張洪一　曹亞超　崔海亭

摘 要：為使立體冷庫溫度場更加均勻，研究立體庫氣流組織不同工況下的變化規(guī)律。利用FLUENT軟件分別對冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)速度在3.7～15.7 m/s、送風(fēng)溫度在240～248 K以及6種擺放位置下立體庫內(nèi)氣流流動與傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并據(jù)此探析立體庫氣流組織特征分布及冷卻性能指標(biāo)。結(jié)果表明，風(fēng)速對立體冷庫性能影響顯著，預(yù)冷時間隨風(fēng)速增加呈指數(shù)減小，溫度場分布更均勻，但在冷藏階段風(fēng)速過大會造成氣流擾動，溫度場均勻性降低且能耗驟升；送風(fēng)溫度變化對氣流組織分布無顯著影響，與冷卻速率呈反比關(guān)系，增幅基本一致；風(fēng)機(jī)擺放采用主流背向式，氣流干擾小且溫度場降溫均勻。立體冷庫風(fēng)機(jī)風(fēng)速優(yōu)選12.7 m/s，風(fēng)溫高于冷藏溫度2 K，可保證降溫速率與降溫均勻特性，擺放形式優(yōu)先采用主流背向式，溫度場波動范圍為-1～1 K，縮短了冷庫在無裝載情況下的開機(jī)預(yù)冷時間。研究結(jié)果有利于提高冷庫冷卻性能和貨物冷藏品質(zhì)，可為立體冷庫內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)方案提供參考。

關(guān)鍵詞：工程熱物理；立體冷庫；氣流組織；送風(fēng)參數(shù)；風(fēng)機(jī)擺放；數(shù)值模擬

中圖分類號：TB657.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx03001

Numerical simulation of the effect of fan parameters on the airflow

organization of a stereoscopic cold storage

ZHANG Hongyi， CAO Yachao， CUI Haiting

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：In order to make the temperature field of the stereoscopic cold storage more uniform， the change law of the airflow organization of the stereoscopic cold storage under different working conditions was studied. The airflow and heat transfer processes in the stereoscopic cold storage were numerically simulated by using FLUENT software with the air velocity of 3.7～15.7 m/s， the air temperature of 240～248 K and six placement positions， and the distribution of airflow organization characteristic and cooling performance index of the stereoscopic cold storage were explored accordingly. The results show that the wind speed has a significant impact on the performance of the stereoscopic cold storage. The pre-cooling time is exponentially reduced with the increase in wind speed， the temperature field distribution is more uniform， but in the cold storage stage， excessive wind speed will cause airflow disturbance， reduce the temperature field uniformity and sharply increase energy consumption; Air supply temperature changes have no significant impact on the distribution of airflow organization， and is inversely proportional to the cooling rate， with a basically consistent increase; The fan is placed in a mainstream back-to-back style， with minimal airflow interference and uniform temperature field cooling. The optimal wind speed of the fan in the stereoscopic cold storage is 12.7 m/s， and the air temperature is 2 K higher than the refrigeration temperature， which can ensure the cooling rate and uniform cooling characteristics. The optimal installation method is mainstream back facing style， and the temperature field fluctuation does not exceed ± 1 K， reducing the pre-cooling time of this type of cold storage when starting without loading. The research results provide a reference for the design scheme of airflow organization in the stereoscopic cold storage， which is conducive to improving the cooling performance of cold storage and the cold storage quality of goods.

