送风角度对苹果压差预冷效果模拟与分析.pdf

当前，多采用垂直式压差预冷对果蔬进行冷却建立了苹果压差预冷的周期性边界模型，通过数值分析，研究了不同送风角度对苹果冷却效果的影响研究发现，不同送风角度会导致苹果摆放区域气流流动方向和流速发生变化，随着送风角度的增大，流域内气流最大速度呈先增后减趋势变化；送风角度为 0、15和 30时，不同深度苹果内部温度差别不大，预冷效果均较好，但当送风角度为 45时，预冷效果要较其他送风角度略差15为最佳送风温度，推测其原因在于，略微偏斜的送风角度使得气流在流经苹果摆放区域时产生了更多旋流，这些旋流进一步提高了苹果的冷却效果在冷库压差预冷苹果时，让送风角度保持在 030，可以达到更好的冷却效果 关键词：压差预冷；送风角度；数值模拟 中图分类号：TS255.3 文献标志码：A 文章编号：1674-3563(2023)03-0056-07 DOI：10.20108/j.wzun.2022.04.22.0001 本文的 PDF 文件可以从 https:/ 获得 水果和蔬菜是人类所需维生素、矿物质等营养物质的重要来源通常，刚采摘的水果和蔬菜含水量高、呼吸旺盛，容易衰老腐烂，导致在常温下不易贮藏因此，新近采收的水果和蔬菜需要进行预冷处理，降低其品温，抑制呼吸和新陈代谢，减缓营养物质的消耗，延长保鲜期1在诸多的预冷却方式中，垂直送风方式相较于传统的水平送风方式一般具有更高的冷却效率2然而综合考虑冷库建设合理性、高效性、经济性以及果蔬码垛方式，很难保证所有的周转箱内的水果都处于垂直送风的状态为此，对压差预冷中的送风角度进行研究，不仅有利于加深在不同情况下压差预冷冷却效果的认识，更有利于在冷库中选择更加合理的果蔬摆放位置，以保证冷却效果，减少因冷却不当导致的果品损耗金滔等3通过建立单箱苹果垂直送风式压差预冷过程的数值模型，分析了送风速度、送风温度及箱体开孔率对预冷性能的影响，认为应使气流均匀流过所有苹果表面，从而使其表面温度快速下降张金铭4通过 CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真模拟软件构建了不同码垛方式下的压差装置回风通道模型，对其预冷过程进行了模拟，获得了针对葡萄的较优冷却参数王达等5针对现有小果径果蔬预冷包装压力损失大、温度不均匀、降温速度慢等问题，以目前通用的蓝莓采摘、预冷、贮藏包装箱为研究对象，建立 4 种箱体结构的数学模型，探究了在相同开孔率下，梯形孔高度对蓝莓预冷效果的影响，得出了蓝莓不同容积率与冷却均匀性的对应关系但以上文章仅针对垂直送风进行了研究，未分析其他送风角度情况下果品的冷却效果 本文针对周转箱内刚刚采摘的苹果，建立四周侧壁均为周期性边界数值模型，在相同送风速收稿日期：2022-04-22 作者简介：毕方淇(1988)，男，山东淄博人，工程师，硕士，研究方向：设备研发 毕方淇等：送风角度对苹果压差预冷效果模拟与分析 57 度和送风温度下研究了不同送风角度对不同位置苹果冷却效果的影响，以期对送风式压差冷却优化设计以及果品位置摆放提供参考 1 模型与计算方法 1.1 物理模型 本文所研究的送风式压差冷却周转箱尺寸为 450 mm300 mm240 mm，如图 1 所示 进行送风式压差冷却时，将其四周侧面开孔用塑料薄膜封堵为减轻计算量，建立周期性模型如图 2所示苹果（高 68 mm，直径 84 mm）整齐摆放在周转箱内，苹果之间、苹果与底面之间最小间距均为 2 mm为使得流动能较为充分进行，在苹果顶端设置 200 mm 流动稳定区；底部为密布的条状孔 图 1 周转箱 图 2 周期性数值分析模型 空气、苹果及其表皮的物性参数如表 1 所示3 表 1 空气、苹果及其表皮物性参数 类别 密度 /(kg/m3)粘度 /(Pas)比热 cp/J/(kgK)导热系数 /W/(mK)空气 1.225 1.78910-5 1 006 0.0242 苹果 837.000 3 822 0.3800 表皮 770.000 2 300 0.1300 1.2 数学模型 对于流场模拟，作如下假设：A1）工作介质为不可压缩连续流体；A2）流场计算收敛后处于稳定状态，流场物理量只与空间欧拉坐标有关而与时间无关；流场按纳维-斯托克斯方程（N-S 方程）和连续性基本微分方程共同计算 N-S 方程为：222111xxxxxxyzyyyyyxyzzzzzzxyzpXxtxyzpYytxyzpZztxyz+=+=+=+，（1）温州大学学报（自然科学版）(2023)第 44 卷第 3 期 58 其中，拉普拉斯算子：2222222xyz=+，（2）式中，X，Y，Z分别为 3 个坐标方向的质量力，为流体密度，p为压强，为速度，为运动学粘性系数针对本次流场模拟，流体为空气，密度取值 1.22 5 kg/m3，压强为常压，p取值 101 325 Pa，空气运动学粘性系数取值 1.79e-5 1.3 网格划分 针对几何模型，将图 2 几何模型取 1/4 进行自动网格划分，全局尺寸为 6 mm，划分完成后，对模型下半部分进行加密细化最后将该 1/4 网格进行对称面的镜像、合并节点、删除重复节点处理，以确保四个侧面上的节点两两一致处理完毕后网格如图 3 所示 1.4 边界条件、计算条件及监测设置 利用 Fluent 