（工程热物理专业论文）小型冷库冷冻过程的理论分析与实验研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 小型装配式冷库大多采用冷风机循环库内空气冷却方式，库内流场直接影响货 物的冷冻或贮藏效果。为了揭示风机旋转气流对库内气流分布特性的影响，对库内 和风机内部流场进行实验和数值模拟研究，分析冷风机旋转气流对冷库库内流场的 影响以及弱流区位置的变化情况；在冷库速度场研究的基础上，对冷库和冷冻物温 度场进行了实验和模拟研究，绘制出不同工况冷冻物的冷冻特性曲线，分析比较之 后对冷库送风方式进行了优化研究。为小型装配式冷库的优化设计和运行提供了参 考依据。 关键词：冷库，冷风机，数值模拟 a b s t r a c t t h ep a c k a g e da i rc o n d i t i o n e rc y c l i n gp c l 0 1w i t l l i na i rc o o l i n gm o d ef o rm em i m - p a n e l a s s e m b l e dc o l ds t o r a g ei su s u a l l ya d o p t e d r e 衔g e m t i o no rs t o r a g ee a e c to fg o o d si sd i r e c t l y i n n u c e db ym en o w1 f i e l do ft h ec 0 i ds t o r a g e i no r d e rt 0r e v e a lt h ei n f l u e n c eo fs w i r l i n g e d d yf o rm en o wd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e s t i ci n t h ec o l d s t o r a g e ，t h ee x p e r i m e n t sa n d s i m u l a t i o nr e s e a r c hf o rt h ep a c k a g e da i rc o n d i t i o n e ra n dc o l ds t o r a g eh a v eb e e nd o n e ，锄d a n a l y s i sp a c k a g e da i rc o n d i t i o n e ro fc o l da i rc u r r e n tr o t a t i n gs t r e a mb a n km a r k e t ，a s w e l la st h ei n l p a c to faw e a kf l o wo fc h a n g e si nt h el o c a t i o no ft h ea r e a ；c o l d s t o r a g e i nt h ev e l o c i t yf i e i do nt h eb a s i so ft h e s t u d y ， c o i d s t o r a g ea n d f r o z e n - t e m p e r a t u r e 行e l de x p e “m e n t sa n ds i m u l a t i o ns t u d i e st om a po u tt h ed i f 俺r e n t c o n d i t i o n so ft h ef r o z e n f r o z e nc u r v e ，f o l l o w i n gt h ea n a l y s i so ft h ec o l da i rm e a n s t oo p t i m i z et h es t u dy f o rs m a l l - s c a l ea s s e m b l yo ft h ec o l d o p t i m i z e dd e s i g na n d o p e r a t i o np r o v i d e saf r a m eo fr e f l e r e n c e w a n gc h a n g h a i ( 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 yp r o f - j i n gy b u y i n k e yw o r d s ：c o i ds t o r a g e ，p a c k a g e da i rc o n d i t i o n e r s i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 小型装配式冷库大多采用冷风机循环库内空气冷却方式，库内流场直接影响货 物的冷冻或贮藏效果。为了揭示风机旋转气流对库内气流分布特性的影响，对库内 和风机内部流场进行实验和数值模拟研究，分析冷风机旋转气流对冷库库内流场的 影响以及弱流区位置的变化情况；在冷库速度场研究的基础上，对冷库和冷冻物温 度场进行了实验和模拟研究，绘制出不同工况冷冻物的冷冻特性曲线，分析比较之 后对冷库送风方式进行了优化研究。