空气幕的研究进展

缪 晨谢 晶

（1.上海海洋大学食品学院，上海 201306；2.上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306）

空气幕的研究进展

缪 晨1，2谢 晶1，2

（1.上海海洋大学食品学院，上海 201306；2.上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306）

主要从计算方法、数学模型、流动特性和性能影响因素等方面对当前国内外空气幕进行分析，并论述空气幕在冷库中的应用研究，通过对空气幕研究成果的分析，得出CFD数值模型在预测空气幕效率上更有优势、向外调整喷射角度可以提高空气幕的封闭性等结论，提出下一步研究冷库门空气幕的方向。

空气幕；冷库；节能；进展；数值模拟

在超市、办公楼、矿场、冷库等商业或工业建筑以及陈列柜、冷藏车等冷藏设备中，由于人员的走动或货物的进出，入口处需要经常开启，为了减少外界环境空气与内部环境发生热量与质量交换，维持室内控温要求，往往在入口处设置空气幕。1904年，Van Kennel［1］关于空气幕的研究在北美发表后，空气幕技术迅速发展。空气幕是通过贯流风轮喷射出强大气流形成空气面，阻隔室内外压差导致的气体流动，从而抑制风幕两侧区域发生空气交流，减少质量与能量交换，达到节能的效果，同时又具有防尘、防污染、防蚊蝇的功效。因此，研究空气幕的性能使空气幕达到最佳的效果是众多学者关注的研究焦点。

1 空气幕的研究现状

1.1 空气幕计算方法

建筑单位在安装空气幕装置时，往往只按入口尺寸来选择，既不考虑风幕风量和出风速度，也不考虑出风温度和喷射角度，只是按照风幕尺寸能覆盖大门尺寸来选择产品。这样势必会因为出风速度过大而造成能源浪费，或是因为温度和风量不符合实际需求，空气幕无法起到满意的与外界隔离的效果，以致影响室内控温环境。所以，在选择空气幕前，首先要进行设计计算。

蔡颖玲［2］通过计算空气幕送风量、送风温度和效率，对3种空气幕常用的计算方法（以自然通风为基础、以平面自由射流理论为基础、根据空气动力学理论推导而得出的基本公式）进行比较和分析，发现自然通风法是比较合理的计算方法；在计算送风量时，方法二（以平面自由射流理论为基础）需要同时考虑热压和风压的作用；秦虹［3］介绍了几种常用方法的特点和适用条件，分别对存在的问题进行了分析，认为空气幕计算仅考虑单一作用压差导致送风量过小而且空气幕抗弯能力弱，于是提出了改进后的计算方法，并介绍了一种先进的计算方法－总压差计算法。

针对无法设计适宜的空气幕来满足不同建筑类型和建筑条件的问题，秦虹［4］又提出了简化的计算方法，分析了简化方法的适用性和误差，建议计算夏季空调建筑空气幕总压差和送风量时应综合考虑热压、风压、机械压和平衡压，而冬季空调建筑采用按热压计算的空气幕计算方法。

1.2 空气幕数学模型

建立数学模型是空气幕数值求解过程中最关键的部分。层流模型是相对容易的求解模型，风幕在较低的流速下会呈现层流流动状态。对于封闭式陈列柜［5］，柜内空气呈自然对流状态，属于层流流动，采用层流模型可以模拟冷藏陈列柜内的温度场。但是目前的空气幕大量应用在敞开的环境中，容易受到外部环境空气的干扰以及空气幕自身重力作用，空气幕很难处于层流状态。因此，在数值模拟中，层流模型更多地被湍流模型所取代［6］。

目前，κ－ε双方程模型是风幕数值模拟中应用最广泛的湍流模型。赵玲等［7］采用标准κ－ε模型，利用计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）FLUENT 软件数值模拟了循环型矿用风幕隔断风流的效果。同样陈列柜也有采用标准κ－ε模型模拟风幕性能的实例［8］。

虽然标准κ－ε模型被广泛应用，但也存在一定的缺陷，因此在标准κ－ε模型基础上，有学者提出了各种修正项，使数值计算结果更接近试验结果。崔景潭等［9］和徐正本等［10］对标准κ－ε模型进行了浮力项修正，建立了湍浮力射流模型对风幕射流进行了分析，为进一步优化风幕性能提供了依据；Mu等［11］运用κ－ε湍流模型并考虑了浮力作用，预测了立式敞开陈列柜风幕的气流场，在某些测量点上，计算结果与试验结果相符合。

