（动力机械及工程专业论文）运用fluent软件对冰箱中空气流场的模拟和优化研究.pdf

摘要 摘要 随着社会的不断进步，电冰箱的使用也越来越普及了。电冰箱在给人们生活带 来诸多方便的同时，也给人们造成了能耗和环保等一系列的问题。电冰箱的能耗 是衡量一台冰箱性能的重要指标，另外，各项国家标准也对冰箱耗能要求越来越 严格。 保持冰箱内空气温度的相对稳定可以明显地减少开，停机次数和开，停机损失，从 而可以有效地减少能量损失。因此，对冰箱冷藏室内空气流场的模拟和研究就是 本课题研究的对象。箱内空气流场还对食品保存质量起着重要的作用。本文主要 运用流体力学软件f l u e n t 研究了冷藏室内部搁板与蒸发器之间的间距、内部隔板 的导热系数以及蒸发器形式对于箱内速度场和温度场的影响。 实验和计算结果对比表明采用f l u e n t 能较好地反映出箱内空气流动的真实情 况。此外，从模拟结果可知，当搁板与蒸发器之间间距增大时，蒸发器表面空气 边界层将变薄，空气与蒸发器及其它固体表面之间的换热系数都会相应增大，但 温度沿高度方向也变得不均匀：搁板导热系数不同对箱内流场影响不大；蒸发器 形式和尺寸及位置对箱内流场均有显著影响。 关键词速度场；温度场；模拟 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fr e f r i g e r a t o ri sm o r ea n dm o r ep o p u l a rw i t ht h ed e v e l o p m e n to f s o c i e t y i tb e n e f i t s u so nm a n ya s p e c t s ，b u ta tt h es a m et i m ei t b r i n g su sal o to f p r o b l e m s ，s u c h a s e n e r g yc o n s u m i n g a n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i n ge t e e n e r g y c o n s u m i n g i sas i g n i f i c a n ti n d i c a t o ro fr e f r i g e r a t o r ，a n dm a n ys t a t es t a n d a r d sa r em o r e a n ds t r i c t e ro ni t t om a i n t a i nt h er e f r i g e r a t o r a i rt e m p e r a t u r ea tar e l a t i v es t a b l el e v e lc a nr e d u c et h e t i m e so fo n o f fa n dt h ee n e r g yl o s so fi t d i s t i n c t l y t h e r e f o r e ，t h e s i m u l a t i o na n d r e s e a r c ho ft h ea i rf l o wi nr e f r i g e r a t o ri st h em a i n o b j e c to fm y a r t i c l e a n dt h ea i rf l o w i n r e f r i g e r a t o ra l s oa f f e c t st h eq u a l i t yo ft h es a v i n gf o o d t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h e s h e l fa n dt h ee v a p o r a t o r ，p a r a m e t e ro ft h ei n t e r n a ls h e l fa n dt h et y p eo fe v a p o r a t o r m a y b ei n f l u e n c e t h ev e l o c i t yf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l di n r e f r i g e r a t o r , t h e y a r e d i s c u s s e di nt h i sa r t i c l ew i t ht h eu s eo ff l u e n ts o f t w a r e b yc o m p a r i n gc a l c u l a t i o n r e s u l tw i t ht h e e x p e r i m e n td a t a w e c a ns e et h a tt h e s i m u l a t i o nr e s u l tu s i n gf l u e n ts o f t w a r ec a nr e f l e c tt h