为小型装配式冷库的优化设计和运行提供了参 考依据。 关键词：冷库，冷风机，数值模拟 a b s t r a c t t h ep a c k a g e da i rc o n d i t i o n e rc y c l i n gp c l 0 1w i t l l i na i rc o o l i n gm o d ef o rm em i m - p a n e l a s s e m b l e dc o l ds t o r a g ei su s u a l l ya d o p t e d r e 衔g e m t i o no rs t o r a g ee a e c to fg o o d si sd i r e c t l y i n n u c e db ym en o w1 f i e l do ft h ec 0 i ds t o r a g e i no r d e rt 0r e v e a lt h ei n f l u e n c eo fs w i r l i n g e d d yf o rm en o wd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e s t i ci n t h ec o l d s t o r a g e ，t h ee x p e r i m e n t sa n d s i m u l a t i o nr e s e a r c hf o rt h ep a c k a g e da i rc o n d i t i o n e ra n dc o l ds t o r a g eh a v eb e e nd o n e ，锄d a n a l y s i sp a c k a g e da i rc o n d i t i o n e ro fc o l da i rc u r r e n tr o t a t i n gs t r e a mb a n km a r k e t ，a s w e l la st h ei n l p a c to faw e a kf l o wo fc h a n g e si nt h el o c a t i o no ft h ea r e a ；c o l d s t o r a g e i nt h ev e l o c i t yf i e i do nt h eb a s i so ft h e s t u d y ， c o i d s t o r a g ea n d f r o z e n - t e m p e r a t u r e 行e l de x p e “m e n t sa n ds i m u l a t i o ns t u d i e st om a po u tt h ed i f 俺r e n t c o n d i t i o n so ft h ef r o z e n f r o z e nc u r v e ，f o l l o w i n gt h ea n a l y s i so ft h ec o l da i rm e a n s t oo p t i m i z et h es t u dy f o rs m a l l - s c a l ea s s e m b l yo ft h ec o l d o p t i m i z e dd e s i g na n d o p e r a t i o np r o v i d e saf r a m eo fr e f l e r e n c e w a n gc h a n g h a i ( 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 yp r o f - j i n gy b u y i n k e yw o r d s ：c o i ds t o r a g e ，p a c k a g e da i rc o n d i t i o n e r s i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文小型冷库冷冻过程的理论分析与实验 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：二雠 日期： 雌石 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 毕么 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 自古以来“民以食为天”，现代食品工业是关系是唇齿相依的关系，因此谈到 食品工业自然会联系到食品冷冻冷藏技术。 随着人们生活水平的不断提高，生活节奏的加快，食品工业是关系到国计民生 的生命工业，而现代食品工业又离不开冷冻、冷藏。人们对海鲜、肉、蛋、禽、新 鲜蔬菜、水果等需要冷冻、冷藏的食品、副食品以及速冻食品、方便食品等的需求 不断增加，同时人们对食品结构的要求也发生了显著的变化，人们对所需的食品要 求也越来越高，既方便又卫生且营养丰富又不失其新鲜性等特点。