常用的湍流模型还有雷诺应力模型和大涡模型。谢卓等［12］和冯欣等［13］采用雷诺应力模型分别对卧式陈列柜和双层风幕陈列柜的流场、温度场和湿度场进行了数值模拟和实验验证；Cortella等［14］采用大型涡流模型，通过CFD模拟陈列柜双层风幕的气流和温度分布，数值模拟结果与实际测量结果相吻合，然而，风幕的整体热负荷与模拟结果吻合效果不是很理想，可能是因为陈列柜复杂的结构，无法测量风幕内部的速度。为了比较κ－ε模型、雷诺应力模型和大涡模型的适用性，陈江平等［15］以卧式陈列柜为试验对象，利用3种湍流模型模拟计算柜内的气流场和温度场，与试验结果对比后发现，雷诺应力模型的结果更接近试验结果，能较好地预测陈列柜风幕的气流流动规律。

近几年，有学者［16］开始研究一种新型的湍流模型——双流体模型。最早提出双流体模型的是美国的Spalding，他认为两种流体各自流动会发生质量、能量和动量的交换。余克志等［17］和黄志坤等［18］采用双流体模型分别对立式陈列柜和卧式陈列柜的速度场和温度场进行模拟，与常用的湍流模型相比，双流体模型模拟结果与试验结果更加吻合，是优化陈列柜风幕的一种有价值的模型。之后在双流体模型的基础上，全面考虑两种流体之间的质量交换，余克志等［19］又提出了改进的双流体模型，得出大部分工况下改进模型模拟的温度值与实测值更加接近，而且当内外风幕风速较小（小于0.3m/s）时，双流体改进模型的模拟效果要优于改进前的模型，但是当风速增大后，其模拟精度又会下降。

上述介绍的模型都属于独立的CFD模型，形式比较复杂。为了简化模型便于使用，Hammond等［20］和 Cao等［21，22］分别提出了空气幕偏转量模型和冷量损失模型。这类模型是一系列变量的函数形式，称为关联式模型，其计算结果与实测结果十分吻合，有很大的发展前景。

1.3 空气幕流动特性

为了更好地理解空气幕流体流态的基本特性，将空气幕假设为一种负浮力贴壁射流，是沿着浮力和射流速度方向向下移动的高密度射流。有3种无量纲参数用来描述这类流体的流动特性：雷诺数（Re）、理查森数（Ri）和格拉晓夫数（Gr）。

在射流流速较低的情况下，Angirasa［23］计算研究了加热表面的层流贴壁射流。发现理查森数在0.004～0.01内，当雷诺数增加到102数量级时，射流开始脱离壁面，从而导致壁面处的传热下降。对于湍流流动（雷诺数大于104数量级），Ljuboja等［24］建立了κ－ε模型的扩展形式模拟湍流负浮力壁面射流的流动特性，说明了浮力和壁面的影响作用。

然而，有关平板贴壁射流在过渡区流动（雷诺数为103～104数量级）或是对实质性的湍流强度的研究很少。最近，Field等［25］把陈列柜中的空气幕理想化为负浮力壁面射流，使用粒子图像测速（PIV）技术检测空气幕的卷吸特性，研究雷诺数在1 500～8 500内空气幕的流动特性，并分析了雷诺数和理查森数对涡旋动力、速度分布和风幕卷吸率的影响，最后得出减小风幕卷吸率的方法。

空气幕卷吸现象主要是在压力作用下外界环境空气与空气幕在剪切层混合后造成的，卷吸作用会破坏空气幕的隔离性能，影响空气幕的效率。Pratik等［26］使用 Navier－Stoke方程模拟研究理想贴壁射流中的卷吸现象，模拟结果发现随着雷诺数的增加，射流厚度逐渐减小，当雷诺数达到700时，空气幕厚度达到最小值，射流开始变得不稳定，雷诺数继续增大到1 000以后，卷吸现象明显增加。