ea c t u a lc o n d i t i o n o t h e r w i s e ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea i rb o u n d a r yl a y e ra l o n gt h ee v a p o r a t o rw i l la t t e n u a t e a n dt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tb e t w e e na i ra n de v a p o r a t o ra n do t h e rs o l i ds u r f a c ew i l l e n h a n c ew h e nt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h es h e l fa n de v a p o r a t o ri n c r e a s e s ，b u t t h e a s y m m e t r ya l o n g t h ed i r e c t i o no fa l t i t u d e w i l l s t r e n g t h e n ；t h e s h e l f sd i f f e r e n t c o n d u c t i o nc o e f f i c i e n th a sa l m o s tn oa f f e c to nt h ea i rf l o wi nr e f r i g e r a t o r ；t h et y p e ， d i m e n s i o na n dp o s i t i o no fe v a d o r a t o rh a v ear e m a r k a b l ei n f l u e n c eo nt h ea i rf l o w k e y w o r dv e l o c i t yf i e l d ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；s i m u l a t i o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： ) 习兹卧1日期：巾年月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 鞯、刊 翁仪髭 e t 期：如叫缂月乍曰 日期：加u 年占, e l 弘日 1 1 引言 第一章绪论帚一早殖化 1 8 3 4 年，雅可比柏金斯在伦敦推出了第一台实用制冷机一一该系统采用蒸气 压缩循环及用醚作制冷剂。1 8 9 7 年，纽约的威廉f 圣加发明了最早的小型电 力机组制冷系统专利产品。此后，制冷行业得到了稳步发展，家用电冰箱变得越 来越普遍，自本世纪2 0 年代早期开始，电冰箱已经可以大规模生产且成为人们生 活的必需品。 在本世纪3 0 年代起，家用电冰箱开始规范化生产，全封闭压缩机越来越普遍，膨 胀阀也被毛细管取代，采用封闭式结构，且由钢板制造，绝热良好，机械室大多 放置于箱体底部。另外一个比较重大的发展是双温冰箱，大约出现于1 9 3 9 年且在 战后开始成为一种特色。 冰箱的广泛使用，在给人们带来很多方便的同时也给人们造成了诸如环保和能 耗等一系列问题。臭氧层消耗是一个全球性的问题，1 9 8 7 年2 4 个国家及欧共体共 同签署了蒙特利尔议定书，以限制臭氧消耗物质的生产及贸易。电冰箱和冷冻箱 常采用r 1 2 作制冷剂，直接受到议定书的制约。c f c s 除了对同温层臭氧的破坏还 引起全球变暖，制冷装置生产过程所产生的二氧化碳也进入大气产生温室效应。 另外，据统计电冰箱的能源消耗约占居所总能耗的1 2 左右，考虑到它有1 5 年左 右的使用寿命，提高家用电冰箱和冷冻箱的效率将大大有益于环境保护。 随着社会的不断发展，人们对冰箱的使用要求也越来越高了。近年来，先是环 保冰箱的出现。人们力图让冰箱具有保鲜、除臭和杀菌等功能，这无疑是冰箱功 能的提升。后来又有网络冰箱的问世，让冰箱与互联网挂上钩，让出游或出差在 外地也可以从网上了解家里冰箱中的食品，并可进行调节，还可进行网上采购等 等。这些对消费者无疑是一种惊喜，但惊喜之后是“你会买这种冰箱吗? ”显然 它离我们广大消费者还有一段距离。而高效节能冰箱于国于民都有利，而且是冰 箱性能高低的体现，它也是一个企业冰箱设计和生产整体水平的最佳展示。在冰 箱发展中，高效节能一直被我国众多冰箱生产厂家重视，并取得显著成效。计算 机辅助设计技术的运用，特别是仿真技术的运用，使得节能冰箱产品的开发手段 从原来单一的试验方法变得丰富多样。 1 2 国内外冰箱的研究 1 2 1 节能的发展 在欧洲推动节能冰箱发展的主要动力为：环保的需要，展示企业在行业内的技 术领先的需要以及给用户带来经济实惠的需要。 冰箱在其生产过程、使用过程及最后报废过程中均会对环境带来负面影响。