间接制冷系统冷库内气流组织数值模拟.pdf

52第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology间接制冷系统冷库内气流组织数值模拟孙 欢1 靳 涛1 季 晴2 胡开永1(1 天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室 天津 300134；2 天津经纬恒润科技有限公司 天津 300385)摘 要 本文建立间接式制冷系统冷库几何模型，冷库尺寸长宽高为10 m9 m4 m，末端为风机盘管形式。利用CFD模拟研究了该冷库模型中安装多孔板（固定孔隙率40%）以及多孔板安装高度对空载冷库温度场和速度场的影响。模拟结果如下：在距离库顶1.2 m的位置安装多孔介质板后，可以降低库内Z方向面平均温度，库内Z方向面平均流速在0.10.14 m/s之间。距离库顶1.2 m时安装多孔介质板，不均匀性系数、速度极差、温度极差、温度偏差总体偏小，表明冷库各个平面内的温度、流速差别较小，流场均匀性好，且具有较大冷库储存空间。距离库顶1.2 m时，安装多孔介质板最有利于优化冷库内气流组织。关键词 间接式制冷系统；气流组织；数值模拟；多孔板Numerical Simulation of Air Distribution in Cold Storage of Indirect Refrigeration SystemSun Huan1 Jin Tao1 Ji Qing2 Hu Kaiyong1(1.Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology,Tianjin University of Commerce,Tianjin,300134,China;2.Tianjin Jingwei Hengrun Technology Co.Ltd.,Tianjin,300385,China)Abstract In this paper,the geometric modeling of indirect refrigeration system cold storage is established(10m 9m 4m)with a fan coil unit at the end.The influence of installing porous plates(with a fixed porosity of 40%)and the installation height of porous plates on the temperature and velocity fields of the empty cold storage model was studied using CFD simulation.The simulation results are as follows:After installing a porous media plate 1.2 m away from the top of the warehouse,the average temperature in the Z-direction plane inside the warehouse can be reduced,and the average flow velocity in the Z-direction plane inside the warehouse is between 0.1 and 0.14 m/s.When installing a porous media plate at a distance of 1.2 m from the top of the cold storage,the non-uniformity coefficient,velocity range,temperature range,and temperature deviation are generally small,indicating that the temperature and flow rate differences in each plane of the cold storage are small,the flow field uniformity is good,and there is a large storage space for the cold storage.When the distance from the top of the cold storage is 1.2m,installing a porous media plate is most conducive to optimizing the airflow organization inside the cold storage.Keywords indirect refrigeration system;air distribution;numerical simulation;perforated plate基金项目：天津市优秀科技特派员项目（No.22YDTPJC 00250）；天津市研究生科技创新项目（2022SKYZ058）通讯作者：胡开永，男，讲师，博士，主要从事低碳智能冷链方面的研究。