而一般食品，是 由蛋白质、糖类、脂肪、维生素、酶以及水、矿物质组成，适宜微生物的生长和生 存，进而促使食品的分解，致使食品腐烂变质，所以食品一般都属于易腐品。 为了满足人们的需求，对食品的储藏已成为一项重要的工作。食品的保藏，按 照方法不同可以分为以下几种： ( 1 ) 化学保藏法：在食品内注入少量的对人身体无害的防腐剂，以制止微生物的 生长繁殖。 ( 2 ) 生物保藏法：利用食品经过发酵变酸的特性，来抑制微生物的生长繁殖。 ( 3 ) 物理保藏法：用干制、加盐、加糖和高温或者低温的方法来达到保藏食品的 目的。 其中，冷藏冷冻就是将食品置于低温环境中( 一般是各种冷藏库) ，使得一般易 腐食品能够获得较长的储藏时间。随着全球经济和科学技术的迅速发展以及全球普 遍变暖的现象的持续，冷藏库技术和冷冻冷藏技术也得到了迅速的发展并且越来越 受到人们的重视【l 3 1 。 1 2 国内外冷库发展现状与研究任务 食品保鲜主要以食品冷藏为主，将易腐畜禽、水产、果蔬、速冻食品，通过预 冷、加工、贮存和冷藏运输，有效地保持食品的外观、色泽、营养成分及风味等， 达到食品保质保鲜，延长食品保存期的目的，起到调剂淡、旺季市场的需求并减少 生产与销售过程中经济损耗的作用。由此可见，随着市场经济的不断发展，现代物 流系统的不断完善，冷冻冷藏行业发展前景十分广阔。 冷库是发展冷冻冷藏业的基础设施，也是在低温条件下贮藏货物的建筑群。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1 国外研究现状 国外冷库行业发展较快的国家主要有日本、美国、芬兰、加拿大等国。日本是 亚洲最大的速冻食品生产国，2 0 以下的低温库在冷库中占8 0 以上。7 0 年代以前 国外冷库普遍采用以氨为制冷剂的集中式制冷系统，7 0 年代后期逐渐采用以r 2 2 为 制冷剂的分散式制冷系统。美国和加拿大8 0 以上的冷库都以使用r 7 1 7 为制冷剂。 8 0 年代以来，分散式制冷系统在国外发展很快，冷却设备由冷风机逐步取代了排管， 贮藏水果冷库中近l 3 为气调库，在冷库建造方面土建冷库正向预制装配化发展，自 动化控制程度比较高。 近年来，国外新建的大型果蔬贮藏冷库多是果品气调库，如美国使用气调贮藏 苹果已占冷藏总数的8 0 ；法国、意大利也大力发展该项技术，气调贮藏苹果均达 到冷藏苹果总数的5 0 7 0 以上；英国气调库容达2 2 万t 。日本、意大利等发达国 家已拥有1 0 座世界级的自动化冷库。 为了防止公害和储藏食品安全，2 0 世纪7 0 年代后新建的冷库逐渐以氟里昂代 替氨做制冷剂。在设备选型方面，冷冻机主要为高速多缸活塞式和螺旋杆式两种。 近年来，由于螺杆式压缩机具有操作安全、方便、易损件减少、寿命长、维修方便 等特点，更因为它能在2 0 一8 0 负荷范围内无级调节，有利于节能，所以螺杆式 压缩机取代活塞式压缩机的趋势十分明显。库内冷却设备基本上都是冷风机强制通 风式，顶、墙排管逐渐被淘汰。制冷系统以2 0 世纪7 0 年代后期在日本出现的“分 散式制冷系统 较为普遍。 2 0 世纪7 0 年代以来，国际上对冷却时间和冻结间的工艺要求向低温快速方向 发展，冷却温度一般采用1 0 ，冻结间采用3 5 至4 0 ，超低温冻结间为4 8 至 5 5 ，有的还采用液氨来冻结食品。 阿根廷学者l a u r aa c 锄p a i l o n e ，v i a n ao s a l v a d o r i 等在2 0 0 4 年先后发表过两 篇关于食品冷冻过程中食品的冻结时间以及在冷冻和冷藏过程中的质量损失的预 测研究的文章【4 l 。 伊朗学者m j a v a n m a r d ，n r o l 【1 1 i 等在2 0 0 5 年做过鸡肉保存方面的研究，他们应 用y 射线和冷库相结合的方法，指出这种方法对鸡肉的化学成分、质量以及内部微 生物等有抑制作用，能够延长鸡肉保存时间【5 】。 1 2 2 国内研究现状 同国外冷库的发展一样，国内的冷库在近几十年里，无论在库容还是其他方面 也都获得了长足的发展，以甘肃省为例：截至2 0 0 3 年已建成千吨级果品气调库9 座，千吨以上冷库1 3 座，5 0 0 1 0 0 0t 冷库3 5 座，l o o 5 0 0 t 冷库5 9 座，5 0 1 0 0 t 2 华北电力大学硕士学位论文 冷库2 4 2 座，5 0 t 以下冷库1 7 万座；截止到2 0 0 5 年年底仅兰州市就拥有商业冷库 经营企业3 1 家，库容达5 2 万t 。 虽然现在国内冷库行业取得的成果比较显著，但由于起点低、步伐慢、配套制 度不够完善，我国的冷库事业相对还比较落后。到目前为止，多数冷库仍采用以氨 为制冷剂的集中式制冷系统，其冷却设备大多采用光管排管，这种冷却设备金属耗 量大，冷却效率差，这在国外已经基本上由冷风机替代。 在逐步改进冷库设备和技术后，我国的食品冷冻业也取得了较快的发展。我国 冷库库温可达到3 0 以下，可以低温快速冻结食品，迅速在家蓄胴体表面形成一 个“冰壳一，大大降低了食品在冷却、冻结过程中的干耗损失。