台5 循环泵 图1 3 冷水预冷系统原理图 优点：设备简单，冷却速度快；干耗小；对于根菜类有清洗功能； 缺点：产品淋湿后易携带细菌，导致病害发生和腐烂增加；设备占地面积比较大； 山东建筑大学硕士论文 适合对象：比较适合于根类菜和有角质皮等较硬的果蔬。 3 强制通风预冷 强制通风预冷是利用风机强制冷空气在果蔬包装箱之间循环流动，产品在冷空气的 作用下进行冷却。强制通风预冷是最普遍的预冷方式，预冷装置比较简单，但应保证冷 风机有足够的风量和风压。同时，产品在循环风流场内的水分蒸发量很大，必要时需要 给产品洒水，以保持表面一定的湿度。系统原理如图1 4 所示。 一一一一一一一一一一一、 困1 4 强制通风系统原理图 优点：投资较少，操作方便； 缺点：冷却时间长，容易产生不均匀现象，背风面易出现死角。 适合对象：适合于多种品种，不同种类还可以混合冷却。 4 差压通风预冷 差压通风预冷的原理是利用包装箱两侧的压力梯度，强制冷空气从包装箱的开孔中 流过，使得包装箱内的动压增加，从而加速产品表面的热交换。 差压预冷技术是在冷库预冷技术的基础上发展起来的。为了弥补冷藏库预冷速度 慢、冷却不均匀等方面的不足，差压预冷通过对包装箱进行开孔和一定的码垛方式，利 用差压风机的抽吸作用，强制冷空气通过开孔进入包装箱内部以加大食品表面的冷空气 流速，提高食品与冷空气之间的换热效果，实现快速降温。差压预冷自c m i u o n 发明以 来嘲，已经在果蔬预冷中得到广泛的运用。差压通风预冷原理如图1 5 所示。 图1 5 差压通风预冷系统原理图 山东建筑大学硕士论文 优点： 1 ) 、比强制通风预冷速度快，冷却时间通常为冷库预冷时间的1 4 ： 2 ) 、产品冷却比较均匀，无死角现象； 3 ) 、隧道式差压通风预冷通常在差压室安装传送装置，产品的输送可以自动完成， 在一定时间内可以进行大批量的产品预冷； 缺点： 1 ) 、初投资比强制通风预冷略高，需要加设差压风机等设备，但低于真空预冷； 2 ) 、有些产品品种略出现枯萎现象，需要加湿装置增加空气的相对湿度； 3 ) 、产品在预冷箱中的摆放，包装箱的码垛等比较费工时； 适合对象：几乎适合所有的果蔬类食品，包括根菜、果菜和叶菜类。 对于差压通风预冷方式，冷风的温度、通风量、摆放方式、通风量、开孔方式都影 响着预冷时间和降温均匀性。这都是本文需要研究的内容。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 早在1 9 0 4 年p o w e l l 和他的助手就向美国农业部提出预冷的概念，即利用低温的处 理方法，将采摘后的果蔬品温迅速地降到工艺要求的温度 6 1 。1 9 6 0 年，差压预冷技术自 g u i l l o n 发明以来，已经被广泛地运用到果蔬的预处理中r 丌。 日本是最早提出对果蔬进行预冷处理的国家。1 9 6 5 年日本就提出了产地采收处理 一预冷包装一低温贮藏一冷藏运输一销售( 冷藏陈列柜) 的低温流通系统，即低温冷藏链 【2 】。而差压通风预冷的研究是从上世纪7 0 年代末开始的 8 1 ，目前差压预冷已成为日本果 蔬业的第二大预冷方式。1 9 7 8 年日本首次开始对桃、葡萄、胡萝卜、甘蓝等果蔬进行 预冷研究，比较了瓦楞纸箱有无通风孔对箱内果蔬温度降低的影响【9 】；到八十年代中期 通过试验研究得出了球型果蔬在箱内不同摆放方式对压降影响的初步试验关联式，绘制 了冷却时间与压差的关系曲线【埘。