在冷链物流所有环节中，冷库是最核心的基础设施1，果蔬的储存保鲜对冷库环境、冷库内气流组织的要求较高，为果蔬保鲜提供保障优化冷库气流组织势在必行。对冷库气流进行实验研究是一件非常困难和昂贵的事情，原因有二：其一是冷库内货物的堆叠方式较为复杂，其二是冷库实际的尺寸规模较大。随着计算能力和计算速度的迅速提高，计算流体力学(CFD)已成为流体流动及其分布的有力工具。与实验研究手段相比，CFD以更低的成本提供了更丰富的细节和更大的灵活性2。段宇飞等3用研究船用冷库内安装导流板后气流组织的变化，模拟结果表明送风口安装导流板后，空气气流流向冷库中部，使冷库内的温度分布更均匀，促进了空气的流动。国外学者Ghiloufi Z.等4也模拟研究在安装导流板对冷间气流组织的影响，模拟结果显示，安装导流板位置在冷库空间的中间位置，冷间内的气流组织更加均匀，降温速率更快。Ghiloufi Z.等5又对于容积约为67 m3的冷藏室也进行了加装导流板的模拟研究，以确定合适的预doi:10.20094/j.issn.1674-0548.2023.02.05253第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology安装位置。该模型中，风机盘管尺寸长2 m、宽0.5 m、高0.55 m，风机盘管末端冷库右侧Y=8.9 m平面与库板形成0.1 m的回风夹层，回风口尺寸为10 m0.2 m。本课题研究在固定孔隙率下，安装多孔板前后以及多孔板高度对库内温度场和速度场的影响，多孔板厚度取2 mm，孔隙率取 40%，安装位置距库顶0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m。图 2 风机盘管安装位置俯视图Fig.2 Top view of installation position of fan coil unit1.2 数学模型和边界条件1）流动状态和湍流模型流体遵循连续性方程、动量守恒方程与能量守恒方程11。冷间空气流体的瑞利数数量级为1010，故冷库内的空气流流动状态为紊流。瑞利数(Rayleigh number)是与浮力驱动对流相关的无量纲数12。平均瑞利数：（1）式中：为流体的体积膨胀系数，1/K；d为特征长度，m；v为运动粘滞系数，m2/s；为导温系数，m2/s。湍流模型选择标准k-模型，紊流脉动动能k方程以及耗散率方程的具体推导过程可见参考文献13。2）多孔阶跃模型多孔板视为各向同性的多孔介质，在薄的多孔介质表面上可以用多孔阶跃定义速度和压强的降落特性，空气在流过多孔板时受到粘性和惯性阻力的作用，其计算式如下14：（2）多孔阶跃模型中Face permeability为粘性阻力系数的倒数：冷条件。田甜等6使用模拟研究冷风机安装位置对冷库内气流组织的分布情况。Li B.等7通过数值模拟研究了风扇安装位置对冷藏集装箱内的温度分布影响，当冷风机位于集装箱顶部四个角落时，集装箱内的温度标准偏差和不均匀系数分别为0.87和2.1。较之优化前箱内平均温度降低了0.12，不均匀系数降低了2倍以上。Hassan N.M.S.等8模拟研究了送风风速对冷库气流组织的影响，结果表明，送风风速在1.13.6 m/s之间时，冷库内较远的角落的漩涡较小，并且库房降温速度较快，储藏果蔬干耗小，储藏效果较好。Praeger U.等9研究利用CFD研究苹果冷藏库中，不同送风风速下冷间垂直间隙的气流速度。Delele M.A.等10研究了出风口大小对冷库内温度下降的影响，模拟研究显示：出风口面积越大，冷却速度越快；但冷却速度增加的幅度随出风口面积增加而减小。间接式制冷系统可减少制冷剂的充注量，且发生泄漏时食品不会被制冷剂污染，具有一定的应用价值。本文基于目前果蔬储存仍存在干耗大、保鲜时间短的问题。本文利用 CFD模拟研究了间接式制冷系统应用风机盘管末端时，安装多孔板（固定孔隙率40%）以及多孔板安装高度等对空载冷库温度场和速度场的影响。1 模型的建立与求解1.1 物理模型和物理条件图 1 风机盘管冷库物理模型Fig.1 Physical model of fan coil unit cold storage建立的间接式制冷系统冷库物理模型，如图1所示。冷库尺寸长为10 m、宽为9 m、高为4 m，末端为风机盘管形式，风机盘管安装在库内右上方的壁面上，多孔板在风机盘管的下方安装，冷库内送风方式为上送下回，回风通过壁面下方回风口进入多孔回风夹层形成回风过程。图2为风机盘管冷库54第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology （3）式中：1/为粘性阻力系数，1/m2；C2为惯性阻力，1/m；dp为多孔板厚度，m；为孔隙率。