进行数值仿真，计算采用双精度求解器进行求解，动量、能量、湍动能、扩散率的离散格式为二阶迎风格式，湍流模型采用 SST k-w 模型6-7，压力速度耦合采用 SIMPLEC算法 重力方向为Y轴负方向，大小 9.8 N/kg；四周边界两两相对面分别设置为 periodic，入口设置为速度入口，速度大小为 1 m/s，入口温度 2；速度方向采用速度分量方式进行设置，进风方向分别为 0、15、30和 45；出口为压力出口初始温度 25，采用瞬态计算，时间步长 20 s，计算 450 步 监测位置为每个苹果的中心位置，一共设置 12 个监测点，分别监测每个苹果的中心温度随时间的变化情况 2 结果与分析 2.1 送风角度对流场的影响 以不同送风角度下的流场作为研究对象，发现当送风角度发生变化时，苹果摆放区域空气流动方向发生明显变化，如图 4 所示其中当送风角度为 0，即垂直送风时，苹果摆放区域的风基本为自上而下流动，最大速度 5.34 m/s；当送风角度为 15，苹果摆放区域的风开始沿送风角度方向发生少量偏斜，偏斜角度略小于送风角度，约为 10，最大速度有所提升为 6.23 m/s；当送风角度为 30，苹果摆放区域的风开始沿送风角度方向发生的偏斜增多，偏斜角度略小于送风角度，约为 15，最大速度有所提升为 6.28 m/s；当送风角度为 45，苹果摆放区域的风开始沿送风角度方向发生的偏斜进一步增多，偏斜角度约为 30，最大速度下降为 5.12 m/s 通过苹果中心的平行于 XOY 平面的截面速度适量图进行分析，如图 5 所示，发现随着送风角度的增加，截面内空气最大流速逐渐下降，当送风角度为 0时，最大流速 5.06 m/s；送风角度为 15时，最大流速 4.89 m/s；送风角度为 30时，最大流速 4.38 m/s；送风角度为 45时，最大流速为 3.55 m/s 图 3 网格划分图 毕方淇等：送风角度对苹果压差预冷效果模拟与分析 59 图 4 不同送风角度流线图 图 5 截面速度矢量图 综上，可以发现，送风角度不仅会影响苹果摆放区域空气流动方向，也会对流场最大流速造成影响随着送风角度的增大，整体流场最大流速呈先增后减的趋势变化，而苹果间缝隙内空气流速随送风角度的增大逐渐减小 2.2 送风角度对苹果冷却温度变化的影响 模型中一共有苹果 12 个，由于是周期性模型，每层选择一个苹果，测量其中心温度随时间变化，变化趋势如图 6 所示可以看出，不同送风角度下，苹果内部温度变化趋势大体相同，其中送风角度为 0，15和 30时，不同深度苹果内部温度差别不大；但当送风角度为 45时，预冷效果要较其他送风角度略差为进一步分析不同送风角度对冷却效果的影响，将 12 个苹果预冷后最终温度汇总成表，如表 2 所示 温州大学学报（自然科学版）(2023)第 44 卷第 3 期 60 图 6 不同深度苹果中心温度 表 2 苹果预冷后温度 序号 送风角度 0 15 30 45 1 4.249 09 4.217 17 4.318 02 4.553 96 2 4.367 92 4.227 22 4.271 77 4.612 36 3 4.249 86 4.248 38 4.318 18 4.843 84 4 4.383 54 4.259 27 4.347 28 4.742 27 5 4.399 33 4.277 86 4.419 12 4.643 98 6 4.495 73 4.282 96 4.403 90 4.656 41 7 4.393 13 4.348 06 4.398 13 4.795 50 8 4.493 34 4.344 25 4.403 45 4.752 43 9 4.119 91 4.068 21 4.162 93 4.338 60 10 4.123 33 4.067 51 4.154 90 4.341 97 11 4.121 89 4.120 85 4.178 93 4.359 34 12 4.118 38 4.115 54 4.173 06 4.360 28 根据表 2 数据，发现当送风角度为 15时，预冷效果最佳，甚至要好于垂直送风预冷当送风角度为 30时，效果略低于垂直送风，但相差不大 0和 30送风，最大温差不超过 0.1 摄氏度 送风角度为 45时预冷效果较差 毕方淇等：送风角度对苹果压差预冷效果模拟与分析 61 综上所述，针对当前模型，当送风角度为 15时，预冷效果最佳，冷却效果甚至要强于垂直送风进一步分析不同送风角度下模型涡量，发现送风角度为 0时，最大涡量为 1.3e4 s-1；送风角度为 15时，最大涡量为 1.67e4 s-1；送风角度为 30时，最大涡量为 1.63e4 s-1；送风角度为 15时，最大涡量为 1.33e4 s-1由此推测，出现这种现象的原因在于略微偏斜的送风角度使得气流在流经苹果摆放区域时产生了更多旋流，这些旋流进一步提高了苹果的冷却效果 3 结 论 本文研究了苹果三层摆放几何模型在周期性边界条件下，不同送风角度对预冷效果的影响研究得出以下结论 1）不同送风角度会导致苹果摆放区域气流流动方向和流速发生变化，随着送风角度的增大，流域内气流最大速度呈先增后减趋势变化 2）送风角度为 0、15、30时，不同深度苹果内部温度差别不大，预冷效果均较好；送风角度为 45时，预冷效果较其他送风角度略差 3）15为最佳送风温度，推测其原因在于，略微偏斜的送风角度使得气流在流经苹果摆放区域时产生了更多旋流，进一步提高了苹果的冷却效果 4）在冷库压差预冷苹果时，应尽量让送风角度保持在 030，以达到更好的冷却效果 参考文献 1 卢裕亿.