果蔬冷藏间温度场和速度场的耦合关系探析

    0　前言

    在果蔬冷库中,通过控制冷藏间的温度来抑制果蔬的生命活动,从而使之长期保持新鲜状态,是果蔬冷藏成败的关键;同时还须调节冷藏间的风流速度以降低果蔬的干耗,以避免果蔬因大量失水而导致其表皮起皱、皴裂,是提高果蔬的冷藏品质所必需的。因此,对果蔬冷藏间的温度场和速度场进行求解,对于保证果蔬的冷藏效果是至关重要的。

    求解果蔬冷藏间的温度场和速度场有两种方法:耦合求解法和分步求解法。耦合求解法是对速度场和温度场进行耦合求解,它考虑了温度场和速度场的相互作用,尤其是温度场对速度场的影响;分步求解法则认为速度场决定温度场,但温度场不对速度场产生任何影响。也就是说,在冷风机启动的瞬间,其速度场就已经确定了,后来冷藏间温度场的变化并不改变原来的速度场,而只是以原来的速度场为基础的温度场,因此,可以先求出冷藏间速度场的分布,再在速度场的基础上研究其温度场的分布。

    这两种求解方法的实质在于,温度场和速度场的耦合关系是怎样的。如果温度场和速度场的耦合性不强,即温度场对速度场的影响较弱,那么就可以使用分布求解法,并且能够得到较精确的结果;反之,则必须对温度场和速度场进行耦合求解。

    本文将应用有限元分析软件ANSYS/FLO-TRAN对冷藏间的温度场和速度场进行计算机数值模拟,通过对各模拟方案的结果进行比较和分析,来讨论冷藏间温度场和速度场的耦合关系。

    1　数值模拟方案的设计

    本文选取某果蔬冷库冷藏间的一个剖面进行研究。为了减少不必要因素的干扰,重点分析冷藏间温度场和速度场的耦合关系,此冷藏间设定为不装货物的空库。冷藏间剖面宽6.6 m,高7.8 m。由风口喷出的冷空气以17°的仰角贴着顶棚射流,沿冷藏间上部吹至左墙面,经由左墙和地板后,通过回风边界回风,并且通过监测回风边界的回风温度来控制冷藏间的温度分布(见图1)。

    速度场是温度场的载体,对温度场的分布起着决定性的作用,所以,在模拟方案设计中主要考察温度场对速度场的影响情况。

    首先,比较在不同的送风速度下,加载温度载荷时的速度场和不加载温度载荷时的速度场的区别(见图2)。

    由图2可以看出,流体的速度场基本上可以分为三个区域:靠近顶棚、左墙、地板等固定壁面的为边界区,边界区的内侧为主流区,位于速度场中心位置的为中心区。

    (1)不加载温度载荷时,速度场中心区的范围比加载温度载荷时大,而且加载温度载荷时中心区的形状变“扁”。

    (2)不加载温度载荷时,速度场的边界区在冷藏间的左下角是不连续的,受主流区的影响较大;而加载温度载荷时,边界区在冷藏间的左下角则是连续的,受主流区的影响较小。