3）基本假设在CFD计算中，对建立的几何和数学模型作出几点假设：冷库的空气为不可压缩牛顿流体，在固体壁面无滑移；回风夹层隔断内外温差很小，视其为绝热墙；忽略冷库门的密封性对库内流场的影响。4）边界条件设置 回风口边界类型设置为自由出口。地面(Wall)和围护结构内墙(Wall)设为第二类边界条件，热流密度分别为2.4 W/m2和1.57 W/m2。围护结构外墙及屋顶(Wall)对流换热与辐射换热混合型边界条件，传热系数为12 W/(m2.K)，温度为303.15 K，发射率取0.88，厚度为0.15 m。风机盘管出风口的边界类型设置为速度进口，紊流强度设置为5%，水力直径设置为0.4 m，送风温度为270.15 K。风机盘管其他壁面视为绝热壁面。1.3 网格划分和无关性验证本文选择以六面体结构化网格划分方式来生成网格。网格划分结果如图3所示。划分网格后对生成的网格进行网格无关性验证，依据X=2 m截面的面平均温度，选择了五种网格数量进行验证，图4为网格数量与面平均温度的关系，网格数量从293万开始增加时，面平均温度基本保持不变，网格质量稳定，因此选择计算成本较低的293万网格数。图 3 ICEM生成的网格Fig.3 ICEM generated grid 图 4 网格数量与面平均温度的关系Fig.4 The relationship between the number of grids and the average surface temperature2 模拟工况设置和数据处理方法2.1 模拟工况设置本课题研究在环境温度为30，送风温度为-3 的情况下，风机盘管加装多孔板以及多孔板高度对风机盘管库内气流组织的影响。表1分别为冷库数值模拟工况。表 1 数值模拟工况Tab.1 Numerical simulation conditions工况送风风速/(m/s)多孔板距库顶高度/(m)AA110.8A220.8A330.8A440.8BB111B221B331B441CC111.2C221.2C331.2C441.2DD111.4D221.4D331.4D441.42.2 数据处理方法1）特征面分析55第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology分析库内X=5 m、Y=4.5 m、Y=8.2 m、Z方向的中心截面以及安装多孔板后板下0.02 m处截面的温度、速度分布情况。2）特征点分析在冷间内部取特征点进行气流组织分析，特征点位于X=1 m、3 m、5 m、7 m、9 m，Y=1 m、3 m、5 m、7 m，Z=1 m、2 m、3 m切面的交点处，共543=60个特征点。截面与Z截面相交处的特征点的选取，目的是研究围护结构对库内温度的影响。以不均匀性系数、速度极差、温度极差、温度偏差为评价标准对冷间气流组织进行分析。这些值值越小，则该平面速度，温度之间差别越小，流场均匀性越好。不均匀性系数15：（4）式中：为不均匀性系数；v为各特征点的速度平均值，m/s；vi为第i个特征点的速度值，m/s；N为特征点个数，个。温度极差：（5）温度偏差：（6）式中：tmax为各特征点的温度最大值，；tmin为各特征点的温度最小值，。速度极差：（7）式中：vmax为各特征点的速度最大值，m/s；vmin为各特征点的速度最小值，m/s。3 数值模拟结果与分析3.1 A1工况下风机盘管冷库内温度及速度分布规律本文研究安装多孔板对冷库温度场和速度场的影响，仅展示在A1工况下，特征面X=5 m和Z=2 m温度和流速分布。在A1工况下，库温环境为30,风机盘管的出风温度为-3,多孔板与库顶之间的距离为0.8米，风机盘管出风风速为1 m/s，图5a和图5b分别为X=5 m截面的温度云图、速度矢量图，X=5 m截面是X轴方向的中心截面，该截面平均温度为-1.20，平均速度为0.21 m/s，风速为1 m/s的气流沿着冷库内的库顶上沿（Z=4 m截面）吹向对面，形成明显的涡流。在出风口温度较低，在冷库内部整体温度比较均匀。A1工况下送风风速仅1 m/s，风机盘管出口处流速较高，气流流过多孔板后，流速降低，在冷库高度3 m以下流速几乎为0。图 5a A1工况X=5 m截面温度云图Fig.5a Cloud chart of section temperature under A1 working condition X=5 m 图 5b A1工况X=5 m截面速度矢量图Fig.5b Velocity vector diagram of section X=5 m under A1 working conditionZ=2 m截面是冷库高度的中心截面，图6a和图6b分别为Z=2 m截面的温度云图和速度矢量图。该截面平均温度为-0.99，平均速度为0.075 m/s，Z=3 m截面的面平均温度为-1.02，Z=1 m截面的面平均温-1.05。温度沿着Z方向的变化很小，截面中部库温分布较为均匀。