肉制品冷库流场及温度场数值模拟

黄世苗

（南方海洋科学与工程广东省实验室（湛江），广东湛江）

随着我国冷饮市场、冷鲜肉市场、肉类延伸品市场、水产品市场、水果蔬菜市场的不断扩大，易腐食品消费量也随着人们的需求的快速增长，这将促进冷库需求量的进一步增长。截至2009年，在东部地区建成的冷库占全国的65 %，中部地区占25 %，西部地区占7 %。在我国国内，氨制冷剂制冷的集中式制冷系统一般用于大型冷库的建设中，冷却设施大多为排管，系统复杂，实现完全自动化控制难度大［1］。小型冷库则一般采用以氟里昂为制冷剂的集中式或分散式制冷系统。

造成食品腐败的原因有很多，其主要包括：微生物作用、催化酶作用、氧化作用及呼吸作用，而这些原因都是和食品的温度相关的。食品的冷藏保鲜就是通过降低食品的温度减弱上述的各种作用，达到较好的保存食品的目的［2］。

导热、对流、辐射是热量传递的三种不同方式。货物在冷却过程中，热量从货物传递到冷却介质当中，忽略货物冷却过程中内部的传热，其表面与冷却介质间的换热是以对流和辐射换热为主。关于对流传热，根据流动原因的不同可分为自然对流和强制对流［3］。本文涉及的模型是冷风机驱动下的强制对流换热。

对冷库的流场进行模拟分析，对改善冷库的制冷效果，完善冷链体系是极为重要的。胡耀华，蒋国振［4］等人对猕猴桃冷库内流场进行过CFD模拟，主要研究了货架摆放方式不同和冷风机出风速度不同时，冷库内流场的变化。为的是确定冷库温度场、速度场和压力场的影响因素，得出了冷库的设计参数对流场的影响；刘妍玲，张岩［5］等人对果蔬冷库内货架的摆放形式对流场的影响进行了研究，他们的研究方法也是通过改变冷库的设计参数，观察流场的不同，最终得出货物摆放形式对流场有着重要的影响；谢晶，吴天［6］等人对小型冷库开关门过程的流场进行了研究。

本文基于FLUENT软件对肉制品加工冷库内的速度和温度分布进行数值模拟，主要内容包括用控制变量的方法对冷库内冷风机供风速度，供风温度及冷风机摆放位置不同情况下的速度场和温度场的计算，在对模拟结果进行分析讨论之后，得出供风温度、速度以及出风口位置的布置对冷库制冷效果的影响。

1 模型介绍

选用一个小型肉制品加工冷库，其尺寸为4.5 m×3.3 m×2.5 m，冷库内装有一台小型冷风机，其尺寸为1.75 m×0.46 m×0.5 m，冷风机有两个圆形出风口和进风口，直径为0.4 m，当模拟情况包含货架时，货架尺寸为2 m×0.6 m×1.5 m，冷库壁面采用聚氨酯泡沫塑料，冷风机采用吊顶式安装［4］。室温为20 ℃，冷库内环境温度取0 ℃。冷库的物理模型图如图1所示。对不同供风速度和供风温度的模拟，冷库内不布置货架；研究冷风机摆放位置对冷库内流场和温度场的影响时，冷风机出风口和进风口的位置发生变化，即建立几何模型时入口和出口边界位置发生变化。

图1 冷库物理模型示意图

2 数值模拟

针对上节所建立的物理模型进行网格划分，采用非结构化网格，进行网格独立性验证后选取网格数为300 W左右，部分网格结构如图2所示。

图2 部分网格结构示意图

为保证研究的顺利进行，还需对冷库做出如下假设：

（1）冷库内的一些管线、支架等与研究无关的设备对流场没有影响；

（2）冷库内空气不可压缩且符合Boussinesq假设；

（3）冷库库体密闭，且冷库内空气流动为稳态湍流。

2.1 不同冷风机供风速度

冷风机以吊顶式放置在冷库宽度单位上，其入风口距离冷库壁面0.4 m，左侧距离冷库壁面0.8 m，右侧0.75 m，冷库中无货架。冷库内初始温度为0 ℃，冷风机出口温度为-25 ℃，入口边界条件设置不同的入口流速。