冷库储存温度的低 温化，是保持更好的食品质量和减少食品干耗的重要保证。 随着冷库技术的不断进步与发展，在食品的冷冻冷藏方面的技术也得到了迅速 的发展，为了能更好的保存食品，保持食品丰富的营养价值和不失其新鲜性等，很 多学者都作了相关方面的研究 陈天及和余克志在2 0 0 1 年对装配式冷库温度场特性进行了实验研究，总结了 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场的影响 情况【6 1 0 上海水产大学的谢晶、瞿晓华等在2 0 0 5 年曾用c f d 模拟软件做过设计参数对 冷库内流场和温度场的影响方面的模拟，他们指出冷库内食品的冷冻效率和质量主 要依靠与流场密切相关的温度场的变化【7 蚋。 苏庆勇和贺广兴在2 0 0 7 年对冷藏展示柜柜内温度场进行了模拟与实验研究， 对其柜内气流对温度的影响作了分析【9 1 。 1 3 本论文研究内容 本论文主要以华北电力大学低温实验冷库为研究对象，针对冷库内冷冻物温度 场以及对冷库和冷冻物温度场有决定性作用的速度场进行了分析研究。 1 3 1 冷库速度场实验与模拟研究 目前，国内关于小型装配式冷库的气流组织研究较少，且大多数集中在二维稳 态和空库内气流组织研究，很少见到对冷库三维温度场、流场的研究，特别是对冷 库内部冷风机旋转气流对冷库冷冻效果影响的研究更少。在这方面本文主要做了以 下两方面的研究： ( 1 ) 对冷库库内速度场进行实验研究； ( 2 ) 依据冷库建立其物理和数学模型，对其速度场进行模拟分析。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 3 2 冷库冷冻物温度场实验与模拟研究 在分析库内气流组织分布对气温度场影响的基础上进行了两方面的研究： ( 1 ) 对冷库内冷冻物( 猪肉) 温度场进行实验研究； ( 2 ) 依据冷库和冷冻物建立其物理和数学模型，对其温度场进行模拟分析。 1 3 3 对小型装配式冷库进行优化研究 依据上述实验与模拟分析，对小型装配式冷库送风方式进行模拟分析研究，根 据不同的冷冻需要提出一些建议。 4 华北电力大学硕f 学位论文 第二章冷库及数值模拟技术简介 21 实验冷库及测量系统 211 冷库简介 本实验以华北电力大学低温实验冷库为研究对象，如图2 - 1 所示。冷库的外形尺 寸为：长x 宽x 高= 3 3 0 0 m m x l 9 2 0 m m x 2 5 0 0 m m 。 豳2 2 玲风机 冷库门的尺寸为：长高= 7 3 0 1 6 8 0 ( m m ) 。玲库以双面彩钢板为内外墙，墙内 以聚氨酯泡沫塑料为保温材料，其厚度为1 0 0 m m 。冷库采州北京比泽尔制冷设备有 华北电力大学硕士学位论文 限公司生产的4 e c 42 型压缩机。 212 测量仪器简介 z121 多功能通风表8 3 8 6 一m g b 冷库实验过程中其速度场的测量是通过“多助能通风表”来完成的，如图2 3 所 示。其性能参数如下： ( i 】风速范围0 5 0 i i l ，s 误差：读数的士3o 或00 1 5 “s ，取其最大值： 精度：00 l i i l ，s ： ( 2 ) 皮托管的风速( 8 3 8 6 ( a ) 型号) 范围：12 7 7 87 m s 误差：速率为1 01 6 i n ，s 时的1 5 ； 精度：0 0 1 m 旭： 多功能通风表的特性和优点： ( 1 ) 可测风速范围达0 5 0 m s ； ( 2 ) 风速测定装置采用热传感器或皮托管制成； ( 3 ) 实际速率和标准速率读数之间可自动切换； 【4 ) 测定变速流体时数字读数显示稳定； ( 5 ) 1 0 16 匣米带刻度伸缩探头使通风管的测量更简易化： 图2 3 多功能通风表8 ： 8 6m c b 6 华北电力大学硕士学位论文 2122 冷库测量系统 本文冷库实验过程中采用力控p c a u t 0 36 2 数据采集系统对库内温度场数据进 行采集，冷库运行界面如图2 4 所示，温度采集界面如图2 5 所示。 拎库运行界面是对冷库运行状态的监测，在界面上能清楚的看到冷库运行过程 中各项性能参数，如堆缩机排气压力、节流阀前面压力、节流阀后面压力、压缩机 吸气压力、压缩机排气温度、肯流阀前面温度、节流阀后而温度、压缩机吸气温度、 压缩机功率和压缩机电流。 冷库温度采集界面是对库内测点温度的监测，在界面上能清楚的看到各个测点 的实时温度以及变化情况。t 1 t 2 0 为库内壁面上测点温度，t 2 1 t 2 8 为自由探头 用以测量实物的温度。 嘲主 t ，日日一 图2 4 玲库运行界面 22 数值模拟技术介绍 * 9 9 4 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 。焉 一- r ：1 i 躅 ”。j】 一。? - a ：f o 一 = - 4 】口日e j e 啊 图2 5 冷酷温度数据采集界面 计算流体力学( c f d ) 是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础上的一门新 型独立科学。