冷藏展示柜蒸发器优化布置的数值模拟及实验研究

　　1 引言

　　在酒店的点菜房等的冷藏展示柜与商场超市的冷藏柜有所不同，它主要用于短时间存放待烹饪的食品，方便人们观看柜内展示的各种食物并进行点菜等。对冷藏展示柜的模拟可以有效帮助优化设计。Giovanni Cortella[1]等针对陈列柜的不同参数，采用 LES 湍流模型对柜内的温度场进行了模拟，结果与实验较好地吻合。丁国良[2]、吴小华[3]等人也对冰箱内空气的自然对流进行了符合各自情况的模拟，揭示了箱内温度场和流场的分布规律。而不同厂家生产的冷藏展示柜有不同的蒸发器布置型式，蒸发器的布置型式关系到柜内温度场分布和降温时间。本文以卧式冷藏展示柜为对象，模拟了 3 种蒸发器布置型式下冷藏柜启动后空气流动传热，通过实验验证数值模拟的可靠性.

　　2 物理模型

　　选取冷藏展示柜贮物空间为计算模型，如图1 所示。外形尺寸: 1 000 × 600 × 300mm; 容积:180L; 冷却方式为直冷。以柜内的空气为研究对象，取内壁为边界，冷源为蒸发器。蒸发器通常有三种布置型式: Ⅰ式蒸发器布置在底面，Ⅱ式蒸发器布置在 A 前侧面和 C、D 左右侧面，Ⅲ式蒸发器布置在 A 前侧面和 B 后侧面。

　　3 数学模型

　　为简化问题，对柜内空气的流动换热进行假设: 气体为牛顿流体; 空气流动为层流; 在柜内表面的空气满足无滑动的边界条件; 忽略空气流动中的粘性耗散; 忽略辐射传热方式。

　　由质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律得到的控制方程为:

　　式中 u、v、w 分别为 x、y、z 方向的流速，ρ、μ、cp、k分别为密度、动力粘度、比定压热容、传热系数，T为温度，t 为时间。

　　初始条件: t =0，T = 300，u = v = w = 0。边界条件: 各壁面认为是固壁边界，冷源( 温度为 0℃)和内部空气的换热系数为 12W/( m2K) ，顶面和外界的传热系数为 2W/( m2K) ，其余壁面和外界的传热系数为 0. 3W/( m2K) 。环境温度取 32℃ 。

　　4 模拟计算分析及实验研究

　　采用 Gambit 软件进行建模，将模型按划分成56 × 26 × 20 的三维网格，导入 fluent 软件，控制方程采用有限体积法离散，对流扩散项采用一阶迎风格式离散，采用 SIMPLE 方法对控制方程进行求解。分别对冷藏柜Ⅰ式、Ⅱ式、Ⅲ式 3 种蒸发器的布置型式进行模拟计算。柜内中心温度数值模拟和实测值瞬态偏差见表 1，最大偏差为 1. 5℃。考虑到模拟计算中空气密度变化和实际变化有难以避免的误差，实验测量中也存在人为因素，认为数值计算结果是可靠的。

　　对Ⅰ式冷藏柜内空气流动传热进行数值模拟，3 000s( 50min) 后柜内温度达到稳定状态，温度场如图 2 所示。数值模拟启动后中心温度变化曲线图及实验测试温度变化曲线如图 3 所示，模拟温度与实测温度最大相差 1. 3℃。3 000s 时模拟温度为 5. 6℃，实测温度为 5. 7℃。蒸发器设置在贮物空间底面，不利于冷藏柜内形成空气的自然对流循环，影响了降温性能。若改变蒸发器布置方式，充分利用由于温差形成的空气密度差，在柜内形成空气的自然对流，有利于提高降温性能，缩短降温时间。