近 几年人们进一步认识到，对环境影响更大的因素为冰箱的长期使用过程中耗电的 间接影响，由于耗电所间接产生的有害物质占全部过程所产生的有害物质的9 0 左右。针对冰箱耗电为环境的主要影响因素，近几年欧盟家电协会、政府及企业 代表就新的冰箱能耗标准进行反复的讨论，并在2 0 0 4 年初实施新的标准。根据标 准草案在2 0 0 4 年引入新标准后，现有的c 级及能耗更高的产品将不允许开发和生 产。在目前能效等级为a ( 5 5 ) 的基础上进一步引入a + ( 4 2 ) 及a ”( 1 时，粘性扩散能力大于热扩散能力，流动 1 6 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) t - 图2 8 速度边界层与热边界层 f i g 2 8v e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r e b o u n d a r yl a y e r s 第二章冰箱的工作原理 边界层厚度占大于热边界层厚度4 。图2 8 所示就是这种情况。v l a i 时，则万 4 。 综上所述，对于除液态金属外的常用流体，流动边界层的概念可以扩展到换热中 去，建立起热边界层的概念。热边界层厚度4 是个数量级上与d 相当的很小的量。 于是，换热问题的温度场可区分为两个区：热边界层区和主流区。只有在热边界 层区内才有必要采用能量微分方程描述，在主流区，法向温度变化率可视为零。 2 1 3 3 边界层微分方程组 根据流动边界层和热边界层的特点，可以运用数量级分析的方法简化对沉抉热 微分方程组。 所谓数量级分析，是指通过比较方程式中各项量级的相对大小，把量级较大的 项保留下来，而舍去量级较小的项，实现方程式的合理简化。数量级分析法在工 程问题分析中具有广泛的实用意义。至于怎样确定各项的量级，可视分析问题的 性质而不同。 为了说清问题的实质。分析的对象选为稳态、二维、重力场可忽略的强制对 流换热问题。由二维流动的连续性方程、动量方程和能量方程分别为： 当+ 宴：0( 2 - 1 3 ) h 西 p c 考+ “罢+ v = c 一警+ c 妻+ 骞， cz 州， p c 考+ “罢十v 考，= 一考+ c 凳+ 等， cz - i s ， 妾+ “妾+ v 熹= 去c 警+ 熹， cz 舶， 而棚瓦w 面2 石再+ 酽 。叫 可以相应地简化为： 型+ 塑：0( 2 1 3 a ) 融3 y 一1 互 i占 p c “芸+ v 考，= 一警+ c 凳+ 器，( 2 - 1 4 a ， l 1 万古 1 纠；矿1 p c “罢+ v 考，= 一茜+ c 凳+ 等，( 2 - 1 5 a ， 1 1 鱼18 拶a _ l 万州变1 吾 b tm ，a 2 ta 2 t “面+ ”面2 4 ( 丽+ 丽) ( 2 - 1 6 8 ) ；占击纠嘉， 以上各式下方所标各物理量的数量级下面将加以说明。进行数量级分析时，可 首先确定主流速度h 、温度t 、壁面长度f 以及流动边界层和热边界层的厚度占及点 等5 个量的数量级如下( 符号“”表示数量级相当于的意义) ： “o ( 1 ) t 一0 ( 1 )f o ( 1 ) j d ( 占)4 o ( 占) 其中0 ( 8 ) 是指数量级远小于0 ( 1 ) 的量，这是从边界层特性中得出的关系。 用上述5 个量的数量级来衡量上述方程中各量可得：戈与l 相当，故工一0 ( 1 ) ；y 在边界层内，即0 - y s 占，故) ，d ( 万) ：“在0 到虬间变化，故“o ( 1 ) ：对于罢， 取x 从l 到0 一段区间内的积分平均值有 f 扣虬， 其绝对值阜0 0 ) ，故窭d ( 1 ) ；同理尝o ( 1 ) 。 fd xo x 按连续性方程式( 2 - 1 3 ) 立：一塑 a y 孤 等式两边必具有同样的数量级，故詈争o ( 1 ) 。v 取。到j 一段区间内的积分 平均值有 r 挚当1 占 d ( 们 故v 0 ( 万) 。在边界层内，粘滞力于惯性力数量级相同，若密度p 的数量级定为 1 。则粘度0 ( 8 2 ) 。同理n 一0 ( j 2 ) 。 这就说明了各式下方所标各量的数量级。将方程式中各项作比较可得以下结论： 在式( 2 - 1 5 a ) 中，粘滞力项和惯性力项的数量级为0 ( 8 ) ，因此在等式中还须有 粤= d ( 艿) o y 这个关系表明，沿y 向压力梯度很小，以致可以认为边界层内的压力与y 无关。由 1 8 第二章冰箱的t 作原理 式( 2 - 1 4 a ) 的分析，赛的数量级将等于或小于o ( 1 ) 。由于总压力仅沿工方向变化， 可将宴改写为宰，而掌可由伯努利方程求得为 帆戤 g x _ d p = 肌i d u(一172ax ) - = p k - 【一 ， 甜 已知虬= ，o ) 的具体函数形式时，塞即为已知值。 由于式( 2 1 5 a ) 中各项数量级都式d ( j ) ，相对于式( 2 1 4 a ) ，整个y 向动量方程 可从方程组中舍去。 在式( 2 ，1 4 a ) 中，粘滞力项中的褰项与熹相比可以舍去a 而在式( 2 一1 6 a ) 中导热项中的警项与等项相比可以舍去。 