到1 9 8 6 年日本就拥有差压通风预冷库4 1 8 座【9 】，九 十年代通过研究不同开孔形状及位置对箱内果蔬预冷温度的影响，首先在国际上制作了 标准差压预冷包装箱。随着对差压通风预冷技术研究的不断深入，日本除了在差压通风 预冷实际应用方面取得较大发展外，近几年开始从更深层次的预冷过程中的热质传递进 行研究，以期进一步掌握差压通风预冷的机理【l i 】，但目前的研究还只限于对开孔尺寸、 开孔位置以及包装箱类型等几个因素【1 2 1 。 山东建筑大学硕士论文 美国于上世纪四、五十年代开始进行冻结食品温度变化与品质关系的研究【1 3 】，但预 冷技术研究与应用始于七十年代【1 4 1 。八十年代首先提出了t t t 概念，即食品贮藏时间 ( t i m e ) 、贮藏温度( t e m p e r a t u r e ) 与耐贮性( t o l e r a n c e ) 间的关系，并总结出了大多数果蔬的 冻结温度和贮藏温度带【嘲，1 9 8 4 年i c v c h a u 和j j g a f f m y 等对散装和箱装柑桔的空气 阻力进行了计算，总结出风速对压降的影响【l q ；在研究的基础上k v c h a u 又重点论述 了差压通风预冷的技术优势【1 7 1 ，j c p a n 还对预冷过程中的瞬态传热进行了研究【瑚，此 后几年，美国的t a l b o t 等人又对散装果蔬进行了半无限大系统冷却、加热压力和速度场 的理论与试验研究【1 明；至九十年代预冷技术已经在美国得以广泛应用，而且理论研究也 取得了一些突破刚：1 9 9 6 年a c r a k w a y e 等人通过对草莓差压通风预冷过程中影响冷却 速度和温度分布的参数进行了研究，得出冷却时间与r e 数及压降p 的关系阱j 。近几 年，美国在差压预冷包装箱内有限空间压力场与速度场分布方面开展了进一步的研究， 但对于如何优化开孔形状、开孔尺寸及压差等参数还没有成熟的结论哪l 。 1 3 2 国内研究现状 我国虽然肉类、鱼类的低温冷藏链已有多年历史，但对于新鲜果蔬冷藏链却刚刚起 步。近年来，果蔬冷藏库建设、机械设备的开发、冷藏运输工具以及大型超市冷藏陈列 柜的发展都非常迅速，大大促进了我国低温冷藏链的发展刚。目前，低温贮藏、运输、 销售已得到公认，但对于冷藏链中比较关键的环节预冷，我们的认识却非常有限瞄】。 早在“七五一期间，国家就提出了“科技重点攻关项目果蔬贮藏保鲜技术研究一， 就部分果蔬的采后生理、贮藏运输以及流通消费体系进行了研究，初步摸索了普通冷库 预冷、真空预冷过程中的规律，提出了不同预冷方式的技术措施；并且首次开始了差压 预冷的探索性研究，对差压预冷开始有了初步的认识，但技术上还很不成熟，更谈不上 推广应用闭。1 9 9 7 年原国内贸易部组织实施了“九五国家重点科技攻关项目生鲜 食品物流冷链系统关键技术及综合示范工程一。在国内率先开始对胡萝卜、西芹、甘蓝、 青椒、番茄、黄瓜等果蔬进行差压通风预冷的理论研究，初步建立了差压包装箱中流体 的流动与传热模型【2 刀，运用多孔介质理论进行了压力场和速度场的求解，并进行了相关 的试验研究。对差压风机的选择、包装箱的设计等问题取得了初步的研究成果网，通过 对开孔性状和压降关系进行回归分析的基础上，首次对开孔性状因子s 进行了定义网。 鉴于不同送风方式对流场的影响不同，国内学者还对不同送风方式进行了比较研究与实 验验证 3 0 3 1 1 ，取得一定结果。研究成果对差压通风预冷技术的应用起到了一定的促进作 用，但对于理论的研究目前在我国还处于初始阶段，还有很多理论问题亟待解决。 