Keywords：engineering thermophysics；stereoscopic cold storage；airflow organization；air supply parameters；fan placement；numerical simulation

隨著冷鏈行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，冷庫從以前相對簡單標(biāo)準(zhǔn)的冷藏模式轉(zhuǎn)向應(yīng)用場景多元化、冷庫運(yùn)營模式多元化發(fā)展[1-3]。相比中國常見的層高5～6 m的傳統(tǒng)型冷庫，新興的自動化立體冷庫建設(shè)高度均超過20 m。傳統(tǒng)冷庫在實(shí)際應(yīng)用過程中自身空間利用率不高，如無隔架層、直接碼貨，則利用率更低，而立體冷庫可使單位面積冷藏量最大化，封閉式結(jié)構(gòu)能對跑冷現(xiàn)象有效控制，其特有的優(yōu)勢使立體冷庫成為未來發(fā)展的主流[4-5]。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者主要對傳統(tǒng)冷庫氣流組織進(jìn)行研究，如冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)速度[6-8]、冷風(fēng)機(jī)的擺放位置[9-10]、冷庫內(nèi)貨物的擺放形式等[11-13]。管佳佳等[5]對立體冷庫的送風(fēng)量進(jìn)行了優(yōu)化，周丹[14]對立體冷庫下的吹風(fēng)方式進(jìn)行了探究。目前文獻(xiàn)中對立體冷庫冷風(fēng)機(jī)冷卻下的氣流組織研究較少。立體冷庫中往往需要裝多個冷風(fēng)機(jī)，出風(fēng)氣流相互干涉，庫內(nèi)流場和溫度場更加復(fù)雜，內(nèi)部氣流組織的合理分布對儲藏貨物的品質(zhì)有重要影響。

本文以天津某立體冷庫為研究對象，研究冷風(fēng)機(jī)不同送風(fēng)參數(shù)和風(fēng)機(jī)擺放形式對立體冷庫氣流組織的影響，探究庫內(nèi)氣流組織的分布規(guī)律，提高冷庫預(yù)冷過程中的降溫速率，降低風(fēng)機(jī)能耗。

1.1 物理模型

本文以天津某立體冷庫為研究對象，因其冷藏貨物為帶有包裝的生肉產(chǎn)品，冷藏溫度為-25 ℃，故研究中不考慮風(fēng)速和庫內(nèi)濕度變化導(dǎo)致的物品干耗。其三維模型如圖1所示。該冷藏間設(shè)計(jì)尺寸為96.4 m（長）×21.5 m（寬）×26.5 m（高）。冷藏間采用塔式冷風(fēng)機(jī)強(qiáng)制循環(huán)制冷（在保溫吊頂及屋面夾層間安裝），風(fēng)機(jī)安裝于冷藏間中央，采用側(cè)面背向吹風(fēng)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

為建立合適的流動換熱模型，計(jì)算冷藏間內(nèi)氣流組織的速度場和溫度場，作出如下假設(shè)和簡化：1）空氣可被視為不可壓縮氣體，密度符合Boussinesq假設(shè)；2）冷庫密封良好，和外界空氣不發(fā)生質(zhì)量交換；3）氣流在內(nèi)壁面上流動屬于無滑移邊界條件。

1.3 邊界條件

1）入口邊界條件 冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)口設(shè)為速度進(jìn)口，Boussinesq假設(shè)的溫度基準(zhǔn)為240 K（-33 ℃），密度為1.42 kg/m³，溫度膨脹系數(shù)為0.004 01，湍流強(qiáng)度設(shè)置為5%，水利直徑設(shè)置為出風(fēng)口直徑1 m。

2）出口邊界條件 因回風(fēng)口的速度、壓力未知，冷風(fēng)機(jī)的回風(fēng)口邊界類型定義為自由流出。

3）壁面邊界條件 目標(biāo)冷庫位于天津，環(huán)境溫度取當(dāng)?shù)叵募究諝庹{(diào)節(jié)日平均溫度為27 ℃。冷庫的頂板為220 mm厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫夾芯隔熱板，冷藏間的地面為200 mm厚的聚苯乙烯隔熱板，冷庫四周的墻體保溫材料為200 mm厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫夾芯隔熱板。