于是，可得出用边界层概念简化的边界层换热微分方程组： “罢+ v 詈= 一吉去+ v a a y 2 2 _ y u cz m ， “磊+ v 面一万忑押a y 2 。 “叫 喜+ 韭：o( 2 1 9 ) 孤a y “芸+ v 熹= a 熹 2 。， “磊丽钏铲 。叫 式中，d p 一由伯努利方程确定。三个方程中仅有“、v 、f 三个未知量。 d x 对上述微分方程组配上定解条件即可求解。对于主流场式均速、均温乞，并 给定恒壁温，即y = 0 时t = f o 的问题，定解条件可表示为 y = 0 时： u = 0v = 0 t = 屯 y = e , o 时：“= “。t = 屯 分析求解上述方程组可得局部换热系数吼的表达式( 层流范围) 如下： 哎= 0 3 3 2 妻( 等) 1 2 ( ( 2 - 2 1 ) 分析求解的步骤可参阅有关文献。 2 2 电冰箱的结构和分类 电冰箱是家庭中用来冷冻与冷藏食品和制作少量冷饮料的器具，也是科研、医 1 9 疗卫生、工农业生产中不可缺少的一种冷藏设备。它的 型式和结构是从实用性和美观性等方面考虑，而且在不 断地发展和变化。 目前，国内生产的家用电冰箱种类繁多，按制冷方式 主要分为直冷和间冷式两大系列，按用途可分为冷藏 箱、冷藏冷冻箱和冷冻箱三种。以双门冰箱为例直冷式 电冰箱冷冻室、冷藏室各有独立的蒸发器，互不相通， 冷冻室空间由蒸发器直接围成，冷藏室蒸发器制冷后借 助自然对流使室内降温，如图2 9 和2 1 0 所示。间冷式 冰箱是在直冷式的基础上，为适应大容积贮存和多门分 温的需要发展起来的。冷冻室、冷藏室共用一个蒸发器， 安装于冷冻后侧，蒸发器产生冷量后，通过一个小风扇 强制使冷气在冷冻室和冷藏室之间对流，冷藏室温度室 靠调节风门大小来控制的，如图2 1 1 所示。 蒸发器 蒸发器 蒸发器 蒸发器 图2 - 9 双门直冷式电冰箱 f i g ，2 9d i r e c tc o o l i n gr e f r i g e r a t o r w i t ht w od o o r s 图2 - 1 0 双门直冷式电冰箱蒸发器的形式 f i g 2 1 0t h et y p eo fe v a p o r a t o ri nd i r e c tc o o l i n gr e f r i g e r a t o rw i t ht w o d o o r s 与间冷式冰箱相比，直冷式冰箱有如下特点： 1 直冷式冰箱的耗电量比较小，一般比同容积的间冷式冰箱可减少1 5 左右， 这主要是由于间冷式冰箱除了压缩机耗电外，还有风扇电机和用来除霜的大量电 热丝耗电。 2 由于问冷式电冰箱内的食品冷藏、冷冻是通过冷风强制对流实现的，又有 电热丝不断除霜，使贮放的食品干耗特别快，肉类、禽蛋、水果、蔬菜、糕点的 收水比较厉害，食品的保鲜期远不如直冷式长。 3 间冷式因其声源比直冷式多( 除压缩机外，还有风扇电机声和强制对流的 气流声) 故噪声也大。 4 直冷式冰箱的直冷温度均匀性不如间冷式好。 5 直冷式冰箱的冷藏室虽然是自动化霜，但冷冻室却会积霜，需要人工除霜， 而间冷式冰箱的蒸发器形成的霜由电热丝定时化掉，因此间冷冰箱又称为“无霜 2 0 第二章冰箱的工作原理 冰箱”。 冻室 风扇 蒸发 冷凝 藏室 缩机 图2 - 1 1 双门问冷式电冰箱的蒸发器形式 f i g 2 - 9t h et y p eo fe v a p o r a t o r i ni n d i r e c tc o o l i n gr e f r i g e r a t o rw i t ht w od o o r s 综上所述，直冷式和间冷式冰箱各有所长。目前，家用电冰箱的制造以直冷式 为主，问冷式多用于商用、医用、科研等用途。所以本文章也是主要以直冷式电 冰箱为研究对象。 2 3 本章小节 本章首先主要介绍了电冰箱的制冷循环、传热过程以及箱内的流动边界层和热 边界层，为后面的模拟和分析打下基础；然后还介绍了冰箱的结构和分类，比较 了直冷式电冰箱和间冷式电冰箱的优缺点，分析了本课题以直冷式电冰箱为研究 对象的原因。 - - - - - 一兰童垩三盔耋三兰鎏主兰垡堕兰 3 1 概述 第三章食品的贮存 冰箱的工作目的就是保证易腐食品一一水果、蔬菜、鲜鱼、肉类、蛋类、油脂 等的冷藏质量。因为这些食品在常温下很短时间内就会腐烂变质，失去其新鲜品 质，甚至不能食用，但将其贮存在低温环境中，就有可能在较长时间内保持其良 好的品质。 3 2 食品的保温机理 为了了解食品贮存的原理，就应该懂得这些食品腐烂的基本原因。通常凡食品 在贮存和运送时，都需要特别保护措施，以免受到外界空气温湿度高低和微生物 之影响而损坏其品质者，均称为易腐食品。易腐食品中的化学成分、种类很多。 但总括起来不外乎：有机物质和无机物质两大类。易腐食品中所含的有机物为糖、 蛋白质和脂肪等，这些物质都是复杂的有机化合物，只不过具体分子结构不同而 已。易腐食品中所含的无机物为各种矿物质和水。矿物质中的铁、钙、磷、镁、 硫、碘、钾、钠等是人体营养所不可缺少的物质。它是构成人体所有细胞和组织 的重要成分，并且对人体新陈代谢起着重要作用。食品中还含有各种有机酶、酸、 维生素、芳香物质及大量水份。食品中的水份通常约为食品重量百分之五十以上。 