吹吸式非等温双层空气幕紊流特性数值分析

    1 引言

    空气幕是利用空气射流形成幕状分布而减少或隔绝外部气流侵入的有效措施,它具有无色透明,不遮视线,工作稳定可靠等优点,因而应用广泛。吹吸式空气幕利用吹出气流和吸入气流的联合作用来控制设定区域参数,吹出气流输送能力强,速度衰减慢,能形成有效射流,抗干扰能力强,但易于卷吸周围热空气,造成负荷增加,而吸入气流的特性正相反,两者联合作用有利于消除各自不足,但参数之间必须匹配才能充分发挥其作用。

    吹吸空气幕在吹出气流、吸入气流、横向气流及内外热压相互作用下的呈现复杂的空气紊流特性,其影响因素十分复杂,近年来出现的双层空气幕的结构与影响因素则更为复杂。以往对空气幕的研究多以实验为主,但由于流场与温度场测试设备不仅十分昂贵,且测试费时费力,某些参数如紊流度的测量则更为困难,因此多数情况下只能进行某些特征点的测试,因而导致各研究者对吹吸式空气幕气流组织的理解与研究结果差异较大,至今由于空气幕卷吸而引起的热负荷仍是超市陈列柜等设备制冷负荷的主要来源(70%以上[1])。

    近年来计算流体力学和计算传热学的文以某立式超市陈列柜为例,运用计算流体力学方法对吹吸式非等温双层空气幕的紊流特性进行了建模分析,以期为空气幕的优化设计寻求有效方法。

    2 计算模型和边界条件

    本文算例为某型立式超市陈列柜。考虑到其风口长度方向尺寸远大于高度和深度两个方向,故将其简化为二维模型。陈列柜空气幕系统中的高低温区域相差有20℃以上,在CFD计算中必须考虑到重力和浮升力的影响,因此本文中紊流模型选用带浮升力项的雷诺应力模型[2],对于大空间的流场计算雷诺应力模型比标准的k -E双方程模型更合适。

    陈列柜有四层货架,外侧是空气幕。出风口和回风口有内外两层,内层送风空气在流道内经过蒸发器,温度较低,实际运行送风速度为L1=1.6m/s,温度为T1=273K,外层空气温度较高,不经过蒸发器,实际运行送风速度为µ2=1.1m/s,温度为T2=278K。

    计算中货架上的物品设为方形非流动区域,由于陈列柜外部为自由边界,本文计算区域的大小根据数值计算结果进行调整,通过数值实验当外边界条件对主流区域的计算结果没有影响时,选定其最小空间作为计算区域。固体壁面及外部空间计算界面处速度取为零。靠近外边界的一层内边界节点温度设定为环境温度。即认为陈列柜内的冷空气到达这些点时已被外在热负荷加热到环境温度。送风口处风速、温度按实测值给定。回风口处取背压为零。

    表1为沿射流方向及其附近的测点数值与计算结果的比较,理论结果与实测值基本吻合,说明本文建立的模型基本能反应其速度场与温度场的实际分布。