山东建筑大学硕士论文 我国对差压通风预冷的研究还不成规模，研究成果中综述性内容较多，缺乏更深层 次的理论认识及对实际生产应用具有重要指导意义的实践认识。 1 4 问题的提出和课题的研究内容 随着食品冷藏链的迅速发展，预冷技术逐渐成为研究的热点话题。目前对影响冷却 速率和均匀性的研究尚无定论，对实际过程的某些现象也未能作出详尽解释；另一方面， 现有的试验关联式仅适应特定的条件，实验过程的误差也有很大影响。因此，食品预冷 技术在理论方面还有待深入研究，需要适应范围广、误差小的实验关联式的提出。 预冷箱内流场与温度场的研究一直是国内外学者研究的重点，但要准确地确定其影 响因素还有困难： 1 ) 、开孔方式和摆放方式的选择 果蔬的预冷过程需要产生均匀稳定的流场，既要保证预冷箱进出口有足够的压差， 又要使冷风在箱内均匀，以保证果蔬快速均匀地降温，但目前的研究大都只是针对某一 种开孔形式进行实验测试。 2 ) 、冷风温度和速度的选择 冷风温度受限于果蔬的冰点温度，温度太低会导致果蔬产生冻害，温度太高则不能 更快速地降低冷却时间；高风速可以大大降低果蔬的冷却时间，但同时却加大了风机投 资与运行费用。 3 ) 、湿度控制和传质潜热 湿度控制不好，一方面会加重果蔬的干耗，导致遇冷后的品质下降；另一方面果蔬 在水分消耗的同时，带走的传质潜热难于计算处理。 压差通风预冷设计和实施最关键的问题是在预冷箱或箱群两侧产生稳定的压降，从 而保证冷风能顺利通过箱内对产品进行预冷，以达到快速、均匀冷却的目的。 能够研究出一种快速、均匀的预冷方法一直是这些年的研究目的。所以更加深入地 研究预冷过程的流动与换热机理，通过改进实验过程的条件寻找高效的预冷方法并促进 技术的推广应用是本课题研究的重点。 基于上述分析，本课题的主要工作包括： 1 ) 、对单体果蔬建立二维数学模型，对箱装果蔬三维数学模型，对数学模型进行离 散。采用c f d 模拟软件对预冷过程的流场和温度场进行模拟计算，深入探讨不同因素 对预冷过程的影响效果。 山东建筑大学硕士论文 2 ) 、采用实验研究的方法，通过对不同开孔形式、开孔率预冷包装箱的变风速进行 实验，研究果蔬在预冷过程中的流动、传热规律。 3 ) 、通过理论模拟与实验结果的对比分析，分析影响果蔬预冷速率与均匀性的主要 因素，通过对应项因素的分析提出改进方案，并对实际生产提供理论性指导。 山东建筑大学硕士论文 第2 章数学模型的建立与计算方法 2 1 引言 果蔬差压通风预冷过程是一种复杂的非稳态冷却降温过程，其传热过程是导热和对 流换热的耦合换热过程，包括： ( 1 ) 不同的预冷箱开孔方式和果蔬摆放形式的变化，带来箱内流场的多变性； ( 2 ) 预冷温度和冷风速度的变化，影响着果蔬的传热效果； ( 3 ) 预冷箱内流场和温度场的互相影响、箱内果蔬和冷风之间进行的气体与固体的 耦合换热以及传热与传质过程的交叉影响使预冷过程复杂多变。 2 1 1 差压预冷原理 。 。 流体流动遵循的三大守恒定律对流体运动的描述构成了流体动力学n a v i e r - s t o k e s 方 程组，n a v i e r - s t o k e s 方程组可以表述成以下形式： 1 连续性方程： 挈+ 掣= 0 ( 2 1 ) 国 苏， 一 2 动量方程： 昙c 肛一考c 肛一，= 鹤一詈+ 毒陋。c 考+ 釉 q 动 i l l 。