如肉类含水量4 5 7 8 ，鲜鱼6 2 8 2 ，牛奶8 7 ，水果、蔬菜7 3 9 6 。一般 在相同条件下，易腐食品所含有的水份愈多，则腐烂愈快。 易腐食品腐烂主要原因是其本身的生物化学变化和微生物变化。生物化学变化 是由于食品在酶的作用下发生氧化而变色、变味和分解，酶几乎总是对易腐食品 起破坏作用。微生物变化是有用微生物菌类( 真菌、细菌、酵母菌和霉菌) 在食 品内滋长繁殖的结果。微生物是食品发酵、腐烂和败坏的媒介。食品表面和内部 生长的微生物造成食品化学变化，引起食品风味、色泽和外观上产生变化，延续 时间过长，食品就不宜食用。而某些微生物分泌出有害的毒素，还将产生严重危 害人体健康，常造成中毒致病乃至死亡。环境温度、湿度对微生物滋长繁殖起很 大影响，而食品内含有的水份和各种有机物又为微生物的滋长繁殖创造了良好的 条件。上述两种原因中，任何一个都能造成食品的完全破坏，而在大多数食品腐 坏情况下( 如肉和鲜鱼的腐烂，水果和蔬菜的腐败等) 都要涉及到这两个因素。 第三章食品的贮存 所以，如果要适当保藏食品，这两种破坏因素的活性都必须加以完全消除或有效 地给以控制。 微生物的生命活动，仅在所以外界环境因素都最适宜的情况下才能达到最高的 程度。若其中有一个因素不适宜，就将引起其生命活动下降，以致终止生命和发 育。按照这一法则，我们只要把任何一个环境因素改变为不利于微生物生长的情 况，就可以控制微生物的生命活动。 为了解决易腐食品的贮存，只要将易腐食品适当加工，制造人为贮存条件，就 可以限制食品内微生物的生长、发育，以致促成其死亡。在食品中加入食盐、糖 是最常见的食品贮存方法。食盐、糖可以改变食品内溶液的渗透性。中断微生物 细菌的营养，造成细菌周围的生理干燥，停止发育。此外，在生物学上还有以菌 抗菌的办法，在食品内部人工地造成相互矛盾的微生物细菌发酵，让一种有益的 发酵消灭另外的使食品腐烂的发酵，以达到贮存食品的目的。如制造酸牛奶时， 就是在牛奶中加入乳酸细菌，让它抑制其它许多微生物细菌的发育，以保存牛奶。 此外，还有用干制法、光照法、加热法、加防腐剂等措施贮存易腐食品，但这些 方法的最大缺点是要破坏食品的内部组织，进而降低其营养价值和新鲜滋味。 易腐食品的低温贮存方法，随着制冷技术的进展，已被广泛采用。利用低温贮 存食品，就是应用低温来消除或抑制食品腐败媒介的活动，即降低酶和微生物的 活动。因此，低温为食品提供了一个在不同时间内保持易腐食品原有鲜度的实用 方法。为了适当贮存，其所需的低温温度应随贮存的食品种类和贮存期限的长短 而异。采摘之后的水果、蔬菜，正常营养供应被切断，生命的延续过程是靠利用 自身贮藏的营养。把这些食品置于低温条件下，可以防止酶的作用，以减慢其生 命过程，延续食品的生长、成熟及氧化分解，实现较长时间的贮存。动物食品的 腐臭，主要是由动物脂肪的氧化所引起的，而酶又是促使脂肪氧化、分解的重要 因素。把食品贮存在低温条件下，降低酶的活性，即控制了氧化和分解。经食品 科学部门研究，在其它条件均相同的情况下，当贮存温度为一8 。c 时，食品微生 物的繁殖速度要比0 。c 时缓慢4 0 倍。也就是说在一8 。c 时，食品能贮存2 0 0 昼 夜，而在0 。c 条件下仅能贮存5 个昼夜。如果把贮存温度降低到一l o 。c 一 1 5 。c 以下，由于食品冻结发生脱水作用，使微生物不能实行营养和生化反应， 微生物就趋于完全停止其发育。这就是冻结食品保藏的基本原理。 在不同的低温条件下贮存食品既能防止食品腐烂，又能很好地保持食品的色、 味、香、营养物质和维生素等在新鲜时所特有的一切品质。所以，在易腐食品贮 存方法中，低温贮存被普遍采用。 3 3 温湿度变化对冰箱中食品贮藏质量影响的研究 易腐食品低温贮存并不是说温度越低越好，也并非是任意的低温条件下对所有 易腐食品都能取得良好的贮存效果。一般根据不同种类的易腐食品之特点和贮存 要求，而采用不同的低温条件，通常采用“冷却”和“冷冻”二种不同的处理方 法。所谓“冷却”处理，即把食品保持在温度较低而一般又不致低过于o 。c 的环 境中贮存。例如鲜蛋、乳品、水果、蔬菜等，可允许在一2 。c + 1 2 。c 温度范 围贮存、运送。冷却一般不影响食品的内部组织。在此条件下，酶和微生物还具 有一定的生长繁殖能力，因此要采取一切措施尽可能避免微生物感染，如防止机 械损伤或加用杀菌药物等。而“冷冻”处理，则把食品贮存温度降低到o 。c 以下， 使食品内大部分水变成冰一一冻结，致使酶和微生物几乎完全停止生长繁殖，以 达到较久贮存的效果。食品冷冻过程就是食品液汁的冻结过程。食品液汁冻结的 冰结晶体可大可小，大晶体往往使食品细胞组织破坏，当食品解冻时液汁就不能 回到细胞中而使食品的质量降低。通常，希望食品在冻结时，食品内的液汁能结 成微小的冰结晶体均布于食品组织之内，而不破坏食品内部组织。这样，在解冻 时能增大过程的可逆性，恢复食品的滋味和营养价值。因此，在冻结食品时，希 望采用快速冻结法一一“速冻”法，以达到食品冷藏贮存的预想效果。 冻结食品在食用之前一般要解冻( 如肉、鱼) 或加温( 如蔬菜、水果、蛋品) 以恢复食品原来的营养、滋味、香气等品质。为了使食品冰晶的液汁充分渗入组 织中，解冻往往得缓慢进行，时间长者可延续3 5 昼夜。