截面边界处紧挨围护结构，外界的热量通过维护结构进入冷库内，导致截面边界处温度较高。图 6a A1工况Z=2 m截面温度云图Fig.6a Temperature cloud chart of Z=2 m section under A1 working condition56第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology 图 6b A1工况Z=2 m截面速度矢量图Fig.6b Velocity vector diagram of Z=2 m section under A1 working condition3.2 多孔板安装位置对冷库内温度场及速度场的影响在A2、B2、C2、D2工况下，库温环境，风机盘管出风温度，送风速度三者相等，仅多孔板距库顶高度不同，分别是0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m。如图7所示，安装多孔板后，B2与D2工况下的面平均温度与无安装多孔板工况的面平均温度相差较小，基本保持一致。在A2工况下，多孔板距离库顶为0.8 m时，同时也靠近风机盘管，导致Z方向的面平均温度较B2与C2，D2工况下的面平均温度偏高0.50.15，对送风气流的换热产生了阻碍。C2工况下的面平均温度最低，故在此高度下安装多孔板，对降低冷库内空气温度时有利的。图 7 多孔板安装高度与库内温度场的关系Fig.7 Relationship between installation height of porous plate and temperature field in the warehouse如图8所示，比较在无安装多孔板和安装板距库顶高度不同的情况下（A2，B2，C2，D2工况），对Z方向截面面平均速度的影响。有图可知加装多孔板相对于无安装多孔板对较小面平均速度是有利的，且多孔板距离冷库顶部越远，减小流速越明显，但安装多孔板占据了冷库中上部的空间，减小货物的储存空间，在实际中应充分考虑该问题。图 8 多孔板安装高度与库内速度场的关系Fig.8 The relationship between the installation height of perforated plate and the velocity field in the silo3.3 不同工况下冷间评价指标参数对比根据对A、B、C和D工况下模拟结果，对冷间评价指标的参数进行分析，如表2为A、B、C和D工况下冷间评价指标参数的汇总。图9、图10、图11、图12为冷间评价指标参数变化趋势图。表 2 A、B、C和D工况下冷间评价指标参数汇总Tab.2 Summary of cold room evaluation index parameter of A,B,C and D working conditions工况不均匀性系数温度极差/()温度偏差速度极差/(m/s)A10.9180.9580.5670.436A20.8680.5180.2250.687A30.8960.2530.0990.912A40.8930.2380.0891.193B10.9040.6730.3960.369B20.6730.2580.1170.476B30.6590.1970.0790.591B40.6450.170.0650.761C10.8760.6550.3780.368C20.6480.3270.1450.402C30.610.2270.090.5C40.6010.1740.0660.77357第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration TechnologyD10.7860.6460.390.334D20.490.2240.1020.3D30.5350.1640.0660.432D40.4770.1110.0430.5493.3.1 不均匀性系数比较图9可知，在A1、B1、C1、D1的工况下，风速均为1 m/s，不均匀性系数较大，均在0.8以上。总的来看A、B、C、D工况下的不均匀性系数越来越小，比如在工况A2、B2、C2、D2下，风速相同均为2 m/s，而多孔夹层板距离库顶板高度分别为0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m，不均匀性系数分别为0.868、0.673、0.648、0.49，不均性系数是随着多孔夹层板安装位置的降低而减小的。图 9 不同工况下的不均匀性系数Fig.9 Uneven coefficient under different working conditions3.3.2 速度极差比较图 10 不同工况下的速度极差Fig.10 Speed range under different operating conditions在同工况内，指多孔介质板安装位置不变，比如B工况。