预冷工艺参数对蔬菜预冷速率及其冷链品质的影响D.上海:上海海洋大学,2021:1-9.2 李博.苹果的垂直送风压差预冷数值模拟研究D.杭州:浙江大学,2021:1-12.3 金滔,李博,朱宗升,等.苹果垂直送风式压差预冷性能模拟与分析J.农业机械学报,2021,52(9):369-375.4 张金铭.果蔬压差预冷装备回风通道模拟及预冷实验研究D.哈尔滨:哈尔滨商业大学,2020:9-18.5 王达,杨相政,贾斌广,等.不同包装结构对蓝莓压差预冷效果的影响J.浙江大学学报(农业与生命科学版),2020,46(1):47-54,2,63.6 Defraeye T,Verboven P,Nicolai B.CFD Modelling of Flow and Scalar Exchange of Spherical Food Products:Turbulence and Boundary-layer Modelling J.Journal of Food Engineering,2013,114(4):495-504.7 李鹏飞,徐敏义,王飞飞.精通 CFD 工程仿真与案例实战M.北京:人民邮电出版社,2011:122-126.(编辑：封毅)Simulation and Analysis of the Effect of Supply Angle on the Performance of Apples Forced-Air Precooling BI Fangqi,WANG Wenli,ZHANG Likai,CHEN Jinli,JIANG Xin,ZHANG Xifeng(Zibo Institute of Agricultural Machinery Research,Zibo,China 255038)Abstract:At present,vertical forced-air precooling is often used to cool fruits and vegetables.In this paper,温州大学学报（自然科学版）(2023)第 44 卷第 3 期 62 the periodic boundary model of apples forced-air precooling is established,and the cooling effect of different air supply angles on apples is studied by numerical analysis method.It is found that different air supply angles will change the air flow direction and velocity in the apple placement area.With the increase of air supply angle,the maximum air velocity increases first and then decreases;When the air supply angle is 0,15 and 30 respectively,the internal temperature of apples at different depths has little difference,and the precooling effect is good.But when the air supply angle is 45,the precooling effect is slightly worse than that of other air supply angles.15 is the best air supply temperature.It is speculated that the reason is that the slightly skewed air supply angle makes the air flow to produce more swirls when flowing through the apple placement area,which further improves the cooling effect of apples.When precooling apples with differential pressure in cold storage,the air supply angle should be kept between 0 and 30 as far as possible to achieve better cooling effect.Key words:Forced-Air Precooling;Air Supply Angle;Numerical Simulation (英文审校：黄璐)