纤维风管喷射渗透比对冷藏库内流场特性的影响

南晓红，魏高亮，赵喜梅

纤维风管喷射渗透比对冷藏库内流场特性的影响

南晓红，魏高亮，赵喜梅

（西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院，西安 710055）

纤维风管因具有均匀送风的特点而适用于冷库中，为了明确其开孔形成的喷射送风和风管表面渗透送风的占比对于库内贮藏环境的影响，该研究以西安某实际苹果冷藏库为研究对象，采用数值模拟的方法研究了纤维风管喷射渗透比为仅喷射送风、3∶1、1∶1、1∶2和仅渗透送风这5种工况下冷藏库内速度场和温度场，以确定贮藏环境适宜的喷射渗透比。结果表明：在冷风机制冷量一定的前提下，随着喷射渗透比值降低（即喷射送风量减少），冷藏库内空气区平均速度近似线性降低且速度均匀性逐渐升高，相对于纯喷射工况而言，喷射与渗透相结合的送风方式可以更好地满足冷藏库风速要求；随着喷射渗透比值降低，冷藏库内货物区平均温度先降后升且温度均匀性逐渐降低，说明喷射为主渗透为辅的送风方式更能满足贮藏环境温度的要求。研究表明喷射渗透比为3∶1时库内平均速度低于0.5 m/s，货物平均温度为(0±0.5 )℃，苹果贮藏环境适宜。研究结果为果蔬冷藏库纤维风管的设计及选型提供理论参考。

速度；温度；贮藏；纤维风管；喷射渗透比；冷藏库

0 引 言

冷藏库作为果蔬贮藏保鲜的重要设施，其环境控制对于提升果蔬贮藏品质意义重大。冷藏库内气流速度不均匀容易造成果蔬的干耗，同时温度的波动会刺激果蔬的呼吸而缩短保鲜周期，所以保证库内速度及温度分布的均匀性是冷库设计和运行时应该着重考虑的问题。

冷藏库内适宜的贮藏环境是保障果蔬贮藏品质的关键。文献[1-2]以果蔬冷藏库为研究对象，采用模拟加试验的方式探明货物贮藏期间冷藏库内的流动与传热特性，表明CFD（Computational Fluid Dynamics）技术对流场具有很好地预测作用。文献[3-6]分别针对冷藏库内货物的包装以及摆放方式对库内流场的改善进行了相关研究。文献[7-8]针对冷藏库加装空气幕对于库内温度场的稳定性的研究表明空气幕的重要性。本课题组[9-10]通过分析比较不同的送风方式对于冷藏库内温湿度场的影响，表明新型送风方式对流场具有改善作用。

纤维风管是一种由特殊聚酯纤维制成的集空气分布和空气传输于一体的末端装置，具有送风均匀、无吹风感、防结露、环保易清洁等优点。文献[11-12]采用理论、试验和模拟的研究方法全面阐明了喷射加渗透式纤维风管的气流组织特性。文献[13-14]对比研究冷冻食品加工室内冷风机、散流器和纤维风管送风的流动特征表明纤维风管的优越性。由于纤维风管具有的上述特点能较好地满足冷藏库的贮藏要求亦可应用于冷库中，文献[15-16]系统介绍纤维风管在冷库中的应用优势。

喷射渗透式纤维风管通过开设一定形式的孔口形成喷射送风，纤维风管表面因孔隙的存在形成渗透送风，从而在库内形成强制对流与自然对流相耦合的传热方式。当总送风量不变时，将喷射风量与渗透风量的比定义为喷射渗透比。纤维风管应用于果蔬冷藏库中，其喷射送风量和渗透送风量比例的合理确定是这种风管设计和选型的技术难题。研究喷射渗透送风引起的强迫对流和自然对流耦合传热现象，阐明喷射渗透比对于果蔬贮藏环境流场的影响规律具有重要学术及工程指导意义。为了探究纤维风管送风方式下冷藏库内流动传热特性以及喷射渗透比对于库内气流流场的影响规律，本文以西安某50 t苹果冷藏库为研究对象，对在不同喷射渗透比下纤维风管送风的库内流场进行稳态数值模拟研究，以适宜的果蔬贮藏环境为依据，获得合理的风管喷射渗透比。研究旨在为冷藏库纤维风管送风设计提供科学、合理的理论指导。

1 CFD计算模型

1.1 物理模型

本文的研究对象为西安某50 t苹果冷藏库，标准的贮藏环境为风速低于0.5 m/s，温度为（0±0.5）℃。冷却设备是吊顶式冷风机，尺寸为1.8 m×0.5 m×0.6 m（长×宽×高），冷风机回风口在风机背面，送风装置采用冷风机出风口连接半圆式纤维风管贴附屋顶安装。库内装设的纤维风管直径为0.8 m，长度为6.9 m。在风管轴向两侧顶端均匀开设喷射小孔，依据喷射送风量确定小孔尺寸及数量。本文小孔孔径为0.01 m，间距0.02 m，风管单侧小孔数为325个。货物采用堆垛式排列，平行码放成4堆，堆码的货物间距0.2 m，距离两侧墙、后墙和地面为0.3 m，前墙为1.1 m。冷藏库模型及纤维风管截面示意图见图1。

图1 冷藏库模型及风管截面示意图

为了更加准确的描述冷藏库内流动状况，将库内环境划分为空气区和货物区，同时为简化计算对该模型作出下列假设：1）空气物性参数是常数，为不可压缩流体，同时满足Boussinesq假设；2）货物区为均匀的多孔介质，其热物理性质在所研究温度范围内是恒定的；3）货物的呼吸热在所研究的温度范围内恒定；4）空气和货物之间的热传递由热传导和热对流机制控制，忽略辐射传热。

1.2 数学模型

1.2.1 控制方程

1.2.2 货物区处理

Duret课题组的研究结果表明苹果冷藏库中货物采用多孔介质处理可以得到较好的预测结果[18-20]。本文中将货物区看作多孔介质区域，苹果对应于多孔介质颗粒，苹果间隙处的空气对应于多孔介质中的流体。

1）货物区多孔介质阻力

由于纤维风管的送风作用使得库内空气向货物区渗流并且会受到货物区苹果带来的阻力作用，这部分阻力主要表现为黏性阻力和惯性阻力，在数值计算中作为动量方程的源项处理。

依据Ergun方程[21]可以得到黏性阻力系数和惯性阻力系数：

本文研究的的苹果是80果，即直径为80 mm的苹果，经计算货物区孔隙率为0.45。计算可得黏性阻力系数为77 803.5 m-2，惯性阻力系数为264.1 m-1。

2）货物区呼吸热

该研究中将恒定的果蔬呼吸散热量设置成能量方程中的源项，苹果的呼吸散热量可由文献[22-23]查得。

1.2.3 边界条件及数值方法

合理的边界条件对于数值计算起着重要的作用，针对本文研究对象，计算域为不含风机风管的冷藏库，其速度及温度边界条件设置如下：

1）入口边界（风管送风）：包括送风速度、送风温度、水力直径和湍流强度。参考杜肯索斯纤维风管选型手册，选择5种渗透速度（0、0.04、0.08、0.10、0.14 m/s），基于冷风机总送风量不变确定喷射风速，从而确定5种喷射渗透比，见表1，根据不同的喷射渗透比确定喷射送风速度和渗透送风速度。送风温度恒定为272.15 K。水力直径和湍流强度的计算式如下：

表1 喷射渗透比设定表

其中，由上式计算可得喷射渗透比1∶0和0∶1工况下风管送风水力直径分别为0.01 m和4.6 m，湍流强度分别为5.31%和4.15%，喷射渗透结合送风时湍流强度应处于两者之间。湍流强度小于1%为低湍流强度，高于10%为高湍流强度，可以认为5种喷射渗透比下冷藏库内流场均处于湍流状态。

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3）冷库壁面热边界条件：

由于研究对象为某实际冷库中的一间冷藏间，如图 1a所示。围护结构均为保温墙体，其保温材料为聚苯乙烯发泡塑料，围护结构的表面传热系数及热流密度选取参照冷库设计规范的要求。冷间前墙（内墙）：第三类边界条件，壁面处对流换热系数为2 W/ m2·K，库外空气温度285.15 K，墙体厚度668 mm；后墙（外墙）：第三类边界条件，壁面处对流换热系数为3 W/ m2·K，库外空气温度293.45 K，墙体厚度668 mm；屋顶：第三类边界条件，壁面处对流换热系数为1.5 W/ m2·K，库外空气温度293.45 K，墙体厚度334 mm；侧墙（隔墙）：第二类边界条件，热流密度为1 W/m2；地面：第二类边界条件，热流密度为1.2 W/m2。

2 网格无关性与模型验证

2.1 网格无关性验证

数值计算的网格质量好坏直接影响到计算结果的敛散性及精度[24]。为了获得网格独立的计算结果，本文针对冷藏库模型进行了5种网格数量的结构化网格划分。图2为不同网格数量下货物区平均温度以及空气区平均温度的变化趋势，当网格数量由196×104变化到397×104时，货物区和空气区平均温度的变化小于0.02%，相对变化率明显低于前几组网格数的结果，可认为网格数量为196×104时计算结果与网格数量无关。因此选择这一网格数进行后续计算和分析。

2.2 模型验证

气体从狭长缝隙中外射而出时，射流只能在垂直条缝长度的平面上扩散运动，当条缝相当长时可以看作平面射流。本文研究中风管侧面开有密集小孔，小孔射流呈条缝型分布，因而可近似看作平面射流。蔡增基等[25]通过理论分析得出的平面射流轴线速度衰减公式，被公认能够准确揭示平面射流运动的速度衰减过程。公式如下：

式中代表射流轴心速度，m/s；代表送风速度，m/s；代表紊流系数，平面射流中的风管纵向缝可取0.155；代表测点离风口的距离，m；代表风口的高度，m。

为了验证数值模拟结果的准确性，该研究选用纤维风管喷射渗透比3∶1下喷射送风的轴线速度与上述经验公式进行对比分析，如图3所示。可以看出模拟结果与经验公式计算结果呈现相似的规律，平均相对误差为11.89%，偏差主要集中于射流衰减的前期，后期的衰减规律基本一致，原因在于本文中的密集小孔与实际条缝风口存在一定差别，射流受到孔口尺寸和间距的影响，使得模拟计算前期的速度衰减较慢，随着无因次距离的增大，射流达到充分发展，两者的计算结果趋于一致。可以说明数值模型的准确性，可用于本文的冷藏库气流组织特性研究。

注：喷射渗透比3∶1工况数值计算结果。

3 结果与分析

选取冷藏库长度方向=2.3 m以及宽度方向=3.5 m为代表性截面，以喷射渗透比3∶1为例分析库内流场分布。此外，在冷藏库贮藏主体区域建立3个高度方向监测面（=0.6 m、=2.8 m、=5.0 m），分析喷射渗透比对空气区的速度及货物区的温度的影响，选取的代表性截面示意图如图4所示。

图4 代表性截面示意图

3.1 速度分布

3.1.1 代表性截面速度场

由图5a速度分布可以看出，冷藏库内绝大部分区域风速较小，且不存在传统冷库的局部送风死角的问题。货物区由于自身阻力的存在导致风速较低，多在0.05 m/s，货物堆间隙处的最大流速为0.5 m/s，货物堆与围护结构之间的速度梯度相对较大而容易造成果蔬干耗。流线图可以直观地反映货物贮藏期间冷藏库内气流的流动形态和方向。由图5b流线图看出，风管两侧喷射气流水平贴附流动，在侧壁处形成撞击流并转向竖壁贴附流动。沿程由于逆压梯度的作用而卷吸周围的空气形成漩涡，两侧气流到达地面转向后在冷库中心处形成对冲作用而上升。货物区形成良好的回流现象，由此可以在库内形成均匀的流场。

图5 喷射渗透比3∶1下速度分布

3.1.2 高度方向空气区平均速度

由速度分布图可以看出冷藏库内空气区相对于货物区存在明显的速度梯度，因此针对空气区的速度变化进一步分析。图6a为不同喷射渗透比下的冷库高度方向空气区平均速度的变化趋势。可以看出不同喷射渗透比下空气区平均速度均保持随高度增加而逐渐增大的变化趋势。原因在于随着高度的增加，库内气流受到货物区上部的空气的卷吸作用以及货物内部热源引起的热浮力作用逐渐增强而导致高度方向上的速度逐渐增大。随着喷射渗透比值的降低，冷藏库内各高度处空气区的平均速度近似线性降低。此外，由各高度处的空气区平均速度的均值来看，随着喷射渗透比值的降低，平均速度的均值呈下降趋势，分别为0.61、0.45、0.28、0.18和0.08 m/s，近似可以认为空气区的速度逐渐降低。除喷射渗透比1∶0工况下库内平均流速超出冷藏库贮藏环境应低于0.5 m/s的风速要求外，其余4种喷射渗透比下的风速条件均满足要求。图6b为不同喷射渗透比下冷库高度方向空气区速度标准差的变化情况。可以看出各高度处空气区的速度标准差均随高度增加而增大，即速度均匀性逐渐降低。究其原因，随着高度的增加，库内气流受到由货物区上部的卷吸作用以及热浮力作用，引起的扰动逐渐增强导致其速度均匀性逐渐降低。随着喷射渗透比值的降低，各高度处空气区的速度标准差均保持近似线性降低的变化趋势，此外，高度方向各截面空气区速度标准差的均值分别为0.42、0.29、0.18、0.12和0.05 m/s，由此近似认为库内空气区的速度均匀性逐渐升高。

注：Z为高度。

3.2 温度分布

3.2.1 代表性截面温度场

图7是喷射渗透比3∶1下=2.3 m和=3.5 m截面的温度分布图。空气区平均温度为272.8 K，货物区平均温度为273.15 K且最高温度为273.8 K，货物区最大温差为1 K，满足库内温度贮藏要求，贮藏温度条件较好。由图7a看出，货物区存在明显的温度分层现象，原因在于货物区内部阻力以及呼吸散热的影响使得冷空气近似为层流流动。由图7b看出，温度等值线的连续性较好，风管下部的空气区因渗透送风的存在温度较低且因渗透风速低而形成明显的温度梯度。货物区上部中心位置等温线存在凸起现象，原因在于冷空气在地面中心位置处对冲后上升使得冷库中间位置的流线最密集，冷空气在上升过程中温度逐渐升高降温能力下降，从而等温线的分布受到流动的影响程度增强。

图7 喷射渗透比3∶1下温度分布

3.2.2 高度方向货物区平均温度

温度场的分析显示冷藏库内货物区相对于空气区存在更为明显的温度梯度，由此针对货物区的温度变化进一步分析。图8a是不同喷射渗透比下高度方向货物区平均温度的变化情况。随着喷射渗透比值的降低，各高度处货物区平均温度呈现先降低再上升后平稳的变化趋势。货物区平均温度先降低的原因在于喷射小孔的当量直径很小，纯喷射条件下形成的条形喷射气流与壁面的对流传热更为强烈，使得射流主体的温度偏高，即此时库内对流换热效果由传热温差主导。此后平均温度又逐渐上升的原因在于随着喷射渗透比值的降低，渗透风量加大，库内整体流速线性降低，使得库内对流换热系数逐渐减小，货物区平均温度再次上升。图中可以较为明显的看出喷射渗透比3∶1时，冷藏库贮藏主体货物区域温度分布在272.86～273.33 K之间，贮藏温度条件较佳。图8b为不同喷射渗透比下高度方向截面货物区的温度标准差的变化情况。随着喷射渗透比值的降低，相同高度处货物区温度标准差逐渐上升，温度均匀性逐渐下降。其原因在于喷射渗透比值的降低使得冷藏库内流速逐渐降低，导致库内强制对流换热逐渐变弱，使得温度的均匀性逐渐降低。随着喷射渗透比值的降低，各高度截面货物区温度标准差的均值分别为0.16、0.27、0.35、0.34和0.57 K，可以近似认为库内货物区的温度均匀性逐渐下降。

注：Z为高度。

4 结 论

本文针对苹果冷藏库中采用纤维风管送风方式在不同喷射渗透比下的流场进行了数值模拟研究，获得了喷射渗透比对于冷藏库内速度及温度分布的影响规律，具体如下：

1）随着喷射渗透比值的降低，冷藏库空气区平均速度逐渐降低且速度均匀性逐渐升高，相对于纯喷射工况，结合渗透的送风方式可以满足冷藏库贮藏风速要求。

2）随着喷射渗透比值的降低，冷藏库货物区平均温度先降低再上升后平稳，温度均匀性逐渐下降，因此喷射为主渗透为辅的送风方式能较好的满足冷藏库对贮藏温度的要求。

3）喷射渗透比3∶1时，库内平均流速小于0.5 m/s，满足苹果贮藏的最佳风速要求；货物区平均温度在272.86～273.33 K之间，处于苹果冷藏时要求的（0±0.5）℃的温度范围。因此，果蔬冷藏库纤维风管送风设计时建议参考喷射渗透比值3∶1，即采用喷射为主导渗透为辅的送风方式。

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Effects of ejection-permeation ratio in fiber duct on the characteristics of air flow field in cold storage

Nan Xiaohong, Wei Gaoliang, Zhao Ximei

(,,710055,)

velocity; temperature; storage; fiber duct; ejection-permeation ratio; cold storage

南晓红，魏高亮，赵喜梅. 纤维风管喷射渗透比对冷藏库内流场特性的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(9)：300-307.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.034 http://www.tcsae.org

Nan Xiaohong, Wei Gaoliang, Zhao Ximei. Effects of ejection-permeation ratio in fiber duct on the characteristics of air flow field in cold storage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 300-307. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.034 http://www.tcsae.org

2020-01-14

2020-04-16

陕西省自然科学基础研究计划项目（2018JM3038）

南晓红，教授，主要从事制冷技术领域的科研与教学工作。Email：nanxh@xauat.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.034

TB61+1

A

1002-6819(2020)-09-0300-08