解冻时，室温可保持较 食品温度高4 5 。c ，相对湿度保持9 0 9 5 。解冻不但可在空气中进行，还可 以在水中或蒸气中进行。 总之，食品冷藏，就是使食品在贮存或装运过程中既杜绝微生物细菌的沾染和 滋长，又要保持食品的完美。因此，保持食品必须的贮存温度条件是非常重要的。 掌握各种易腐食品的特性、创造对易腐食品最适宜的冷藏温度、湿度和通风等条 件亦不能忽视。温度是低温贮存易腐食品的首要条件，温度过高，不能杜绝微生 物生长繁殖而使食品腐烂，温度过低又会使食品冻坏。此外，湿度对贮存运送易 腐食品也有很大影响，湿度过高将使食品发汗，微生物易于生长繁殖，湿度过低 又会使食品干耗，降低其品质。保持易腐食品贮存温湿度并促使其温湿度分布均 匀，对贮存或运送蔬菜、水果尤为重要。 表3 一l 各种食品最佳冷藏温、湿度及物理特性 t a b 3 - 1v a r i o u sf o o d so p t i m a lc o l ds t o r a g et e m p e r a t u r e h u m i d i t ya n d p h y s i c a lf e a t u r e s 食品名称冷藏相对可贮存含水冰冻 比热k c a l k a 。c潜热 温度。c湿度时间量点。ck c a l k a 冰点冰点 以上以下 l 苹果 1 一l8 0 9 0 2 7 月 8 52o 9 20 5 06 7 2 樱桃 0 5 18 0 1 3 星期 8 2450 8 70 4 66 6 3 香蕉 1 28 5 2 星期 7 5 170 8 00 4 26 0 4桔予0 1 28 5 9 08 1 0 星期9 02 20 9 00 4 66 9 5桃子05 18 0 8 52 4 星期8 6 9 1 50 9 00 4 66 9 6梨子一o5 l58 5 - 9 01 6 月 8 3209 004 86 7 7菠萝4 1 3 8 5 - 9 0 2 4 星期 8 531 2o 8 80 4 56 8 8西瓜2 - 48 5 9 02 3 星期 9 2 11 60 9 70 4 87 2 9番茄1 0 - 2 08 5 9 03 4 星期 9 4o90 9 504 87 4 1 0土显3 68 5 9 06 月7 7 8 1 8o8 20 4 36 2 1 1 葡萄 一1 38 5 9 01 4 月8 2 408 60 4 46 5 1 2蘑菇0 28 0 8 5l 一2 星期 9 11，l0 9 30 4 77 2 13鲜鸡蛋1 0 58 0 8 58 月7 0 2 20 7 60 4 05 4 1 4冻鱼2 0 129 0 9 58 一1 0 月 1 5猪肉0 - + 1 2 8 5 - 9 0 3 1 0 天 3 5 - 4 22 20 5 40 3 23 0 1 6冻猪肉2 4 - 1 88 5 9 02 8 月 1 7 冻家禽 3 0 1 08 03 一1 2 月 1 8冻兔肉一2 4 1 28 0 - 9 06 月 1 9冻羊肉1 2 - 一188 0 8 53 8 月 2 0冻牛肉2 3 一1 8 9 0 - 9 59 1 2 月 3 4 空气流速对对冰箱中食品贮藏质量影响的研究 冰箱中的食物保存质量不仅直接依赖于箱内的空气的温度分布还依赖于其速度 分布。食品在储藏过程中，不可避免的会产生干耗，为了减少干耗，目前都采用 透气性差的材料包装产品，但是，温度波动幅度太大会引起内部干耗，箱内温度 在升高的一段时间后再降低，首先受影响的是包装，因为它比里面装的产品还要 冷。所以，在包装的内表面将产生水蒸气的凝结。由于干耗过程是不可逆的，水 华南理工大学工学硕士学位论文 蒸气聚集成水或在包装内侧结霜，这种现象在冻结产品的包装内存在自由空隙的 情况下是很常见的，对于某些蔬菜这种干耗可达8 。按照盖克( g a c ) 的数据， 温度波动在3 5 6 。c 时的内部干耗比温度波动为0 7 5 1 。c 时的内部干 耗高4 倍左右。因此，不管温度高低。为了防止增加干耗或内部干耗，以及某些 产品质量变坏，温度波动的幅度和持续时间都应该保持在较小的范围内。 3 5 本章小节 本章主要介绍了食品保藏的一些基本知识，突出了电冰箱在食品贮存中起的作 用。另外，还着重叙述了电冰箱箱内温、湿度和速度对食品贮存质量的影响。从 这些介绍中我们可以更加清楚地认识到模拟和优化电冰箱箱内气体温度场和速度 场对食品保藏的重要性。 苎些兰旦竺! 坚茎竺墨兰垄翌茎主竺皇里 第四章f i u e n t 软件及其在研究中的应用 4 1flu e n t 软件概述 f l u e n t 软件为美国f l u e n t 公司的软件，其最新版本为f l u e n t 6 1 。它是近年来 c f d ( c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s ) 软件中应用较为广泛的一种。 c f d 技术，即流体力学技术，随着计算机技术的推广普及和计算方法的新发 展，几十年来取得了蓬勃的发展。