冷庫的四周墻壁、庫頂和地面為固壁邊界，溫度條件定義為第3類邊界條件，表面無滑移。因大部分時間冷風(fēng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，冷庫內(nèi)部氣流和內(nèi)墻對流換熱較小，通常忽略。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[18]，冷庫外表面的換熱系數(shù)為23 W/ （m²·℃），而架空地面外表面的換熱系數(shù)為8 W/（m²·℃）。冷庫固壁邊界綜合對流換熱系數(shù)可由式（8）計(jì)算：

本文利用ICEM軟件采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，全局尺寸0.4 m，冷風(fēng)機(jī)進(jìn)出口進(jìn)行局部加密處理。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到159萬時（見圖2），各采樣點(diǎn)的速度不再隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而改變，網(wǎng)格加密已經(jīng)無法明顯提高數(shù)值模擬結(jié)果的精確性。

網(wǎng)格質(zhì)量為0.55～1，網(wǎng)格質(zhì)量良好，無負(fù)體積，密度適中，適用本文所建冷庫模型。利用FLUENT軟件進(jìn)行求解，速度-壓力耦合采用SIMPLIE算法，一階迎風(fēng)格式。通過等比例的方法建立了物理模型，與劉海波[20]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（見圖3），模擬值和實(shí)驗(yàn)值的單點(diǎn)最大誤差不超過10%，均方差為5.32%，滿足工程技術(shù)要求，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的可行性。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 不同送風(fēng)速度

冷庫降溫過程為非穩(wěn)態(tài)過程，在排除其他干擾因素，保證冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)溫度和其他參數(shù)不變的情況下，對送風(fēng)速度分別為3.7，6.7，9.7，12.7，15.7 m/s進(jìn)行模擬。圖4為不同風(fēng)速的空氣流線圖，由圖可知，送風(fēng)口低溫氣流沿射流方向噴射而出，此時空氣流線集中，氣流動量大且溫度低；低溫氣流在流動過程中逐漸向外發(fā)散，受空氣阻力影響，速度逐步降低，與冷庫內(nèi)熱空氣發(fā)生熱量、質(zhì)量交換。

圖5為不同風(fēng)速下中軸線風(fēng)速分布圖。圖6為冷藏間y=1截面速度云圖。由圖5和圖6可知，在低風(fēng)速3.7 m/s時，射流受重力影響向下彎曲，氣流觸底四散，回流依靠回風(fēng)口吸力；風(fēng)速為6.7 m/s時，射流經(jīng)過冷庫兩側(cè)中心，擾亂流場分布；風(fēng)速達(dá)到或超過9.7 m/s時，射流彎曲程度減小射程增大，抵達(dá)冷庫墻壁，流場分布規(guī)則呈回字型分布。當(dāng)風(fēng)速為12.7 m/s時，氣流螺旋式上升進(jìn)入回風(fēng)口，而風(fēng)速在15.7 m/s時，氣流擾動增大，底層中部產(chǎn)生4個小的漩渦，影響氣流回流。

圖7為整體溫度云圖，當(dāng)風(fēng)速分別為3.7，6.7 m/s時，風(fēng)速過低，溫度場出現(xiàn)分層分區(qū)現(xiàn)象。隨著送風(fēng)速度增加，冷風(fēng)機(jī)氣流更加貼近庫頂，射流影響區(qū)域和冷量傳遞的范圍更廣，溫度場分布均勻性提高。風(fēng)速變化對冷庫內(nèi)部速度場、溫度場分布及降溫趨勢的變化與文獻(xiàn)[20]所展示的變化規(guī)律基本一致。

圖8為不同風(fēng)速下的降溫曲線，圖9為冷卻時間隨風(fēng)速的變化曲線。從圖8和圖9可知，隨著送風(fēng)速度的增大，達(dá)到冷庫設(shè)定溫度所需的冷卻時間不斷減少，冷卻時間縮小的幅度越來越小，通過提高送風(fēng)速度來縮短冷卻時間越來越困難。冷庫能耗和送風(fēng)量會隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加而增大，送風(fēng)速度為12.7 m/s是較優(yōu)的選擇，冷卻速率為3.5 K/min，冷卻速率增速最大，冷庫內(nèi)氣流組織分布均勻且風(fēng)速不超過2 m/s。

