徐勤超，李善軍，陳 紅，潘海兵

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/農(nóng)業(yè)部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070)

柑橘的貯藏主要有窖藏、通風(fēng)庫貯藏、冷藏等方式[1]。地窖貯藏簡便易行、成本低廉，適合果農(nóng)分散貯藏。機(jī)械冷庫通過調(diào)節(jié)庫內(nèi)的溫度、濕度以及進(jìn)行通風(fēng)換氣，可顯著延長柑橘的貯藏期，但是冷庫無法利用自然冷源，運(yùn)行成本高。通風(fēng)貯藏庫作為一種低成本的柑橘貯藏建筑，在冬春季節(jié)，貯藏效果良好，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于贛南地區(qū)和湖北宜昌地區(qū)。

通風(fēng)貯藏庫主要依靠庫外風(fēng)力形成的風(fēng)壓和庫內(nèi)外空氣溫度差形成的熱壓促使庫外冷空氣流入、庫內(nèi)熱空氣排出，從而達(dá)到通風(fēng)降溫的目的。由于風(fēng)壓通風(fēng)受地形、附近建筑物及樹木等障礙物的影響，而且?guī)焱庾匀伙L(fēng)向與風(fēng)速具有不斷變化的特點(diǎn)，因此，風(fēng)壓對自然通風(fēng)效果的影響是不穩(wěn)定的。在工程實(shí)踐中，對于主要依靠熱壓通風(fēng)的建筑，設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮熱壓的作用，對風(fēng)壓的影響僅進(jìn)行定性分析；而對于主要依靠風(fēng)壓通風(fēng)的建筑，為保證通風(fēng)效果，室外風(fēng)速根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料的較低值進(jìn)行計(jì)算[2]。

目前，針對柑橘通風(fēng)貯藏庫的研究，主要集中在庫內(nèi)環(huán)境對柑橘品質(zhì)變化的影響方面，而針對柑橘通風(fēng)貯藏庫通風(fēng)機(jī)理的研究還較少[3-11]。為了改善柑橘通風(fēng)貯藏庫的通風(fēng)性能，就必須對庫內(nèi)的氣流量的大小、氣流速度分布、溫度分布等情況有很好的了解。本文在瞬態(tài)熱壓自然通風(fēng)理論的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算流體力學(xué)方法，對柑橘通風(fēng)貯藏庫瞬態(tài)熱壓自然通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出瞬態(tài)熱壓自然通風(fēng)氣流特性的規(guī)律，對于弄清熱壓通風(fēng)在貯藏庫通風(fēng)降溫中所起的作用，提升柑橘貯藏庫自然通風(fēng)的效果，改進(jìn)柑橘通風(fēng)庫的設(shè)計(jì)和使用具有重要的意義。

1 物理模型

圖2 柑橘擺放方式Fig.2 The arrangement style of citrus

本文以湖北宜昌地區(qū)典型的柑橘通風(fēng)單體建筑為原型，其基本尺寸長12 m，寬8 m，屋檐高4 m，屋脊高6 m。進(jìn)、排風(fēng)口分布在南北兩個(gè)墻面上，每面墻分別設(shè)計(jì)4個(gè)進(jìn)風(fēng)口，4個(gè)排風(fēng)口，進(jìn)、排風(fēng)口橫向間距為1.2 m；進(jìn)風(fēng)口底邊距地面高度0.3 m，大小為0.4 m×1.5 m；出風(fēng)口頂邊距屋檐距離0.3 m，大小為0.8 m×1.5 m，如圖1。庫內(nèi)柑橘采取橫列的擺放方式，如圖2。對于熱壓作用下的通風(fēng)庫的自然通風(fēng)，由于進(jìn)、排風(fēng)口的風(fēng)速和風(fēng)向無法預(yù)定，將計(jì)算區(qū)域向外延伸。一般當(dāng)研究對象放置在室外區(qū)域中模擬時(shí)，室外空間應(yīng)為研究對象的3～5倍[12-13]，本文取庫外邊界區(qū)域?yàn)檠芯繉ο蟮?倍?？紤]到計(jì)算量較大，取計(jì)算區(qū)域的一半計(jì)算，另外一半作對稱處理。

采用ICEM CFD對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為三維四面體網(wǎng)格。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，將進(jìn)、排風(fēng)口、柑橘堆放區(qū)等部位進(jìn)行局部加密，而且?guī)靸?nèi)空間的網(wǎng)格劃分間隔小于庫外空間的網(wǎng)格劃分間隔，總網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為197 561，計(jì)算網(wǎng)格模型如圖3。

2 數(shù)學(xué)模型

為了方便計(jì)算，對模型進(jìn)行如下假設(shè)：

(1)假定空氣為連續(xù)，不可壓縮的理想流體；(2)貯藏庫墻壁是絕熱的，不考慮與外界傳熱的影響；(3)假定氣體符合Boussinesq假設(shè)[14]。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格模型Fig.3 Computational domain mesh model