它是目前国际上一个强有力的研究领域，是 进行“三传”( 传热、传质、动量传递) 及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和 重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工等诸 多工程领域，暖通空调与制冷行业是c f d 技术应用的重要领域之。由于数值 模拟相对于实验研究有很独特的优点，比如成本低，周期短，能获得完整的数 据，能模拟出实际运行过程中各种所测数据状态，对于设计、改造等商业或实 验室应用起到重要的指导作用，故而c f d 技术得到了越来越多的应用。 f l u e n t 软件作为工程运用的c f d 软件，针对每一种流动的物理问题的特点， 采用对应的数值解法，在计算速度、稳定性和精度方面达到最佳。它可以计算 流场、传热和化学反应。其思想实际上就是做很多模块，这样只要判断是哪一 种流场和边界就可以拿已有的模型来计算。由于囊括了f l u e n td y n a m i c i n t e r n a t i o n a l ( 比利时p o l y f l o w ) 和f l u e n td y n a m i ci n t e r n a t i o n a l ( f d i ) 的全部 技术力量( 前者是公认的在粘弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司， 而后者是基于有限元法c f d 软件方面领先的公司) ，因此f l u e n t 软件能推出多 种优化的物理模型，如定常和非定常流动；层流( 包括各种非牛顿流模型) ；紊 流( 包括最先进的紊流模型) ；不可压缩和可压缩流动；传热；化学反应等等。 对每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差 分格式进行选择，从而在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。f l u e n t 将不 同领域的计算软件组合起来，成为c f d 计算机软件群，软件之间可以方便地进 行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省去了科研工作者在计算方 法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智 慧用于物理问题本身的探索上。在f l u e n t 中，可以采用g a m b i t 的专用前处理软 件建立物理模型和划分网格。另外，物理模型也可以和其他常用软件( 如 p r o e n g i n e e r 、a n s y s 、a u t o c a d 等) 很好地相互兼容。对二维流动，可以 生成三角形和矩形网格；对于三维流动，则可生成四面体、六面体、三角柱和金 华南理工大学硕士学位论文 字塔等网格：结合具体计算，还可生成混合网格，其白适应功能，能对网格进 行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。 正是由于f l u e n t 软件的上述特点，使得它在冰箱的研究和开发中也起到了越 来越重要的作用。 4 1 1f i u e n t 软件的结构 一般结构c f d 软件的一般结构如图4 - 1 所示。 图4 1c f d 软件的一般结构 f i g 4 1g e n e r a ls t r u c t u r eo fc f d s o f t w a r e 其前处理、求解器及后处理三大模块，各有其独特的作用，分别表示如下： l 几何造型 前处理1 网格自动生成技术 fa 确定c f d 方法的控制方程( n s 方程，湍流模型) lb 选择离散方法进行离散 耥器 巳蝴数值计算篇初s i m 始p 条l e 件列川觚蒯 il i i 边界条件 id 输入相关参数 i i i 松弛因子 l 物性参数 iv 其它 后处理速度场、温度场、压力场、浓度场及其他参数的计算机可视化及动 画处理 4 1 2f l u e n t 软件的求解过程 f 1 u e n t 软件包包括f l u e n t 、p r e p d f 、g a m b i t 和t g r i d 等产品，图4 2 给出了 它们之间的组织结构。 第四章f l u e n t 软件及其在研究中的应用 图4 - 2 基本程序结构 f i g 4 - 2b a s i cs t r u c t u r eo fp r o g r a m f 1 u e n t 的计算过程，又可以根据各个解算器之间的关系分为独立计算和耦合计 算过程。其计算过程分别如图4 3 和图4 - 4 所示。 图4 - 3 耦合计算器的求解过程 f i g 4 - 3s o l u t i o np r o c e d u r e f o rt h ec o u p l e ds o l v e r 2 9 华南理工大学硕士学位论文 图4 4 独立解算器的求解过程 f i g 4 4s o l u t i o np r o c e d u r e f o rt h es e g r e g a t e ds o l v e r 4 2 f i u e n t 软件在冰箱模拟中的应用 以往在冰箱的设计与开发及其它行业中，一般只能依靠经验和试验及简单的 理论分析来完成，其一般过程如图4 - 5 所示。 