溫度不均勻系數(shù)描述了測量點(diǎn)的溫度與所有考慮點(diǎn)的平均溫度之間的偏差水平，可用標(biāo)準(zhǔn)方差反映各測點(diǎn)溫度均勻度離散程度，見式（9）：

表2為冷庫預(yù)冷10 min時庫內(nèi)最高溫度與冷藏溫度的差值以及溫度不均勻度。由表2可知，預(yù)冷階段，送風(fēng)速度越大，溫度場均勻性越高；在冷藏階段風(fēng)速過高會導(dǎo)致氣流擾動，溫度場均勻性下降。優(yōu)選風(fēng)速為12.7 m/s，可保證降溫速率與降溫均勻特性，溫度差為1.13 K，溫度不均勻度為0.002 8，冷庫溫差最??；冷藏階段時，冷庫溫度波動最小，溫度場更均勻。

2.2 不同送風(fēng)溫度

圖10為不同送風(fēng)溫度的冷卻曲線。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，送風(fēng)溫度的改變基本不影響庫內(nèi)氣流組織分布，不同送風(fēng)溫度下的速度場和溫度場基本一致，貨物區(qū)的溫度基本維持在-1～1 K。由圖10可知，送風(fēng)溫度越低，預(yù)冷時間越短，冷卻速率越快，但冷卻速率增速基本一致。因冷藏間維護(hù)結(jié)構(gòu)無法完全隔絕熱量傳遞，當(dāng)送風(fēng)溫度為248 K時，隨預(yù)冷時間的延長，庫內(nèi)溫度只能接近248 K而無法達(dá)到。當(dāng)送風(fēng)溫度在240～248 K變化時，溫度場溫度不均勻度為0.229～0.252，送風(fēng)溫度變化對貨物區(qū)溫度梯度的影響不大，庫內(nèi)溫度場分布基本不隨送風(fēng)溫度的變化而波動。

2.3 不同冷風(fēng)機(jī)擺放形式

冷庫內(nèi)的主要擾動來源于冷風(fēng)機(jī)，冷風(fēng)機(jī)安放位置對庫內(nèi)氣流組織的分布有很大影響[21-23]，參考大量文獻(xiàn)及研究數(shù)據(jù)，根據(jù)優(yōu)選送風(fēng)參數(shù)，針對此冷庫提出的6種風(fēng)機(jī)擺放方案（方案A：主流背向式；方案B：主流面向式；方案C：主流接力式；方案D：一字排開式；方案E：主流背對交錯式；方案F：主流面向交錯式）進(jìn)行研究，詳見圖11。

圖12為冷風(fēng)機(jī)不同擺放形式下的空氣流線圖。圖13為對應(yīng)的中軸線風(fēng)速分布圖。由圖12和圖13可知，方案A與前文風(fēng)速為12.7 m/s條件下速度場分布相同，流線呈對稱分布，兩側(cè)中心位置流線稀疏為回流區(qū)；方案B射流在中間區(qū)域發(fā)生接觸，造成動量損失，氣流相互干涉導(dǎo)致流場分布不均；方案C冷風(fēng)機(jī)同向出流，部分氣流熱質(zhì)未充分交換就被回風(fēng)口大量吸入，冷藏間縱深較長，影響回流；方案D氣流以較大速度撞擊墻壁，流程相對較短，回流速度快，相鄰冷風(fēng)機(jī)氣流干擾較大，流場分布紊亂；方案E和方案F減小了冷風(fēng)機(jī)回流、匯流的相互干擾，但受限于冷庫寬度。

