小型冷库开关门过程的数值模拟

翟玉玲,钟晓晖,勾昱君,曹树星,周树光

(河北联合大学冶金与能源学院,河北 唐山063009)

0 引 言

冷库作为现代物流的基础设施之一,呈快速发展的趋势。发达国家如日本、美国、芬兰、加拿大等国的制冷行业尤为完善。特别是作为世界上最大速冻食品生产国的日本,其低温库(-20℃)的数量占冷库总数的80%以上[1]。自从20世纪60年代中期我国开始建造第一座冷库起,至今冷库网络遍布全国各地,主要分布在以肉类、水果、蔬菜为主产区的城市。

随着生活水平的提高,人们对冷冻食品的需求量和质量不断提高。但是冷库的冷冻冷藏能力越大,对能源的消耗也越大。在如今以倡导环保节能型为口号的社会中,冷库的节能问题越来越受到关注。但是冷库的设计也存在很多不合理的地方,不合理的设计导致库内气流组织的不平衡,造成能源的浪费[2]～[8]。比如冷库门长时间的开启,增加冷库的能耗。一般具有冰冻保鲜能力的冷库温度都在0℃以下,与室外环境温度差别较大。在开关门过程中,由于室内外冷热空气的热湿、热质交换,将导致冷库大门处易于结霜,难以开启。数值模拟因其具有理论性和实践性的双重特点,为现代科学中许多复杂流动和传热问题提高了一种行之有效的方法,被广泛应用于实践工程中。本论文应用CFD模拟技术分别模拟冷库在开关门各10s、20s、30s三种情况下库门附近的速度场和温度场。

1 物理模型及数学模型的建立

1.1 物理模型

选取唐山市某小型冷库为研究对象,该库的内部尺寸为长×宽×高=4.5m×3.3m×3.0m。采用单机吊顶式翅片管式蒸发器制冷,由于蒸发器的形状对冷库内的流场和温度场影响不大,因而将蒸发器模型简化为一长方体,该蒸发器的尺寸为长×宽×高=0.7m×0.3m× 0.5m,置于冷库天花板侧面;回风口位于冷库下方,尺寸为长×宽×高=0.5m×0.3m×0.5m,送风口和回风口位置见图1;冷库外墙采用保温隔热层;冷库门位于中间,尺寸为长×高=1.2m×2.0m。将冷库视为三维模型,该模型立体结构图如图1所示。

图1 冷库的立体结构示意图

1.2 数学模型

建立数学模型的目的在于建立反应求解问题的基本控制方程和相应的定解条件。具体地说就是建立反应问题的各个量之间的微分方程,数值模拟的基础就是建立正确合理的数学模型,脱离了这个基本点,数值模拟无从而谈。本论文模拟的开关门工况有外界动力强制库内气体流动,空气流动呈混乱无序状态,流场的雷诺数数量级大,可达到106,属于大空间强制对流换热问题。可采用工程上广泛使用的标准k-ε模型求解流动及换热问题,此模型共包含的5个控制方程,分别是连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、湍动能k方程及湍动耗散率ε方程。对于近壁处由于空气流动缓慢,呈贴壁状态,其流动有可能出现层流现象,所以对这一区域的气流采用壁面函数法处理。上述5个控制方程表述如下[9]:

连续性方程:

能量守恒方程:

动量守恒方程:

标准k-ε模型:

其中,

模型各常数值:C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3

2 边界条件的设定

一个完整数学描述应该包括控制方程组及相应的定解条件,只有合理的边界条件才有可能计算出流场的解。对于非稳态问题,必须给定初始条件,它是所研究对象开始时刻各物理量在空间上的分布情况,而对于稳态问题,则无须给定。边界条件是在求解区域上对所求变量或某一导数随空间和时间的变化规律。

冷库门附近的流体由于风压和气压的共同作用,将产生强烈的热质交换,特别是当有货物进出冷库时,冷库门需要长时间的开启,将破坏冷库内部的气体流场,严重影响冷藏品的质量。本文分别模拟开关门10s、20s、30s三种情况下库门附近的速度场和温度场。为简化模型,将冷库视为空库处理。

该工况下设置:

(1)入口边界:蒸发器入口采用速度边界,V=2.5m/s,t=-15℃;开门时,大门处的流体处于自然对流状态,可采用速度入口,V=0.2m/s,t=30℃;关门时,库门设为壁面条件。