= p + p t q 2 b ) 3 能量方程： 挈例删= 咖( 去叫+ 曲， ， 其中：f 一广义变量 以湍流粘性系数 分子粘性系数 “一涡粘性系数 p 流体的时均压力 z 一导热系数 p 流体密度 & 广义源项 坼，甜，一各时均速度分量，f ，歹= 1 , 2 , 3 而，x ，各坐标分量，i , j = 1 , 2 , 3 本课题所研究的差压通风预冷过程为非稳态有内热源的气体固体耦合传热传质过 山东建筑大学硕士论文 程。为处理这种复杂的传热过程，这里引进多孔介质理论。 多孔介质模型实际上是指由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成的微小空隙所构成 的物质。多孔介质模型可以被应用于很多实际问题中，果蔬预冷箱内空隙间的流体流动、 散流器和管束内的流动、孔板流动等。模型使用时须指明多孔区域的压降，以及多孔介 质中固体介质和流体之间的换热性质。 多孔介质传热传质理论研究始于2 0 世纪5 0 年代，在探求迁移机理方面已经发展了 能量理论、液体扩散理论、毛细流动理论和蒸发理论等相关理论，尤其在解释多孔介质 内的热质迁移方面有很大发展【3 3 1 。多孔介质模型的机理是在多孔介质区域中加上由经验 公式确定的流动阻力。根本上来说，多孔介质模型的实质即是在流体流动控制方程里的 动量方程中加上额外的动量源项 3 4 j 。 多孔介质的动量方程附加的动量源项由两部分组成：粘性损失项和内部损失项，其 表示关系式为： s = 主q 。，一+ 主q 丢p h l _ ( 2 4 ) 在多孔介质单元中，动量损失对压力梯度有贡献，而压降和流体速度成比例。对于 介质均匀的情况下，动量源项可以简化为如下形式： s = 詈q + i 1c 2 p m 巧 ( 2 5 ) 其中：墨墨y ，z 方向动量源项 q ，q 规定矩阵元素，介质均匀时分别对应对角矩阵c 2 和 粘性系数 ，。三个方向上的分速度 占一多孔介质的渗透性 c ，一内部阻力因子【3 2 l ，其它项为零 多孔介质动量方程中动量源项损失的计算方法： 1 ) 粘性损失项的d a r c y 定律 通过多孔介质的流场中，压降和速度成比例，常数c ，可以考虑为零。忽略对流加速 以及扩散，多孔介质模型简化为d a t c y 定律： 山东建筑大学硕士论文 印：一丝y 占 多孔介质区域三个坐标方向的压降为： 瓴= 杰告吩觚 锄= 窆争巧岘 衄= 窆 巧觚 其中：上矩阵d 的分列元素 t 。j ( 2 6 ) ( 2 7 a ) ( 2 咖 ( 2 7 c ) ，觇，衄坐标轴三个方向的介质厚度 2 ) 多孔介质的内部损失 常数g 可以看作沿着流动方向每一单位长度的损失系数，因此可把压降指定为动压 头的函数，为多孔介质的内部损失提供矫正，多孔介质模型内部损失可以简化为： 考= 喜，虿1 朋m ( 2 8 ) 内部损失对应到各个坐标轴上的表示形式为： 蛾：觚3c 2 ( 圳i 1 以m ( 2 哟 锄= 虮壹c 2 以丢以m ( 2 9 b ) 瓴= 衄窆c 2 。枷专以m c 2 9 c ) 鉴于多孔介质理论对果蔬预冷过程中热质迁移的有效处理，本课题主要借鉴多孔介 质理论对传热方面的机理对问题进行建模。目前，已有引用多孔介质理论来处理果蔬预 冷过程中耦合传热的例子【1 9 , 3 6 1 ，但这种理论的借鉴尚处在尝试阶段，目前并未形成完整 的体系。 2 1 2 研究对象及物理描述 图2 1 所示为课题的主要研究对象示意图。预冷用冷风由空气冷却器产生；预冷箱 采用加固纸箱，内外部均涂有防水材料；采摘后的果蔬按照一定方式在包装箱内摆放整 齐：通过差压风机的抽吸作用，在预冷箱一侧产生足够负压；试验段的周围进行隔热处 理。 