作為判斷流體運(yùn)動的類型，主要取決于流動過程中的雷諾系數(shù)是否超過臨界的雷諾系數(shù)值，當(dāng)Re≤2 300時(shí)，流動為層流；當(dāng)Re≥8 000～12 000時(shí)，流動為湍流，當(dāng)2 300

貯藏庫內(nèi)的流場應(yīng)滿足連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程，對于流體的流動采用湍流模型中應(yīng)用最廣泛的k-ε模型，采用標(biāo)準(zhǔn)近壁面處理函數(shù)作為湍流模型近壁處理函數(shù)，k-ε模型中的系數(shù)設(shè)置見表1。由于是瞬態(tài)的流動，控制方程通用的表示形式為：

(1)

式中:ρ為密度，kg/m3；u為速度矢量，m/s；t為時(shí)間，s；φ為廣義變量；Γ為相應(yīng)于φ的廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。

表1 k-ε模型中采用的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

對于對流換熱問題，在滿足穩(wěn)定性條件的范圍內(nèi)， QUICK 格式具有較高的準(zhǔn)確性，可以有效的減少假擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生，而且在物理平面的坐標(biāo)系中，具有較好的準(zhǔn)確度。因此本文模擬選用 QUICK 格式做為控制方程離散方程的離散格式。熱壓自然通風(fēng)主要是依靠浮升力的作用的一種通風(fēng)方式，在流體計(jì)算中Boussinesq模型是計(jì)算浮升力的一種有效手段，因此在設(shè)置流體材料時(shí)選擇伯松尼克假設(shè)進(jìn)行計(jì)算。Boussinesq 模型的表達(dá)式如下[9]：

(ρ-ρ0)g?-ρ0β(T-T0)g

(2)

(3)

式中:ρ為密度，kg/m3；ρ0為參考空氣的密度，取1個(gè)大氣壓，溫度為25 ℃時(shí)對應(yīng)的空氣密度1.18 kg/m3[10]；T為空氣絕對溫度，K；T0為參考空氣的絕對溫度，K；β是空氣的熱膨脹系數(shù)，25 ℃時(shí)空氣的熱膨脹系數(shù)為0.003 35 K-1。

3 邊界條件及求解

本文的模擬是將通風(fēng)貯藏庫置于一個(gè)大的室外空間中展開的，庫體進(jìn)、排氣口設(shè)置為內(nèi)部的邊界條件；庫體墻面設(shè)置為絕熱邊界條件；柑橘采收后在產(chǎn)地一般會經(jīng)過預(yù)貯，以消除田間熱，一般情況下都是平鋪或者原框置于庫內(nèi)，框高也比較低，故可簡化為平面熱源。根據(jù)柑橘貯藏的呼吸強(qiáng)度及貯存量估算，設(shè)置果堆區(qū)域?yàn)槎崃鬟吔鐥l件12 w/m2[16]；庫外計(jì)算區(qū)域邊界默認(rèn)為固壁邊界，庫體和計(jì)算區(qū)域的對稱面設(shè)置為對稱邊界條件。初始條件設(shè)置為：庫內(nèi)初始溫度為15 ℃，庫外初始溫度為5 ℃。

4 結(jié)果及分析

4.1 瞬態(tài)的熱壓通風(fēng)量

對典型柑橘通風(fēng)貯藏庫瞬態(tài)熱壓自然通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到通風(fēng)庫單墻面上進(jìn)氣口的通風(fēng)量隨時(shí)間變化關(guān)系如圖4。初始時(shí)刻單墻面上進(jìn)氣口的通風(fēng)量為1.75 m3/s，則全庫的進(jìn)氣口通風(fēng)量為3.5 m3/s，隨著通風(fēng)過程的進(jìn)行，庫內(nèi)余熱逐漸排出，室內(nèi)溫度逐漸降低，室內(nèi)外壓差也逐漸降低，瞬時(shí)通風(fēng)量逐漸減小。在300 s時(shí)，庫內(nèi)產(chǎn)熱量和排熱量基本達(dá)到穩(wěn)定，通風(fēng)量也基本達(dá)到穩(wěn)定，單墻面上進(jìn)氣口的通風(fēng)量為0.48 m3/s，然后進(jìn)氣口的通風(fēng)量基本穩(wěn)定，一直持續(xù)到仿真結(jié)束時(shí)刻。參考文獻(xiàn)[2]對熱壓通風(fēng)量的計(jì)算公式，取初始時(shí)刻的狀態(tài)條件，進(jìn)、排風(fēng)口流量系數(shù)為豎軸板式進(jìn)風(fēng)窗對開窗情況，取值0.65[17]，計(jì)算進(jìn)風(fēng)口的通風(fēng)量為3.85 m3/s，兩種方法計(jì)算結(jié)果相差約9%，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