c f d 应用计算机流体力学理论与方法，利用具有超强数值计算能力的 计算机编制计算机运行程序，数值求解满足不同种类流体的运动和传热传质规律 的三大守恒定律，及附加的各种模型方程所组成的非线性偏微分方程组得到确定 边界条件下的数值解。它兼有理论性和实践性的双重特点，为现代科学中的许多复 杂流动与传热问题提供了有效的解决方法【i 。近年来人们将c f d 技术用于冷库 流场的数值模拟研究，并取得了一定的研究成果，计算流体力学f c f d l 技术应用与 气流组织和传热方面的合理性和町靠性的以验证巾】。 本文在数值模拟过程中，采用了队n 模型、辐射模型以及多空介质模型，具体 介绍如下。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1f a n 模型 在已知风扇几何特征和流动特征的条件下，风扇的这些特征可以被参数化，用 于计算风扇对流场的影响。在风扇边界条件中可以输入一条确定风扇前后压力头与 速度关系的经验曲线。同时可以确定的量还包括风扇旋转速度的径向与周向速度分 量。风扇模型不是绕风扇流动的精确模型，但是它可以计算流过风扇的流量。风扇 可以与其他类型的源项共同使用，也可以作为唯一的源项使用。在作为唯一源项时， 系统流量的计算是在考虑系统损失和前面提到的风扇曲线的前提下完成的。 计算中风扇被看成无限薄的面，在三维问题中风扇边界为一个三角或四边形单 一 兀o ( 1 ) 压强跃升 压强在经过这个面时出现跃升，它是速度的函数，其关系式可能是常数、多项 式、分段线形函数或者分段多项式函数，也可以是自定义函数。对于多项式情况， 关系式为： ， 卸= 六v ”1 ( 2 - 1 ) 式中 卸一压力跃升，p a ；五一多项式系数；v 垂直于风扇的当地流体速度。 在这个关系式中，速度v 的值应该保持为正值，因为这代表流体是向前流过风 扇，所以才会产生压力跃升。另一个确定压力跃升的方法是用垂直于风扇的质量平 均速度作为计算压强跃升的速度，算出风扇区域的压强跃升。 ( 2 ) 旋转速度 在三维问题中，可以在风扇表面定义径向和周向对流速度以模拟旋转流动。速 度分量可以作为径向距离的函数进行定义。多项式定义径向和周向速度函数形式如 下： 一1 6 j ， u = 晶，“， 一1 6 n = 一l ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中 、u 风扇表面的周向和径向速度；五、邑多项式系数；，一径向距 离。 8 ” 无 州 = 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 辐射模型的选择 在f l u e n t 中，可以用5 种模型计算辐射换热问题。这5 种模型是离散换热辐射模 型( d t r m ) 、p 1 辐射模型、r o s s e l a n d 辐射模型、表面辐射( s 2 s ) 模型和离散坐标( d o ) 辐射模型。可以计算的问题包括火焰辐射，表面辐射加热或冷却，辐射、对流和热 传导的耦合换热问题，空调、通风设备中通过窗口的辐射换热，汽车车厢内的热交 换分析，玻璃加工、玻璃纤维拉丝和陶瓷加工过程中的辐射换热等等。 2 2 2 1 辐射传热方程 对于具有吸收、发射、散射性质的介质，在位置尹、沿方向i 的辐射传播方程( r t e ) 为： 掣+ ( 口+ 吒) 小，；) 一2 等+ 老聃酗悱) d q ( 2 - 4 ) 式中尹一未知向量；方向向量；一散射方向；s 沿程长度( 行程长度) ：口一 吸收系数；q 一散射系数；口斯蒂芬一玻尔兹曼常数( 5 6 7 2 x l o 一8 m 2 一k 4 ) ；i 辐 射强度，依赖于位置( 芦) 与方向( i ) ；t 一当地温度；一相位函数；q 一空间立体 角；( 口+ 仃) s 一光学模糊度。 2 2 2 2 选择辐射模型 对于某些问题，某个辐射模型可能比其它模型更适用。在确定使用何种辐射模 型时，需要考虑的因素如下： ( 1 ) 光学厚度 可以用光学厚度( o p t i c a l t h i c l 【n e s s ) a l 作为选择辐射模型的一个指标，l 为流场的 特征长度尺度。在q l 远远大于1 时，最好选用p 1 和r o s s e l a n d 辐射模型进行计算。p 1 模型一般用于光学厚度大于1 的情况。在光学厚度大于3 时，则应该选用计算量更小 而且效率更高的r o s s e l a n d 模型。d t r m 和d o 模型对于任何光学厚度都适用，但是它 们的计算量较大，因此计算中应尽可能选择p 1 或r o s s e l a n d 辐射模型。对于光学厚 度比较小的问题( 0 【l 小于1 ) ，则只能用d t r m 和d o 模型进行计算。 ( 2 ) 散射与发射率 p - l 、r o s s e l a n d 和d o 模型均可以计算散射问题，而d t r m 模型则忽略了散射的 影响。r o s s e l a n d 模型在壁面上使用了温度滑移边界条件，因此它对壁面的发射率不 敏感。 ( 3 ) 颗粒效应 只能用p l 和d o 模型计算气体与颗粒之间的辐射换热。 