山东建筑大学硕士论文 图2 1 果蔬差压预冷示意图 预冷过程在箱内进行强制对流换热，由于问题具有对称性，可以取物理空间的一半 作为计算区域。当差压风机运行时，在风机侧产生一个负压区，强制冷风通过预冷箱的 开孔进入箱内，冷风流过箱内果蔬表面进行换热，带走田间热和呼吸热后流出预冷箱， 冷风不断循环来完成循环方式的差压通风预冷，从而达到快速预冷的目的。 2 2 果琉单体的二维数学模型 如图2 2 所示为西瓜单体预冷模型图。西瓜体尺寸为2 6 5 x 2 6 5 m m 。预冷箱规格尺 寸为2 9 0 2 8 0 x 2 8 0 m m ，预冷箱两侧开6 个直径为5 0 m m 的圆形孔，开孔率为1 5 。 图2 2 单体果蔬预冷模型示意图 2 2 1 假设条件 由于预冷过程的热质传递变化十分复杂，为便于建立模型和进行计算，对问题进行 以下假设： 1 ) 、西瓜体各向同性： 2 ) 、西瓜作二维非稳态传热； 3 ) 、西瓜的各物性参数为常数； 4 ) 、冷风的热物性参数为常数； 5 ) 、预冷过程在低温环境下进行，忽略辐射热； 6 ) 、包装箱体为绝热体； 山东建筑大学硕士论文 由于预冷时间较短和西瓜角质皮的保护作用，可以忽略动态的传质潜热散热，只考 虑田间热和呼吸热作为内热源项进行处理。 2 2 2 数学模型 把箱内空间划分为以西瓜单体为中心的多个小空间，针对单体空间内的冷却机理进 行研究。西瓜单体与冷风流动的有限差分计算网格划分如图2 3 所示，单体采用t g r - d 网格划分方式，以周向角的变化为依据进行冷风的非均匀网格划分。 图2 3 单体与冷风流动的计算网格划分 1 单体能量攒述： 参考相关文献【3 7 l ，对单体作非稳态传热分析，其传热微分控制方程表达式为： 砟吼鲁= 吾吉卜等) + 吾品降堡t 3 0 + g 缸 其中，呼吸热表达式网在心7 温度范围内有： = 岛彳( l + 1 7 ) d(211)+17 81 1 = 砟彳【乃j ( 2 - 式中，a = 4 5 9 x1 0 r 6 ，b = 2 6 6 2 冷风能量状态描述： 掣+ 掣= 击( 等+ 等卜 仁坳 叙 砂儿印榭l 缸2砂2 1 、7 3 流体与固体耦合描述： 。 单体与冷风之间进行流体与固体的耦合传热，冷却过程中流固耦合1 2 7 1 的传热过程满 足能量方程：二 邸m ( 务) 猡d l - = - 啊( 鲁h 打 山东建筑大学硕士论文 考虑体积占用率孝因素的影响，单体所占体积和单元空间体积有以下关系： 匕- 0 - 孝) 矿 ( 2 1 4 ) 对两式进行联合可以得到耦合能量方程描述： 砒“( 警) = 嘭啪卅 亿- 5 ， 2 2 3 处理条件 1 初始条件描述： f = 0 乙= r o乙= r o 2 边界条件描述： 刚 等l 一等i 矿一毒眈一乙) 其中，传热系数h 定义【1 明为： = 鲁b o + o 3 眠) l ，3 陋帕) l 陀】 ( 2 1 7 ) 2 2 4 模型的离散 对二维非稳态传热模型r = r ( ，0 ，f ) 应用有限差分法进行离散。对时间进行朝前差分 格式，采用元体热平衡法【3 9 ，删对传热方程进行离散求解。图2 4 所示为单体的节点网格 划分。考虑其对称性，选取合适的时空步长，令，= 沁，矽= j a 只f = 必f ，取单体的一 半对传热方程进行离散分析。 山东建筑大学硕士论文 1 边界节点( i = n ) 的离散，节点处于研究对象的边界线上，其节点温度描述为： 筹警= 、2 一盎) 学+ 熹4 n1 丢r 堑器盟+ 罴1 靠k 一) + 警 名f 、锄一1 j0 n 2 。 