方案详细制造样测试评估和可否投产 是 设计 + 设计机或出 专家论证其通过或实 工程图性能和质颦施 ff 否 图4 - 5 传统设计过程 f i g 4 5t r a d i t i o n a ld e s i g np r o c e s s 兰翌主翌：! 翌鏊生墨茎主翌耋主箜窒旦 在这种设计过程中，设计可行与否往往取决于试验，为保证性能稳定，就不得 不进行大量试验，而且，产品方案的筛选和优化是在设计、制造、测试部门之 间进行大循环，由于牵涉的环节多，产品的开发周期长，费用高：对工程设计 而言，往往需要进行方案选择、优化，这一工作一般是靠经验完成，难免导致 方案可靠性降低，从而引起设计失败。c f d 的应用则改变了这种传统的设计过 程，由于c f d 软件可以相对准确地给出流体流动的细节，如速度场、压力场、 温度场或浓度场分布的时变特性( 不定常特性) ，因而不仅可以准确预测流体产 品的整体性能，而且很容易从对流场的分析中发现产品或工程设计中的问题， 据此提出的改进方案只需重新计算一次就可以判断、评估改进是否有效，并更 容易得到某些规律性的知识。这样，产品或工程的设计与优化很少依赖经验或 试验，试验( 或经验) 的目的最多是进一步验证产品性能或设计过程的合理性。 现代设计过程应具有如图4 6 所示的结构。 图4 6 现代设计过程 f i g 4 6m o d e r nd e s i g np r o c e s s 在这一过程中，用虚框表示的环节“试验验证或专家评估”与传统设计过程 的相应环节“测试评估或专家论证”的工作量相比大为减少，因为传统设计过 程中“测试评估”所包含的试验往往是探究性试验，需要有大量的“试验样本”， 才能从这些“试验样本”中找到规律。而现代设计过程中，“试验样本”这一环 节中的大量工作已通过c f d 工作完成，即通过c f d 工作形成大量的“虚拟试验 样本”，无需或只需极少实际的“试验样本”即可检验c f d 方法的可靠性、正确 性，故现代设计过程之工作量大为减少。在这种现代设计过程中，方案设计在 整个设计循环中占有很大的比重，特别是方案设计阶段的c f d 分析占有相当重 要的地位，方案的筛选是以科学性的分析为基础，因而比较容易保证设计成功 和产品质量的稳定，而且它将传统设计的大循环过程转变为方案设计带有预测 性质的校验循环( 验证循环) ，当设计已经基本达到设计要求时再转入通常的详 细设计，大大减少了设计过程的中间环节。另外现代c f d 分析技术的发展不仅 大大减少试验次数，甚至完全取消试验，即所谓的“虚拟产品开发”v i r t u a lp r o d u c t d e v e l o p m e n t ，简称v p d ) 。因此，c f d 技术的大量应用能显著缩短设计周期， 华南理工大学硕士学位论文 降低费用。 4 3 本章小节 本章首先介绍了c f d 软件f l u e n t 的应用范围和优点，其次对其软件结构和一 般求解过程作了简要的说明，使我们了解后面的应用更加容易。最后对该软件 在冰箱设计和优化中起到的作用进行了阐述。 第五章数学模型和数值计算 5 1 数学模型 第五章数学模型和数值计算 数学模型将主要讨论计算的物理模型和边界条件、冷藏室内网格的划分和离散 化、空气的相关方程等。 5 1 1 物理模型和边界条件 削5 - 1 冰箱内部结构 f i g 5 - 1i n t e r n a ls t r u c t u r eo fr e f r i g e r a t o r y 图5 1 所示为冰箱内部结构，经过简化和整理后的冷藏室内空气流动区域如图 5 2 所示。冷藏室高度为7 5 0 m m ，宽度为3 5 5 m m ，长度为4 1 5 m m 。蒸发器管通过 一块紧贴在箱背内壁的金属板与冷藏室内空气进行热交换。该板的尺寸为 3 4 0 m m x 2 5 0 m m 。箱内搁板为玻璃板，厚度为4 m m 。箱内搁板与蒸发器之间的距 离为a i ( 如图5 - 2 所示) 。计算过程中视蒸发器表面与内壁面的温度为已知，蒸发 器表面、内壁面以及玻璃板表面的的空气速度为零。 门 内 壁 图5 - 2 冷藏室内部结构 f i g 5 - 2i n t e r n a ls t r u c t u r eo fr e f r i g e r a t o r 在整个冰箱中蒸发器的形式、位置和温度对冰箱的性能和食品的保藏有着重要 的影响。本课题中对蒸发器温度边界条件的指定也有重要的意义。蒸发器表面的 温度往往沿着高度方向有比较大的变化，而在f l u e n t 软件中默认情况下只能指定 壁面温度为常数。所以，我们需要先根据有限的试验数据对蒸发器表面温度进行 曲线拟合，然后采用以c 语言格式编写的自定义函数通过一定的接口导入到f l u e n t 中。我们首先对蒸发器表面温度进行拟合，其中一组数据如图5 1 所示。 表5 1 蒸发器表面温度 t a b 5 - lt e m p e r a t u r ev