B1、B2、B3、B4的送风风速风速分别为1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s，速度极差分别为0.673、0.258、0.197、0.17，速度极差随着送风风速的增大而增大。在比较不同工况，由图10可知，安装多孔介质板距离库顶越远，速度极差越小。3.3.3 温度极差和温度偏差的比较观察图11和图12可知，在同工况内温度极差和温度偏差均随送风风速的增加而较小，在不同工况下，多孔介质板安装距库顶越远，温度极差和温度偏差越小，B、C、D工况的温度极差和温度偏差数值上比较接近，相差较小。图 11 不同工况下的温度极差Fig.11 Temperature range under different operating conditions 图 12 不同工况下的温度偏差Fig.12 Temperature deviation under different working conditions4 结论本文基于CFD方法，建立风机盘管作为末端形58第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology式的冷库模型，在各种工况下的气流组织分布进行模拟，分析加装多孔板以及多孔板高度对风机盘管库内气流组织的影响，根据上述模拟计算结果分析，得出下列结论：（1）安装多孔介质板与无安装孔介质板相比，前者可以降低冷库内Z方向面平均温度，减小库内Z方向面空气流速，最佳安装位置在距离库顶1.2 m时，此时Z方向面平均温度最低在271270 K之间，库内Z方向面平均流速也比较适宜，在0.10.14 m/s之间。（2）在A工况和B1、C1、D1工况下的不均匀性系数，温度极差，温度偏差的数值较大，其值分别在0.8、0.7、0.4 以上，这些工况下冷库内气流组织分布不均匀。（3）在工况D下，安装多孔介质板距离库顶1.4 m时，不均匀性系数、速度极差、温度极差、温度偏差其值最小，说明其冷库内流场分布最均匀，（4）考虑冷库下方货物储存空间实际问题，安装多孔介质板时，C工况比工况D距离库顶近0.2 m，冷库储存空间更大，且不均匀性系数、速度极差、温度极差、温度偏差总体相差不大，故距离库顶1.2 m时，安装多孔介质板最有利于优化冷库的气流组织。参考文献1 林振强.冷库规划建设与升级发展J.物流技术与应用,2021,26(S2):50-51.2 周铸,黄江涛,黄勇,等.CFD技术在航空工程领域的应用、挑战与发展J.航空学报,2017,38(3):6-30.3 段宇飞,寿旭日,童欢,等.船用高温冷库气流组织对温度分布的影响J.船舶工程,2021,43(12):126-131,171.4 Ghiloufi Z.,Khir T.Aerodynamic optimization of cold preservation room design bC/2019 10th International Renewable Energy Congress(IREC),2019.5 Ghiloufi Z.,Khir T.CFD modeling and optimization of pre-cooling conditions in a cold room located in the South of Tunisia and filled with datesJ.Journal of Food Science and Technology-Mysore,2019,56(8):3668-3676.6 田甜,李福良,张雯,等.冷风机不同布置位置对冷库气流组织影响的模拟及实验研究J.冷藏技术,2019,42(1):18-23.7 Li B.,Guo J.M.,Xia J.J.,et al.Temperature distribution in insulated temperature-controlled container by numerical simulationJ.Energies,2020,13(18):1-16.8 Hassan N.M.S.,Khan M.M.K.,Rasul M.G.Temperature monitoring and CFD Analysis of-Data-CentreC.5th-Bangladesh-Society-of-Mechanical-Engineers(BSME)International Conference on Thermal Engineering(ICTE),2012:551-559.9 Praeger U.,Jedermann R.,Sellwig M.,et al.Airflow distribution in an apple storage roomJ.Journal of Food Engineering,2020(269):109746.1-11.10 Delele 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