圖4 通風(fēng)庫單面墻進(jìn)氣口的通風(fēng)量隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.4 Variation law of inlet ventilation flux in single wall of the ventilation storage

4.2 瞬態(tài)的氣流速度分布

根據(jù)模擬，得到庫內(nèi)氣流速度分布云圖。圖5～8是不同時(shí)刻，整個(gè)計(jì)算區(qū)域中間縱截面的速度分布云圖?？梢钥闯?，庫內(nèi)進(jìn)口處和庫外出口處兩個(gè)區(qū)域氣流速度較大，這是由于室外冷空氣從庫底進(jìn)氣口進(jìn)入庫內(nèi)，室內(nèi)熱空氣從屋檐下方的排氣口排出庫外形成的氣流，這兩個(gè)區(qū)域氣流速度比較大，且隨著通風(fēng)過程的進(jìn)行，這兩個(gè)氣流區(qū)域的流速是逐漸變小的。從庫內(nèi)氣流分布看，進(jìn)氣口附近氣流速度比較大，且氣流沿庫底部流到對稱面然后上升，進(jìn)氣口、排氣口中間部分靠近墻壁的空間氣體流動較少，在庫頂部分空氣流動也很少。

圖5 10 s時(shí)計(jì)算區(qū)域中間縱截面的速度分布Fig.5 The velocity distribution of the middle longitudinal section at 10 s

圖6 100 s時(shí)計(jì)算區(qū)域中間縱截面的速度分布Fig.6 The velocity distribution of the middle longitudinal section at 100 s

圖7 200 s時(shí)計(jì)算區(qū)域中間縱截面的速度分布Fig.7 The velocity distribution of the middle longitudinal section at 200 s

圖8 300 s時(shí)計(jì)算區(qū)域中間縱截面的速度分布Fig.8 The velocity distribution of the middle longitudinal section at 300 s

4.3 瞬態(tài)的庫內(nèi)溫度分布

圖9～14是不同時(shí)刻庫內(nèi)溫度分布云圖。由圖可知，初始時(shí)刻庫內(nèi)溫度為15 ℃且分布均勻，通風(fēng)開始后，由于熱壓的作用，庫外5 ℃的冷空氣從進(jìn)氣口流入庫內(nèi)，并在庫底部流動到對稱面，流動的過程中，冷空氣被加熱上升。隨著通風(fēng)過程的進(jìn)行，室內(nèi)溫度分布存在分層現(xiàn)象，下部低溫區(qū)溫度由于空氣的流動混勻，存在一定的溫度梯度，而上部高溫區(qū)，溫度變化較小。庫內(nèi)下部靠近地面和對稱中心面部分由于氣流的作用比較強(qiáng)，溫度降低快。隨著通風(fēng)時(shí)間的增加到300 s時(shí)，排氣孔高度以下部分溫度降低到6.5 ℃左右，并基本穩(wěn)定，而排氣孔高度以上部分，由于氣流作用小，熱量沒辦法帶走，所以溫度基本穩(wěn)定在15 ℃左右，降溫效果比較差。

圖9 10 s時(shí)的庫內(nèi)溫度場分布Fig.9 Temperature distribution in storage at 10 s

圖10 50 s時(shí)庫內(nèi)的溫度場分布Fig.10 Temperature distribution in storage at 50 s

圖11 100 s時(shí)庫內(nèi)的溫度場分布Fig.11 Temperature distribution in storage at 100 s

圖12 200 s時(shí)庫內(nèi)的溫度場分布Fig.12 Temperature distribution in storage at 200 s

圖13 300 s時(shí)庫內(nèi)的溫度場分布Fig.13 Temperature distribution in storage at 300 s

圖14 400 s時(shí)庫內(nèi)的溫度場分布Fig.14 Temperature distribution in storage at 400 s

5 結(jié)論

本文以湖北宜昌地區(qū)典型的柑橘通風(fēng)貯藏庫單體建筑為研究對象，對柑橘通風(fēng)貯藏庫瞬態(tài)熱壓自然通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對氣流的氣流量的大小、氣流速度分布、溫度分布等情況進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)通風(fēng)量的工程計(jì)算數(shù)值和CFD數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了仿真模型正確性。

(2)通過對通風(fēng)量的大小進(jìn)行分析可知，進(jìn)、排氣口面積滿足柑橘通風(fēng)貯藏庫熱壓通風(fēng)排熱要求，但是從溫度分布來看，庫頂部分由于氣流流動較小，熱量聚集沒法排出，建議在庫頂安裝風(fēng)囪裝置，增加庫頂部分的通風(fēng)效果。

(3)通過對庫內(nèi)氣流分析可知，進(jìn)氣口、排氣口中間部分靠近墻壁的空間氣體流動較少，可以通過改變進(jìn)、排氣口的比例及位置來實(shí)現(xiàn)對庫內(nèi)流場的優(yōu)化。