一 2 0 劫2 。锄一”r ” ，。五 ( 2 1 8 ) 2 内部节点( i - l 心1 ) 的离散，节点处于研究对象的内部，其节点温度描述为： 一p c y ：p ! + l t ：p ：垡：z 二三圣墨圣塾+ 上墨墨：l 二三圣墨圣鱼+ 上鱼z ：鱼+ 堕 力a r 0 旷) 2。，2 ( p ) 2 2 ra r兄 ( 2 1 9 ) 3 中心节点( i = o ) 的离散，节点处于中心点，其节点温度描述为： 譬盟a r = 掣r + 吾警一 名 2 ，2 ( 矽1 2 a p 7 2 3 箱装果蔬的三维数学模型 为了更好地实现对预冷箱内果蔬预冷过程的研究，在二维非稳态传热的基础上建立 三维差压通风预冷模型。预冷箱尺寸为3 5 6 x 2 8 5 x 2 1 4 m m ，预冷箱两侧开6 个直径为 4 5 r a m 的圆形孔，开孔率为1 5 6 ；果蔬选择黄金梨进行模拟计算，在箱内作平行排列 和交叉排列两种方式，体积占有率分别为5 2 3 和4 8 8 。如图2 5 所示为黄金梨在预 冷箱内的两种摆放方式。 冷 风 进 入 冷 风 进 入 平行排列 交叉排列 图2 5 预冷箱内果蔬的两种排列 2 3 1 假设条件 为了方便模型的建立与计算的进行，对实际的预冷过程进行必要的假设，假设如下： 1 ) 、箱内梨的预冷过程为三维非稳态传热； 2 ) 、黄金梨各向同性； 3 ) 、冷风的热物性参数为常数； 4 ) 、忽略梨单体之间的接触传热； 山东建筑大学硕士论文 5 ) 、预冷过程在低温环境f 进行，忽略辐射热； 6 ) 、忽略预冷过程中的水分蒸发： 2 3 2 数学模型 1 连续性方程的描述： 冬+ 掣+ 掣+ 坐掣：o ( 2 2 ，) a f叙却勿 、7 2 动量方程描述： 掣+ 掣+ 挈+ 竽书倍+ 矧 a f缸勿 勿缸。i 苏2 却2 彪2j ( 2 2 2 a ) 掣+ 掣+ 掣+ 字专恪矧 a f苏 勿勿匆。i 缸2 勿2 勿2j ( 2 2 2 b ) 掣+ 掣+ 字+ 竽书伶+ 矧 a f缸 勿咖勿。i 掰却2玉2j ( 2 2 2 c ) 3 能量方程描述： 掣+ 掣+ 毪笋+ 警掣= - c k ( 争+ 等+ 等卜 a f 缸 却彪i 融2却2玉2j 。 ( 2 2 3 ) 4 箱装梨的导热微分方程描述： 等( 1 瑚鲁= 争+ 等+ 争+ 誓 邻 5 内热源的解决 1 ) 呼吸热的单位换算关系为： l k c a l ( t j i i ) = 4 1 8 6 8 1 9 ( 1 0 0 0 k g 3 6 0 0 s ) = 1 1 6 3 1 0 刁w k g ( 2 2 5 ) 为方便计算，将呼吸热拟合成食品温度| l 的函数关系式h 1 1 厂( r ) 的表述为： 厂( r ) = + a t t + a 2 t 2 + 码，3 + a j ( 2 2 6 ) 由此可以得出呼吸热的拟合关系式： 钆= 1 1 6 3 xl o - 3 p f ( t ) ，w m 3( 2 2 7 ) 山东建筑大学硕士论文 部分果蔬的拟合函数常数【8 1 如表2 1 所示。 