圖14為不同擺放形式下的截面溫度云圖。在運(yùn)行15 min后，方案A和方案B達(dá)到冷藏溫度，方案D、方案E和方案F平均溫度為249 K，方案C溫度最高為250 K。另外方案E和方案F雖然減少了氣流之間的相互干涉，但是貼近墻壁的風(fēng)機(jī)射流受到墻壁的阻礙無法與庫內(nèi)空氣充分接觸，導(dǎo)致冷藏間預(yù)冷時間延長，冷卻效率降低。方案A冷藏間兩端的溫度低于中心區(qū)域的溫度，中心貨物碼垛區(qū)溫度場分布均勻；方案B冷藏間兩端溫度高于中心溫度；方案C整體溫度場明顯分布不均，因氣流被回風(fēng)口吸入致?lián)Q熱不充分，以及冷藏間縱深過長導(dǎo)致側(cè)端冷風(fēng)機(jī)周圍冷空氣很難到達(dá)，造成側(cè)端溫度較高；方案D由于冷藏間寬度較短導(dǎo)致冷風(fēng)機(jī)射流之前相互干擾，冷藏間中部和兩端溫度較高；方案E和方案F冷藏間貨物碼垛區(qū)溫度場分布不均，局部相對溫度較高會造成貨物冷藏溫度不一致進(jìn)而影響冷藏品質(zhì)。

圖15為冷風(fēng)機(jī)不同擺放形式的冷卻時間。由圖可知，冷風(fēng)機(jī)以主流背向式（方案A）安裝冷庫預(yù)冷所需時間最短，冷卻速率最快。

圖16為冷風(fēng)機(jī)不同擺放形式下的溫度不均勻度。由圖可知，方案A、方案B和方案F的溫度不均勻度明顯較低，均為0.23～0.27，冷藏間內(nèi)部溫度波動較小，溫度場分布均勻。從預(yù)冷時間和溫度不均勻度分析得出，風(fēng)機(jī)擺放優(yōu)選方案是主流背向式（方案A），可縮短立體冷庫在無裝載情況下開機(jī)預(yù)冷時間以及對冷庫卸載后是否停機(jī)做出預(yù)測，主流面向式（方案B）和主流面向交錯式（方案F）為次選。

3 結(jié) 語

本文主要針對新興的立體冷庫進(jìn)行冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)參數(shù)對冷卻性能影響的研究，并篩選出一種合理的方案。通過模擬結(jié)果可知，方案能夠提高冷藏間氣流組織速度場、溫度場分布的均勻性，保證貨物凍藏品質(zhì)，可為立體冷庫設(shè)計(jì)優(yōu)化、布風(fēng)改造和貨物堆垛提供參考依據(jù)，并為流場的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。具體結(jié)論如下。

1）適宜的送風(fēng)參數(shù)和風(fēng)機(jī)擺放形式可以提高冷庫的冷凍效果，實(shí)現(xiàn)快速均衡預(yù)冷。當(dāng)送風(fēng)速度為9.7～12.7 m/s時，冷庫內(nèi)氣流組織分布規(guī)則，送風(fēng)速度選取12.7 m/s較為合適，能夠確保降溫速率和溫度場的均勻性。

2）冷卻時間與送風(fēng)溫度呈正相關(guān)，改變送風(fēng)溫度對氣流組織分布的影響不顯著。

3）冷風(fēng)機(jī)采取主流背向式（方案A），可以減小送風(fēng)氣流相互干擾，庫內(nèi)氣流組織速度場呈回字型分布，中心貨物域溫度分布均勻。

4）利用CFD技術(shù)預(yù)測出較為優(yōu)選的風(fēng)機(jī)參數(shù)和安裝位置，減少立體冷庫溫度波動，為立體冷庫的節(jié)能降費(fèi)措施研究奠定了基礎(chǔ)。

受疫情等影響未對立體冷庫進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，未來還需進(jìn)一步對立體冷庫滿載時的冷卻性能進(jìn)行研究，如就貨物擺放方式、風(fēng)機(jī)啟停運(yùn)行方式，以及冷庫能耗性價(jià)比定量分析等方面進(jìn)行探討，進(jìn)一步提升大型立體冷庫貨物冷藏品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

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