夹套冰温库内流场的数值模拟

　　1 引言

　　合理的冰温库结构设计能够提高库内流场的均匀性,从而达到提高库内控制精度的目的。目前国内冰温库大多来源于原有冷藏库的技术改造,库内流场均匀性差,控制精度较低。通过优化冰温库的结构,改善冰温库内的气流组织是一项花费少而收效显著的重要措施。本文提出了夹套形式的冰温库体结构,对此结构的冰温库进行了流场的实测及数值模拟计算,并简要介绍了其数值模拟计算结果,期望对高精度冰温库的设计和改造具有一定的参考价值。

　　2 物理模型

　　冰温库结构尺寸为5300mmx3600mmx3165mm(长x宽x高)。室内维护结构采用双层结构(库地面采用单层保温结构),外层保温结构采用聚氨酯保温材料,厚度为55mm,内层为非保温的硬质塑料支撑结构,厚度为40mm。内外层库体间有空气夹层,空气层的存在增加了维护结构的畜热能力,提高了维护结构的抗干扰性能,同时空气夹层作为冰温室气流组织的回风通道,实际冰温库示意图如图1所示。利用Gambit软件建立了冰温库物理模型如图2所示。

　　3 数学模型

　　冰温库采用静压顶送风方式,气流首先由蒸发器吹入静压箱层,从而形成均匀的活塞流(见图1),然后从库内底部的回风口进入夹套层,气流沿空气夹层上升回顶层夹套,进入到蒸发器吸入口。流场雷诺数约为106(数量级),属于有限大空间的紊流场。为了研究方便,统一作如下假设:

　　(1)库内空气为不可压缩牛顿流体;

　　(2)库内空气在固体壁面上无滑移;

　　(3)流动为稳态湍流;

　　(4)忽略由流体粘性力做功所引起的耗散热;

　　(5)冰温库是密闭系统,与外界没有质交换;

　　(6)忽略环境与库体保温层及其内部的辐射换热;

　　(7)模拟空库的流场情况,不考虑货物影响。

　　基于上述假设,本文采用k-E两方程湍流模型进行数值模拟[1]:

　　k方程:

　　采用k-ε模型求解湍流对流换热问题时,控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程及k、ε方程与式(2-3)。在这一组方程中引入了三个系数(c1, c2, cL)及三个常数(σE,σk,σT),其值见表(1)[2~5],其中与温度场有关的湍流Qr数RT与时均形式能量方程的广义扩散系数有下列关系:

　　需要指出的是,上述k-ε两方程称为高Re数模型,适用于离开壁面一定距离的紊流区域。在高Re数区域,L相对于Lt可以忽略不计。而在与壁面相邻接的粘性支层中,紊流Re数很低,因此必须考虑分子粘性的影响,此时可以采用低Re数的k-E模型或壁面函数法。壁面函数法由于节省内存与计算时间,在工程中应用较广。采用壁面函数法,紊流核心区仍然采用高Re数k-ε模型,而在粘性支层中不布置任何节点,把与壁面相邻的第一个节点布置在旺盛紊流区,然后确定控制方程U,V,k,E,T在壁面处的扩散系数以及k-ε方程的边界条件。