(2)蒸发器出口边界:采用outflow边界,出口压力未知,风速由软件计算得出。

(3)壁面:采用第一类边界条件。壁面温度取库内初始温度,其值为30℃。粘性流动中,壁面可默认为无滑移边界条件。外壁与周围环境无热量交换,视为绝热。

3 网格划分

网格是划分几何模型的基础,其质量直接影响到计算效率和结果的精确度。对于复杂的几何模型,网格的生成既耗时又易出错。据不完全统计,对于大型且复杂的几何模型,网格的选择和生成时间占实际CFD计算时间的一半以上。因此,网格划分是CFD模拟的关键部分,必须给予足够的关注。网格又分为结构网格和非结构网格,在GAMBIT软件里建立模型,无论是结构化网格还是非结构化网格,其生成过程都需遵循图2所示的步骤。本文的冷库模型相对简单,所以采用结构网格划分,网格单元选取3D的六面体网格。对局部区域如进风口、出风口及大门处加密。冷库的体网格图如图3所示。

图2 GAMBIT建模步骤

图3 冷库体网格图

4 求解过程及结果分析

4.1 求解过程

无论是气体流动问题、传热问题,还是稳态问题、非稳态问题,CFD求解过程都可按照图4所示的总体计算流程计算。对所选的控制方程组按照控制体积法(Control Volume Method,简称CVM)进行离散,流场的求解方法可选用基于压力(Pressure-Based Method)的解法,开关门工况属于非稳态稳问题,可采用压力的隐式算子分割算法(Pressure Implicitwith Sp litting of Operators,简称PISO),这是一种基于无迭代的瞬态计算程序,采用预测-修正-再修正三步,它的精度依赖于所选的时间步长,所以在预测修正过程中,使用的时间步长越小,可取得的计算精度越高,但所用的时间也越长。考虑到气体流动传热,启动能量方程,激活传热机制。对于本文设定工况下的简单气体流动,在开始计算时松弛系数可选较大值,这可大大改善求解器的性能,加快收敛速度。

4.2 结果分析

由于三维计算结果在FLUENT里无法清楚显示冷库内的速度场及温度场,因此本文选取几个具有代表性的切面,以便分析结果。选取代表性切面x=2.25 m(包含冷库门的界面)。图5～7分别是开门10 s、20 s、30 s的速度场,图中的浅色区域速度为负值,说明室外空气随着开门时间的推进,慢慢渗透进冷库内部,最后致使库内的冷热气体严重混乱。图8～10分别是开门10 s、20 s、30 s的温度场,对应的温度场变化很大,说明在x方向上气体进行了强烈的热质交换。当室外风进入库内时,由于冷空气的密度比热空气大,室外风上扬,首先影响冷库上部的流场,随着时间的推进的逐步影响整个流体空间,但是由于蒸发器的作用,因此室内深部的温度场变化不大。

图4 CFD工作流程图

图11～13是关门10 s、20 s、30 s的速度场,图内所示速度均为正值,说明库内关闭后已无室外空气进入,蒸发器入口开始对热空气进行降温,此阶段库内的气流仍混乱,说明恢复到稳态状态还需一段时间。

图14～16为关门10 s、20 s、30 s的温度场,从图中可以看到,从关门瞬间起库内的温度下降速率很快,这是因为蒸发器风速是室外风速的十几倍。由于蒸发器位于冷库上部,关门后冷库上部的温度场恢复较快,随着时间的推进冷库内部温度场逐步恢复到稳态状态。

5 小 结

本文利用FLUENT模拟了非稳态状态下开启冷库门的工况,分析模拟结果发现冷库门开启时对库内的速度场和温度场扰动剧烈,尤其是对库内附近的影响更为严重。因为存在严重的热湿交换,为了保证库门处的温度场的稳定及避免大门处结霜、结冰现象,可在门处加上空气幕,部分阻隔室外风的进入。

[1] 中华工程资格考试网[EB/OL].http://www.100gczg.com,2010-1-8.

[2] 谢晶,吴天.小型冷库开关门过程温度场的数值模拟[J].上海水产大学学报,2006,15(3):333～339.

[3] 杨磊,汪小旵.冷藏库预冷降温过程中温度场的数值模拟与试验研究[J].西北农林科技大学学报:自然科学版,2008,36(9):219～223.

[4] 刘妍玲,张岩,王世清等.果蔬摆放形式对冷库内气流场分布影响的研究[J].青岛农业大学学报:自然科学版,2008,25(1),24～27.

[5] 谢晶,瞿晓华,徐世琼.冷藏库内气体流场数值模拟及验证[J].农业工程学报,2005,21(2):11～16.

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