经模拟得到了在不同送风速度的情况下冷库中气流流动与温度分布情况。速度分布如图3所示，温度分布如图4所示。

图3 不同供风速度下的冷库内空气速度分布

图4 不同供风速度下的冷库内温度分布

由上面这些图可以清楚地看到，冷风机供风速度的变化对于冷库内流场及温度场有很大的影响。随着冷风机风速的增加，冷库顶部气流低温范围逐渐扩大，整个冷库内的温度逐渐降低。可见，冷风机风速的大小对库内的热量交换起着决定性作用，风机风速越大，气体强制对流越充分，越有利于货物与空气的热量交换，并可以起到对气流温度和速度的均布作用，使冷库的制冷效果达到最佳。

2.2 不同冷风机供风温度

本节讨论当冷风机供风温度不同时，冷库内流场及温度场的变化。冷库、冷风机尺寸和放置位置与上节相同。冷风机入口速度为5 m•s-1，并使其他条件不变，设置入口温度分别为-22 ℃、-25 ℃、-28 ℃，冷库内温度为0 ℃，环境温度为20 ℃。

经模拟得到在不同冷风机供风温度条件下，冷库内流场及温度场的分布。冷库内速度分布如图5所示，温度分布如图6所示。

图5 不同供风温度下的冷库内空气速度分布

图6 不同供风温度下的冷库内温度分布

由图6可以看出，当冷库内部其他条件不变，冷风机的供风温度越低，冷库内的温度越低且低温区域越大，同时温度场和速度场也会随着供风温度的降低越来越稳定。又考虑到当制冷温度过低时，对制冷剂的要求过高，还有制冷设备的能耗、经济问题，所以应选择一个合适的制冷温度。综合经济、能耗、和制冷效果几方面综合考虑，推荐在供风温度-25 ℃是冷风机的最佳供风温度。

2.3 不同冷风机摆放位置

在本节物理模型的建立中再冷库内放置了货架，货架尺寸为1.75 m×0.46 m×0.5 m，货架一共三个，平行放置在冷库中，货架前后左右与其他货架和冷库壁面均有距离。本节将冷风机分三种情况放置，三种情况分别为：（1）冷风机入风口距离冷库壁面0.4 m，其以吊顶方式放置在冷库宽度单位上，左侧距壁面0.8 m，右侧距壁面0.75 m；（2）冷风机入风口距离冷库壁面0.3 m，其以吊顶方式放置在冷库长度单位上，左侧距冷库壁面1.4 m，右侧1.35 m；（3）冷风机入风口距离冷库壁面0.3 m，其以吊顶方式放置在冷库长度单位上，左侧距冷库壁面1.75 m，右侧1 m。不同冷风机摆放位置的冷库结构如图7所示。

图7 不同冷风机布置位置冷库结构示意图

模拟结果展示出了三种不同冷风机放置方式时冷库内流场以及温度场的分布，截取冷风机出风速度为5 m•s-1、出风温度为-25 ℃时不同位置冷风机出风口所在截面和货架所在截面的温度和速度分布，温度分布如图8所示，速度分布如图9所示。

图8 不同冷风机布置位置冷库温度分布

图9 不同冷风机布置位置冷库速度分布

由模拟结果可以看出，在相同出风温度、相同出风速度时，不同的摆放位置，对冷库内流畅分布的均匀度，冷气流场的范围等等影响冷库冷藏质量的重要因素都有较大的改变。冷风机位于位置2时，低温区域大多集中在货架迎风面以及货架一侧，造成了不必要的消耗；冷风机位于位置1处时，货架附近大部分区域温度低至-14 ℃，且温度分布相较于位置2和位置3要更均匀，因此在所给方案中应尽量选择将冷风机安装在冷库宽度单位上，且将送风方向沿平行于货架方向布置。

3 结论

本文研究了不同供风速度、温度以及不同出风口位置对冷库内温度及气体流速分布的影响，在模拟结果的基础上发现，冷风机在一定范围内供风速度越大，供风温度越低，制冷效果越好，在冷风机布置位置的研究中发现，出风口布置在冷库宽度单位上制冷效果最佳。

综合上述介绍和总结可以得出结论，对于本文研究的小型装配式冷库采用如下设计使用方式是最符合实际要求和制冷要求的：冷库的冷风机以吊顶式安装方式安装在冷库的宽度方向上，冷风机的回风口距冷库壁面0.4 m，左侧距冷库壁面0.55 m，右侧距离1.0 m，货架平行于冷风机吹风方向放置，风机出风口风速为5 m•s-1，出风温度为-25 ℃。