冷藏库预冷降温过程中温度场的数值模拟与试验研究

　　冷藏库已成为我国目前果蔬贮藏的重要设施。为了达到延长果蔬贮藏的目的,果蔬预冷是“冷链流通”中的关键环节之一。预冷是对采摘后的果蔬立刻进行降温处理,使温度迅速降至或接近贮藏温度,以达到除去田间热、保持新鲜度、降低呼吸强度、防止维生素损失、减少生理病害、减轻制冷系统热负荷的目的^[1-3]。调查发现,目前大多数冷藏库内的气流布置存在不合理现象^[4]。不合理的气流布置对果蔬预冷阶段库内冷量分布、果蔬干耗与传热效率及货物的贮藏品质极为不利,因而研究果蔬在预冷期间发生的流动与传热机理,可为冷藏库制冷设备及结构优化提供理论依据。

　　目前,许多学者对预冷阶段果蔬生理变化及传热、传质进行了研究^[5-13] ,为进一步了解果蔬的贮藏特性提供了较好的理论支撑和实践探索,但这些研究方法多是在一定条件下对于特定的研究对象进行的,并不一定适用于采用吊顶式冷风机的小型冷库。准确预测小型冷库预冷过程的流场温度特性,对果蔬预冷保鲜品质和小型冷库结构优化设计具有极其重要的影响。

　　本文应用流体力学(CFD)软件Fluent,对冷藏库空库条件下预冷降温过程中的流动、传热进行了模拟计算,采用J-E紊流模型和非稳态求解方法进行求解,并结合用户自定义函数来定义入口处的边界条件计算温度场,最后通过试验对模拟结果进行验证,以期为冷藏库预冷过程的准确模拟,制冷设备及结构优化提供参考。

　　1 模型的建立

　　1.1 物理模型

　　以某微型冷藏库空库为研究对象。该库的外型尺寸为长x宽x高=4.55mx2.2mx2.0m,冷库采用吊顶式冷风机,设计风量为30m3/min,设计压力为2.2MPa,风机的外形尺寸为长x宽x高=0.73mx0.43mx0.27m,送风口尺寸为长x宽=0.47mx0.4m,回风口直径为0.33m,库壁为0.1m厚的聚苯乙烯预制夹芯板。模型尺寸及研究平面如图1所示。

　　1.2 数学模型

　　建立数学模型的目的是建立反映冷库内流体流场的基本控制方程和相应的定解条件。冷藏库采用冷风机强制空气循环,流场雷诺数约为10⁶(数量级),属有限大空间湍流流动换热问题,其数学模型建立在以下几个假设基础上。

　　(1)试验研究表明,以冷风机中心轴线为平面的两侧空气流场对称性较好。为简化计算,本文将冷藏库简化为二维流场处理。

　　(2)冷藏库内气体为牛顿流体,在研究冷藏库预冷降温过程中,库内空气为不可压非稳态流动。

　　(3)库外温度保持稳定。

　　(4)忽略由于围护结构泄露而引起的热质损失。

　　(5)不考虑冷藏库铁丝网架及支架对流场的影响。结合上述假设,采用Spalding的紊流流场J-E数学模型^[14],在直角坐标系下联立连续性方程、动量方程及能量方程,在近壁处利用壁面函数法对库内温度场的分布进行数值仿真计算。上述各控制方程可表示成以下通用形式^[15]: