低温流场气流组织的数值分析研究

    1 前言

    对于一般的速冻设备而言影响性能的因素很多,其中改善装置内气流组织来减少进出口的跑冷量是提高效率的一个切实可行手段。本文利用商业软件对速冻装置内流 场的气流组织进行模拟计算,与实验结果对比,验证了模拟的可靠性,在不改变装置内部结构的情况下,对不同位置设置遮流板并将模拟结果进行对比,找出设置遮 流板的最佳位置。

    2 模拟方法

    2.1 研究对象

    以吹风式单螺旋速冻装置为模拟对象,进出料口开设在对称分布的异侧同高度上,水平高度在冻结区底部,送风方式采用侧送侧回,上下放置4台风机。模拟区域为冻结区及料口平面。其模型如图1所示。

    2.2 计算方法及湍流模型

    采用有限容积法对方程进行离散。基本方程采用三维雷诺平均守恒型N-S方程,湍流模型采用k-ε两方程模型,对流源项采用二阶迎风格式,压力)速度耦合采用SIMPLE算法。连续性方程和动量方程写成张量形式分别是:

    式中 ui—i方向速度,m/s

    xi—坐标分量

    ρ—流体密度,kg/m3

    µ—粘性系数

    P—压力,Pa

    —湍流雷诺应力项

    能量方程:

    式中 T—温度,K

    λ—导热系数,W/(m•K)

    —能量附加项

    方程中的雷诺应力和能量附加项由标准k-ε湍流模型进行模化。

    k和ε方程分别为:

    式中µt—湍流粘性系数,

    Cµ—系数,取Cµ=0.09

    C₁、C₂、σ_k、σ_ε为模型常数,分别取: C₁=1.44,C2=1.92,Rk=1.0,σ_ε=1.3

    风机出口为入口边界,进出料口为模拟区域的出口边界,其余边界视为绝热流边界。

    3 模拟方案及结果分析

    为了确保模拟结果的可靠性,首先在实验条件下对速冻装置内部流场进行模拟,并将其结果与实验数据进行对照分析。结果表明,模拟值误差在合理的范围内,说明本模拟方法合理可靠。

    分别取冻结区、料口1、料口2的测点(6个)平均值进行对比。模拟结果的分析可从气流组织的评价指标入手[1]。本文运用速度不均匀系数ku和温度不均匀 系数kt来分析和评价内部流场冻结区和两个料口处的气流组织,这将有助于了解冻结区的冻结性能及分析料口的跑冷特性,特别是两料口之间速度分布的特性。 ku和kt定义为速度和温度的均方根偏差(方差)与速度和温度算术平均值的比值。显然,ku、kt的绝对值越小,气流组织的均匀性越好,冻品质量的稳定性 就越高。