表2 1 部分果蔬呼吸热拟合关系式常数表 a 0 a la 2 a 3a 4 甘蓝 12 5 7 7 8 82 6 9 70 1 4 7 4 40 0 1 0 1 4o 莴苣 2 8 8 2 2 8 7- 2 6 6 2 2 4 9o1 1 4 4 8 91 2 7 1 3 8 西红柿1 5 1 5 8 56 1 1 5 1 6田0 6 9 8 9 o o 胡萝卜 3 3 8 8 3 9 83 2 8 4 6 1旬2 1 8 5 30 0 1 8 7 5o 草莓 3 2 0 7 3 4 55 9 9 6 8加0 7 0 30 0 2 7 5 30 苹果 7 1 2 6 9 60 3 5 5 1 20 3 5 2 6 3- 0 0 1 2 1 50 梨 7 0 2 3 1 70 3 2 4 9 20 0 4 7 3 7一o 0 7 4 5 1o 在本课题的数学模型中，将表达式( 2 2 6 ) 和( 2 2 7 ) 结合，把呼吸热表示为温度与 密度的关系式其表达式为： = 1 1 6 3 1 0 一p p ( 7 1 2 6 1 3 + 0 3 2 4 9 2 t + 0 0 4 7 3 7 t 2 - 0 0 7 4 5 1 t 3 ) ，w m 3 ( 2 2 8 ) 2 ) 田间热可以表示为果蔬初始时刻的比热与温度的函数： 疋= ( 2 2 9 ) 3 ) 源项采用线性化处理的方法，黄金梨预冷的内热源可以表示为： s = 瓯+ ( 2 3 0 ) 2 3 3 处理条件 1 预冷箱入口边界条件： = 0 5 m s 、l m s d 5 m s 、2 m s 、2 5m s ；，= 0 ；w = 0 ； 乙= o o c 、1 0 c , 2 0 c , 3 0 c 2 果蔬的初始条件： f = 0 ，t = r o 3 预冷箱体传热边界条件，f 0 时： 罢：o 冬：0 ( 2 3 1 a ) 缸苏 ，：o 孕：0 ( 2 3 1 b ) o y w ：o 阜：0 ( 2 3 1 c ) 山东建筑大学硕士论文 2 3 4 离散方法 模型的离散采用有限容积积分法，应用泰勒级数展开式对计算区域及控制方程进行 离散；时间导数采用朝前差分格式，空间导数采用中心差分格式。鉴于问题的复杂性， 对流扩散项采用一阶迎风格式；源项采用线性化处理，将田间热处理为常数，呼吸热作 变参数处理；边界条件的处理采用附加源项法，进出边界控制容积的热量作为与之相邻 控制容积的当量源项。 2 4 数学模型的求解方法 归纳起来，对果蔬差压预冷的求解主要有：数值解法、实验法。 1 数值解法 应用数值解法求解许多复杂的热质传递及流动问题比较有效，包括有限差分法、有 限容积法、有限元法、有限分析法等。数值解法的适应性较强，计算结果也较精确，尤 其是难于解析求解的问题，采用数值解法就成为一种有效途径。由于差压预冷的热质传 递过于复杂，采用数值解法便比较有效。 2 实验法 实验法分为有模实验和实型实验。当数学模型过于复杂，数值计算工作量过大时， 实验法则是最为有效的方法。同时，实验还能为解析解个数值解的检验提供参考1 4 2 。 根据本课题的研究内容和客观条件为依据，采用数值解的方法对所建立的模型进行 离散求解，并采用c f d 模拟手段进行模拟；然后采用有模实验的方法对问题进行实验 研究，检测数值模拟的真实性，并提出优化解决的方法。 山东建筑大学硕士论文 第3 章数值计算结果及分析 3 1 引言 大型c f d 软件大都是通用数值计算软件，需要根据具体情况选用特定的计算模型 和最佳参数，在某些特定情况下甚至需要加入u d f 模块。为了能够更好地揭示预冷过 程中流动与换热的影响因素的作用，初始计算平均压力为0 1 m p a ，根据m s t ( n a t i o n a l i n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 提供的物性数据，得出温度变化范围在1 0 - 1 2 0 3 2