9 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 半透明介质与镜面边界 只有d o 模型可以计算镜面反射和半透明介质内的辐射。 ( 5 ) 非灰体辐射 只有d o 模型可以通过灰带模型计算非灰体辐射。 ( 6 ) 局部热源 在带有局部热源的问题中，d o 模型是这种问题最合适的计算方法。如果采用足 够多的射线，也可以用d t r m 模型进行计算。用p 1 模型计算的辐射热通量则可能高 于正常值。 ( 7 ) 封闭腔体内没有辐射介质时的辐射传热 表面辐射( s 2 s ) 模型适用于这种问题的计算。 ( 8 ) 外部辐射 如果辐射源在计算域外面的话，可以在边界条件中定义外部辐射边界条件。如 果计算域内没有辐射源，则无需在计算中设定任何辐射模型，只要设置好外部辐射 边界条件就可以进行计算了。 d o 模型是适用范围最大的模型，它可以计算所有光学厚度的辐射问题，并且计 算范围涵盖了从表面辐射、半透明介质辐射到燃烧问题中出现的介入辐射在内的各 种辐射问题。d o 模型采用灰带模型进行计算，因此既可以计算灰体辐射，也可以计 算非灰体辐射。如果网格划分不过分精细的话，计算中所占用的系统资源也不大， 因此成为辐射计算中被经常使用的一个模型。本文选用d o 模型。 离散坐标模型求解的是从有限个立体角发出的辐射传播方程( r t e ) ，每个立体角 对应着坐标系( 笛卡儿) 下的固定方向；。立体角的离散精度由用户确定，有点类似于 d t r m 模型中的射线数目。但与其不同的是，d o 模型并不进行射线跟踪，相反，d o 模型把方程( 2 1 ) 转化为空间坐标系下的辐射强度的输运方程。有多少个( 立体角) 方 向；，就求解多少( 辐射强度) 输运方程。方程的求解方法与流体流动以及能量方程的 求解方法相同。 2 2 2 3d o 模型方程 d o 模型把沿歹方向传播的辐射方程( r t e ) 视为某个场方程。这样，是( 2 4 ) 简化为： v ( 巾，i ) ；) + ( 口+ 吩) 印，i ) 2 等+ 卺肌秘) ( 秘户d ( 2 5 ) f l u e n t 允许用户使用灰带模型来模拟非灰体辐射。对于光谱辐射强度， 1 0 华北电力大学硕士学位论文 l ( 尹，i ) 其辐射传播方程为： v ( ( 尹，i ) ；) + ( + 吩) l ( 尹，了) = 吼以2 乇+ 卺r 膏l ( 尹，j ) ( i ，亨p q ( 2 - 6 ) 式中 名辐射波长；一光谱吸收系数；k 由p l a n c k 定律确定的黑体辐射 强度。 散射系数、散射相位函数、以及折射系数均假设与波长无关。 对于灰体辐射，壁面的入射辐射热流g 。为： 口。= l ；i 如耐q 离开壁面的净辐射热流g 础为： = ( 1 一毛) 靠+ 刀2 盯 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中n 一紧靠壁面介质的折射率。 对于所有离开壁面的方向；，壁面的辐射强度为： 厶：堑 ( 2 9 ) 石 2 2 3 多孔介质模型 很多问题中包含多孔介质的计算，比如流场中包括过滤纸、分流器、多孔板和 管道集阵等作为边界时就需要使用多孔介质条件。在计算中可以定义某个区域或边 界为多孔介质，并通过参数输入定义通过多孔介质后流体的压力降。在热平衡假设 下，也可以确定多孔介质的热交换过程。 在薄的多孔介质面上，可以用一维假设“多孔跳跃( p o r o u sj u l n p ) 定义速度和 压强的降落特征。多孔跳跃模型用于面区域，而不是单元区域，在计算中应该尽量 使用这个模型，因为这个模型可以增强计算的稳定性和收敛性。 2 2 3 1 多空介质的动量方程 在动量方程中增加一个动量源项可以模拟多孔介质的作用。源项由两部分组成： 一个粘性损失项，即方程( 2 1 0 ) 右端第一项；和一个惯性损失项，即方程( 2 - 1 0 ) 右端 第二项。 华北电力大学硕士学位论文 墨= 一( 喜岛吩+ 喜c ；三p 昭。 墨= 一l 岛吩+ q 吉p 昭oi 产i产l ( 2 1 0 ) 式中 墨一第i 个( x 、y 或z 方向) 动量方程中的源项；d 、c 给定矩阵。 负的源项又被称为“汇 动量汇对多孔介质单元动量梯度的贡献，在单元上 产生一个正比于流体速度( 或速度平方) 的压力降。 在简单、均匀的多孔介质上，还可以使用下面的数学模型： 墨= 一( 詈屹+ e 三p 昭嵋) ( 2 - 1 1 ) 式中口一代表多孔介质的渗透性；c 2 一惯性阻力因子，将d 和c 分别定义为由l 屈 和g 为对角单元的对角矩阵。 f l u e n t 中还可以用速度的指数律作为源项的模型，即 墨= 一c o 忏= 一c o 州叫屹 月n 式中乙o 、l - 为用户自定义的经验常数。 2 2 3 2 多孔介质的d a r c y 定律 ( 2 - 1 2 ) 在流过多孔介质的层流中，压力降正比于速度，常数g 可以设为零。忽略对流 加速和扩散项，多孔介质就简化为d a r c y 定律： 即：一丝矿 口 f l u e n t 在x ，y ，z 三个坐标方向计算出的压力降为： ( 2 - 1 3 ) 蛾= 喜专_ 瓴、蚬= 窑考匕蚬、衄= 喜考匕觇 。 