番茄压差预冷箱内流场分析

    0　引　言

    经研究发现,果蔬在采收后,仍具有生命并进行着旺盛的呼吸和蒸腾作用,同时放出呼吸热,分解和消耗自身的养分和水分.此外,果蔬从田间采收后,还要释放大量的田间热.由于释放的呼吸热与田间热使其温度迅速升高,加速其成熟并衰老,果蔬的鲜度和品质明显下降.因此,为了最大限度地保持果蔬的新鲜程度和原有品质,就必须在果蔬采收后的最短时间内,在原产地用人工方法将其冷却到规定温度,在保证其抗病能力的前提下,把呼吸和蒸腾作用降到能维持其正常新陈代谢的最低水平,这就是果蔬的预冷.

    果蔬预冷进行得是否迅速、预冷后的温度是否恰当,决定着果蔬的品质.所以必须研究不同预冷条件下果蔬温度的变化情况,而对预冷过程空气流场的分析是进行这一研究的第一步.本文将运用多孔介质理论建立番茄压差预冷箱内冷空气流动的基本方程,并用有限元方法进行分析,得到冷空气的速度分布,以便为箱内温度分布的研究奠定基础.

    1　流动基本方程

    如图1所示,中间部分为番茄预冷箱,两端为冷空气通道.冷空气垂直通过截面ABCD(认为冷空气在该截面上分布均匀,速度可由仪器测得),经预冷箱一端的两个孔进入箱内,并与箱内的番茄直接接触,使之完成预冷.

　　将冷空气在预冷箱内的流动看做流体在多孔介质中的流动,番茄则为多孔介质中的固体颗粒.在以下分析中,箱内多孔介质的参数和箱外冷空气的参数分别设定.

    将冷空气视为不可压缩流体,其流动的连续性微分方程为

A(vx,vy,vz) = divv= 0 (1)

    动量守恒微分方程为

    式中:Qa为冷空气密度(kg/m³);La为冷空气动力粘度(Paõs);v、vx、vy、vz分别为冷空气流速及其在x、y、z方向的分量(m/s);p为压力(Pa);Rx、Ry、Rz为分布阻力项,流体在多孔介质中的流动阻力可以用该项表示,它是在没有明确建立几何轮廓时的一种假设.分布阻力项与以下一个或多个因素的组合有关,即局部压头损失K、摩擦因数f和渗透率C(1/m2).文献[1]对该项的考虑如下:

    式中:β为与局部压头损失和摩擦有关的系数,β=K+f/Dp,其中Dp为番茄当量直径,本文取Dp= 74 mm;v为冷空气速度矢量的数值大小,v=v2x+v2y+v2z;vi为冷空气的速度矢量在i方向的分量(i=x,y,z).

    显然式(5)右侧第一项是因渗透而引起的压头损失,第二项是由于流体流动通道弯曲(番茄所形成的缝隙)与因流体摩擦而形成的压头损失之和.

    将预冷箱内番茄的摆放视为各向同性的多孔介质,则C是不随方向改变的.对于C与B按经验公式[2]

    取值.式中:K₁、K₂值由实验测试结果总结而来,取K1= 1 566,K2= 2.22[3].E是空隙率,指预冷箱内冷空气的体积占箱容积的百分比.