1.4 空气幕性能的影响因素

空气幕的流动和传热受多种因素的影响，Luis等［27］发现空调房间门高度、室内外温差、初始喷射角度等都会影响空气幕的封闭性能。

Chen［28］模拟研究了立式开式陈列柜单层循环风幕的隔热性能。试验发现风幕装置的长宽比和喷射角度会影响风幕的稳定性。提出减小长宽比可以减少卷吸现象，喷射角度向外侧偏转15～20°时，风幕的封闭性能最佳；管天等［29］研究了陈列柜双层风幕送风速度对风幕性能的影响，发现降低内侧冷风风幕的送风速度或提高外侧非冷风风幕的送风速度都能使风幕向柜内偏移，减少环境热空气的侵入，提高风幕封闭性能。

陈蕴光等［30，31］应用数值方法分别研究了不同射流速度分布（均匀分布、2种线性分布和抛物型分布）和陈列柜内部结构对垂直风幕性能的影响，结果发现，内侧较大的线性速度分布对空气的卷吸作用最小，风幕性能最佳。在保证柜内温度的条件下，在风口设置合适的整流装置也可以减小对环境热空气卷吸作用，从而优化风幕的性能，此外柜内隔板的存在可以提高风幕流动的稳定性，出风口内沿与隔板前端之际的水平距离和隔板之间的竖直距离分别对柜内温度分布和风幕流动轨迹有显著的影响，要根据需要设计计算。

汪澍等［32］研究了矿用密闭救生舱空气幕开孔直径、开孔间距及救生舱外界环境气体浓度对空气幕阻隔性能的影响，结果发现，开孔直径和开孔间距分别为0.5，20mm时空气幕的阻隔效果最佳；王海宁等［33］采用有限元模型数值模拟了矿用空气幕的风流特性，发现空气幕供风器结构会影响其供风风压和风流速度，而且较小的供风器出口宽度可以提高空气幕的性能。

1.5 冷库空气幕的研究现状

冷库是在低温条件下贮藏货物的建筑，在冷库运行中，货物的进出经常需要开启库门。库门开启时，库外高温高湿的空气渗入库内，造成库温升高，影响食品品质；库内冷空气与库外空气接触混合后，门道处会形成薄雾，影响工作人员的视线，容易造成事故；对于冻结间而言，大量的热湿交换使库门上部、地板及天花板结冰，导致库门损坏；更主要的是冷风机或蒸发器排管结霜，传热恶化，导致库温波动，增加冷库运行和融霜能耗。据统计［34］，中国冷库平均耗电量高达131kW·h/（m3·年），日本仅为48～56kW·h/（m3·年），欧洲等国在60kW·h/（m3·年）左右。

为了实现冷库节能，隔断库外热空气渗入库内，最常用的方法是在冷库库门处安装透明的聚氯乙烯（PVC）条状幕帘。但是Ligtenburg等［35］认为PVC条状幕帘效率低、不安全、不卫生，而且会影响叉车操作员的视野。Chen等［36］建立了预测冷库空气渗透率的理论模型，模型中包含空气气密性，开门期间的空气渗透率和货车工作造成大门处额外空气的交换，预测了不同尺寸的商业冷库的空气渗透率；Foster等［37，38］运用经验模型和CFD数值模型对冷库大门在没有安装空气幕情况下的空气渗透率进行了计算和模拟分析，结果得出空气渗透率在20%～32%，因此提出在入口处安装空气幕可以减少外界热空气渗入冷库。

冷库大门处使用空气幕后，Foster等［39］使用经验模型对空气幕偏转量进行了计算，并用CFD二维技术模拟预测了空气幕的速度场和温度场，发现空气幕射流的贴附效应使射流的中心主轴偏离了冷库，而在热压作用下，射流的边缘偏向冷库，导致空气幕最后变成空洞。为了能更加准确地预测冷库空气幕的性能，Foster等［40］又运用了CFD三维技术对空气幕进行了模拟，发现空气幕射流速度和喷射角度对空气幕的效率有明显的影响，提出了向外侧调整喷射角度或使用更高的喷射速度从而可以减小风幕两侧的偏转，以提高空气幕的效率。

中国也有学者［41，42］利用理论分析和经验公式分别对冷库大门处的冷风渗透率进行了计算分析，并使用CFD三维技术模拟了热压作用下的冷库内外气流流动，分析了在冷风机吹风速度一定时，冷库内和大门处的温度场和速度场，以及穿过冷库大门的冷风渗透率。建议在冷库大门处安装空气幕装置能减少库门两侧空气热质交换，从而减小冷库负荷，达到节能的目的。