c 2 州， 式中l 嘞方程( 8 4 5 ) 中的d ，_ 是x 、y 、z 三个坐标方向的速度分量；觇、瓴、 幽：多孔介质在x 、y 、z 三个坐标方向的真实厚度。 如果计算中使用的厚度值不等于真实厚度值，则需要对l 嘞做出调整。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 3 多孔中的惯性损失 在流速很高时，方程( 8 4 5 ) 中的常数c 2 可以对惯性损失做出修正。c 2 可以被看 作流动方向上单位长度的损失系数，这样就可以将压力降定义为动压头的函数。如 果计算的是多孔板或管道阵列，在一些情况下可以略去渗透项，而只保留惯性损失 项，并产生下面简化形式的多孔介质方程： 跏= 一和( 扣) 或者写成分量形式： 耽骞觚圭p 巧、喜吨 ( 2 - 1 5 ) 、跑骞c 2 可咄圭p 吩昭 ( 2 1 6 ) 2 2 3 4 多孔介质能量方程的处理 多孔介质对能量方程的影响体现在对对流项和时间导数项的修正上。在多孔介 质对对流项的计算中采用了有效对流函数，在时间导数项中则计入了固体区域对多 孔介质的热惯性效应： 昙( 磅弓+ ( 1 卅只e ) + v 口( 矿( 乃弓+ p ) ) = v 牛v 丁一( 军囊以卜叼卜 ( 2 - 1 7 ) 式中 髟一流体总能；e 一固体介质总能；厂介质的多孔性；一介质的有效 热导率；影流体焓的源项。 f l u e n t 中使用的有效导热率是流体导热率和固体导热率的体积平均值， 即 亏= 7 t + ( 1 一厂) t 式中 义。 ，一介质的多孔率；0 流体的热导率；屯固体的热导率。 ( 2 - 1 8 ) 0 和气可以用自定义的函数计算。各向异性的热导率也可以用自定义函数定 1 3 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 5 粘性和惯性阻力系数 下面用v 狮w i n k l e 方程计算带方孔的多孔板上压强的损失。方程的提出者认为 该方程适用于呈三角形分布的等距方孔板的湍流计算，即 廊= q 再顽雨砑 ( 2 - 1 9 ) 式中疏通过板的质量流量；4 一孔的总面积；4 板的总面积( 固体与孔的和) ； d t 一孔直径与板厚之比；c 一随雷诺数和d t 变化的系数，其值可以通过查表获得。 在t d 1 6 ，且r e 4 0 0 0 时，c 近似等于o 9 8 ，其中雷诺数是用孔的直径做特 征长，孔中流体的速度做特征速度求出的。 将方程廊2p y 以代入( 2 1 9 ) ，并除以板厚x ：t ，可得： 尝：( 驯吉毕 式中y 一名义速度。 与方程( 2 1 5 ) 对比可以发现： g ：吉唑出 1 4 ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 华北电力人学硕十学位论文 第三章冷库速度场实验与模拟分析 3 1 冷库速度场实验研究 3 1 1 实验目的与方法 3 1 1 1 实验目的 ( 1 ) 分析影响冷库库内速度场的因素； ( 2 ) 在冷库内进行速度场实验研究； ( 3 ) 建立冷库的物理模型，利用c f d 技术对冷库内速度场进行数值模拟； ( 4 ) 对比分析实验数据与模拟结果，验证模拟结果，进行分析比较。 3 1 2 实验方法 本文在对小型冷库速度场进行实验时，采用定点直接测量的方法，即在冷库内 拉线定点，用多功能通风表进行测量，如图3 1 所示。 3 1 2 速度场实验研究与分析 3 1 2 1 影响冷库速度场因素【1 和1 6 j 调查研究表明小型装配式冷库库内流场对其内物品冷冻保鲜有决定性影响。库 内流场主要为空气的温度场、速度场以及湿度场。而速度场又对其他场起决定性作 用【1 7 1 9 1 6 国内对冷库内的气流组织研究较少，并且大多数集中在二维稳态和空库内气流 组织研究，而且对冷库库内流场的研究都未曾考虑过冷风机旋转气流对其库内温度 场的影响情况【2 0 1 。为了揭示冷风机旋转气流对库内气流分布特性的影响，建立了风 机及冷库的物理模型和数学模型，综合考虑冷风机旋转气流以及货物摆放的情况下 进行了数值模拟研究。对比实验数据与模拟结果，分析冷风机旋转气流对速度场的 影响情况以及库内速度场分布情况。 由上述分析可知，影响冷库内气流组织的主要因素取决于冷风机的旋转气流与 冷风机位置以及冷库的送风方式。通过改变冷风机的旋转速度和位置以及冷库的送 风方式可以改变冷库内弱冷冻区的位置，从而改善冷冻效果。 除了以上所说因素之外，冷库内冷冻物的摆放也对其速度场有一定的影响。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 3 1 2 2 冷库速度场实验 本文利用“多功能通风表8 3 8 6 m g b 对冷库库内速度场进行实验测量。测点 ( ，- ) 取定在冷风机每个风扇中心截面( y z 面) 上，测点分布如图3 1 所示，左侧和下边 的数据显示为3 3 个测点相对中心位置的距离以便确定测点位置。冷风机风扇标号 由x 轴负方向到正方向依次为触1 ( x = - 4 6 c m ) 、f a n 2 ( x = o c m ) 、f 觚3 ( x = 4 6 c m ) 。 