杨彦宾［43］运用数值模拟的方法分析了热压和风压同时作用下冷库空气幕的效率，得出空气幕最佳的设计参数和运行模式；南晓红等［44］建立了包含冷库内部对流换热、冷库门空气幕射流换热及室外环境风场流动在内的三维整体耦合求解数值模型。通过求解建立的数值模型，重点研究了冷库门空气幕送风速度、喷口宽度和送风角度3种参数对空气幕性能的影响规律，提出了最优的空气幕运行参数。

2 结论与展望

根据前人对空气幕的研究，可以得到以下结论：①CFD数值模型比经验模型在预测空气幕效率上有优势，CFD模型不仅可以准确预测室内外温度随时间和高度变化时流过大门的气流场，而且CFD模型可以预测动态变化的温度场且准确性较高；② 风幕出风空气和外界空气的压差、温差或相对湿度差对空气幕的稳定性影响较大，合理控制风幕出风空气的温度和相对湿度可以很好地提高风幕的效率；③ 空气幕效率并不是随着喷口宽度的增加而增大，当喷口宽度达到一定值以后，空气幕效率的改善并不明显，反而增加了空气幕的能耗和制造安装的难度，因此，喷口宽度不宜太宽，最佳喷口宽度为0.05m，而喷射角度向外侧调整15～20°可以提高空气幕的封闭性；④ 雷诺数在102～103数量级（层流区域）时，空气幕射流流动稳定，雷诺数大于103数量级时，流体开始急剧扰动，出现卷吸现象。

国内外学者对空气幕的研究取得了不少成就，但是由于空气幕流动和换热的复杂性，很多空气幕未能达到理想的效果，为了进一步优化冷库门空气幕的性能，可以从以下几个方面进行：① 较小的送风速度能有效缩短风幕的主轴，减少冷负荷，但风幕射流不能到达底部，无法形成完整的风幕。送风速度过大时会增加风幕射流与外界热空气的热质交换，增大风幕的卷吸作用，因此研究合理的送风速度能提高空气幕的封闭效率；② 双层空气幕在超市陈列柜中的应用得到普及，并且取得了很好的效果，内层空气幕是低温射流，外层空气幕是等温射流，如果冷库中使用双层空气幕，外层空气幕隔绝外界空气与库内空气发生交换，内层空气幕维持库内环境温度，从而可以提高空气幕的性能，但是采用双层空气幕时，需要考虑各自的温度、湿度等因素，避免空气幕之间发生干扰影响空气幕性能；③ 陈列柜空气幕的数学模型已经发展有十几种，不同的数学模型拥有各自的特点和优势，而针对冷库空气幕数学模型的研究很少，普遍使用标准κ－ε模型数值模拟，因此研究冷库空气幕的流动特性，建立不同的数学模型对提高冷库空气幕的性能有很大帮助；④ 有关空气幕性能影响因素的研究很多，但是普遍集中在单一变量对空气幕工作性能的影响，而且没有明确影响变量的主要性和次要性，因此有必要在前人研究的基础上，将影响空气幕性能的因素分类，然后可以建立计算方程包含所有的主要因素或次要因素，研究各个变量与空气幕性能之间的关系，得出最佳的各个参数数值，可能比求出单一的最佳值更有效。

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Research development on air curtain

MIAO Chen1，2XIE Jing1，2

（1.College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai201306，China；2.Shanghai Engineering Research Center of Aquatic－Product Processing＆ Preservation，Shanghai Ocean University，Shanghai201306，China）

The current status of air curtain were introduced.The several related research topics were analyzed including calculation methods，mathematical models，flow characteristics，factors influencing performance of air curtain and the application research of air curtains used in the cold storage were also described.Some conclusions of current researches on air curtains were obtained such as CFD had an advantage in predicting air curtain，nozzle angle adjustment could improve the sealing capability of air curtain.Lastly，the further research directions of air curtain used in the cold storage were presented.

air curtain；cold storage；energy saving；development；numerical simulation

10.3969 /j.issn.1003－5788.2012.04.064

“十二五”国家支撑计划项目（编号：2012BAD38B09）；2011年度上海市农业科技成果转化资金项目（编号：113919N0700）；上海市科委工程中心建设（编号：11DZ2280300）

缪晨（1988－），男，上海海洋大学在读硕士研究生。E－mail：mcaibj＠sina.cn

谢晶

2012－03－30