1 1 5 8 52 72 61 31 2 风 ， 机 6 3 7 52 8z 5、1 41 1 i 仙l ，、 4 2 5 2 9 72 47 、1 51 01 ，、，、，、，、， 2 1 2 53 0 72 37 、1 6 7 9 72 ， ， ，、 三 。3 12 2、1 7b3 一2 7 7 53 22 l、1 8 77 5 553 32 0 7、1 97b 5 图3 1 速度场测点分布 一1 6 5 对n m - l ( x = 二4 6 c m ) 、最m 2 ( x = 0 c m ) 、蠡m 3 ( x = 4 6 c m ) 分别进行三次实验测量，对其 取平均值数据记录如下表3 1 ： 表3 一l 速度测点数据记录表 测点胁l 吣) 矗m 一2 v ( n 出) 矗m 一3 v ( n 以) 1o 3 70 3 8o 4 0 5 20 2 7 7 50 4 90 3 9 7 5 3 0 6 3 2 51 2 4o 8 6 2 5 41 6 2 7 51 6 1 6 6 6 71 5 0 5 52 2 9 52 7 2 3 3 3 31 9 7 7 5 6 2 6 4 8 7 53 1 5 2 9 4 71 6 6 7 5 2 。7 6 3 3 3 3 1 8 6 7 5 8o 3 3 52 18 6 6 6 7o 8 7 2 5 1 6 华北电力大学硕士学位论文 9o 4 5 2 51 3 5 6 6 6 70 7 3 7 5 1 00 9 90 5 9 3 3 3 3o 7 8 5 1 12 8 1 7 51 0 6 6 6 6 71 7 2 2 5 1 23 8 0 2 52 3 7 6 6 6 73 2 2 2 5 1 33 5 7 7 53 2 7 3 3 3 32 8 9 5 1 44 0 6 54 3 1 6 6 6 75 5 1 2 5 1 50 7 80 7 31 0 2 1 60 6 9 2 52 5 7 6 6 6 70 8 8 2 5 1 70 2 0 2 5o 9 5 3 3 3 3o 7 3 5 1 81 1 7 7 51 8 8 3 3 3 31 6 2 7 5 1 93 0 6 2 52 9 4 6 6 6 72 9 0 7 5 2 02 钙1 7 32 2 l 2 1 1 8 6 2 5 1 0 8 6 6 6 71 0 7 5 2 2 0 6 5 50 4 2 3 3 3 3o 6 2 5 2 3o 5 9 51 5 7 3 3 3 31 1 3 2 5 2 4 2 5 93 9 5 3 3 3 33 4 9 2 5 2 53 5 1 7 53 7 4 3 3 3 32 5 6 2 2 6 3 0 9 53 8 4 6 6 6 72 8 2 2 5 2 71 3 6 52 8 9 6 6 6 71 5 9 7 5 2 81 4 3 7 5 1 7 3 1 3 7 5 2 91 3 51 5 60 8 5 3 0o 7 7 7 5 1 4 4 3 3 3 30 7 3 5 3 10 6 5 2 5 1 0 7 6 6 6 7 o 6 7 7 5 3 20 5 2 0 4 6 3 3 3 30 6 3 31 0 8 7 5 o 7 7 1 4 3 7 5 图3 2 、3 3 、3 4 分别为f j m 1 ( x = 4 6 c m ) 、m 2 ( x _ o c m ) 、f a n 3 ( x = 4 6 c m ) 速度场 示意图，其上所标注的数据为表3 1 的实验数据平均值。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 ， y 115 8 5 13 6 5 730 9 573 3 5738 0 己5 风 6 3 7 5 14 3 7 5 735 1 7 570 6 57己8 1 7 5 机 4 2 5 1 3 5己5 9 7d7 8 7日9 97d3 7 、 2 1 2 5 b7 7 7 5 7日5 9 57d6 9 2 5 7d4 5 2 57刁2 7 7 5 o b6 5 己5 7u 6 5 5 7b 2 0 2 57b 3 3 57b6 3 己5 一2 7 7 5 5 2 718 6 己571 1 7 7 571 6 6 7 571 6 2 7 5 5 5 5 10 8 7 5 7己4 3730 6 2 57芒6 4 8 7 57芒2 9 5 图3 2f a n 一1 速度场示意图 ， y 1l5 8 5 己8 9 6 6 6 7 73 8 4 6 6 6 7 732 7 3 3 3 37己3 7 6 6 6 7 、风 6 3 7 5 17 3 7 3 7 4 3 3 3 3 3 1 6 6 6 7 710 6 6 6 6 7 机 、 42 5 l5 6 73 9 5 3 3 3 3 。 u7 3 7d 5 9 3 3 3 37口3 8 ，、 2 12 5 1 4 4 3 3 3 3 71 5 7 3 3 3 37己5 7 6 6 6 771 3 s 6 6 6 77d 4 9 ， o 1 0 7 6 6 6 7 7口4 己3 3 3 37口9 5 3 3 3 37己1 8 6 6 6 771 己4 ， 一2 7 7 5 b 4 6 3 3 3 3 71 0 8