柑橘地面通风贮藏库热压通风降温性能分析

2018-11-22徐勤超李善军潘海兵

江西农业大学学报 2018年5期

徐勤超，李善军，陈红，潘海兵

(华中农业大学工学院/农业部长江中下游农业装备重点实验室，湖北武汉430070)

柑橘的贮藏主要有窖藏、通风库贮藏、冷藏等方式[1]。地窖贮藏简便易行、成本低廉，适合果农分散贮藏。机械冷库通过调节库内的温度、湿度以及进行通风换气，可显著延长柑橘的贮藏期，但是冷库无法利用自然冷源，运行成本高。通风贮藏库作为一种低成本的柑橘贮藏建筑，在冬春季节，贮藏效果良好，现已广泛应用于赣南地区和湖北宜昌地区。

通风贮藏库主要依靠库外风力形成的风压和库内外空气温度差形成的热压促使库外冷空气流入、库内热空气排出，从而达到通风降温的目的。由于风压通风受地形、附近建筑物及树木等障碍物的影响，而且库外自然风向与风速具有不断变化的特点，因此，风压对自然通风效果的影响是不稳定的。在工程实践中，对于主要依靠热压通风的建筑，设计时仅考虑热压的作用，对风压的影响仅进行定性分析；而对于主要依靠风压通风的建筑，为保证通风效果，室外风速根据统计资料的较低值进行计算[2]。

目前，针对柑橘通风贮藏库的研究，主要集中在库内环境对柑橘品质变化的影响方面，而针对柑橘通风贮藏库通风机理的研究还较少[3-11]。为了改善柑橘通风贮藏库的通风性能，就必须对库内的气流量的大小、气流速度分布、温度分布等情况有很好的了解。本文在瞬态热压自然通风理论的基础上，采用计算流体力学方法，对柑橘通风贮藏库瞬态热压自然通风进行数值模拟，得出瞬态热压自然通风气流特性的规律，对于弄清热压通风在贮藏库通风降温中所起的作用，提升柑橘贮藏库自然通风的效果，改进柑橘通风库的设计和使用具有重要的意义。

1 物理模型

图2 柑橘摆放方式Fig.2 The arrangement style of citrus

本文以湖北宜昌地区典型的柑橘通风单体建筑为原型，其基本尺寸长12 m，宽8 m，屋檐高4 m，屋脊高6 m。进、排风口分布在南北两个墙面上，每面墙分别设计4个进风口，4个排风口，进、排风口横向间距为1.2 m；进风口底边距地面高度0.3 m，大小为0.4 m×1.5 m；出风口顶边距屋檐距离0.3 m，大小为0.8 m×1.5 m，如图1。库内柑橘采取横列的摆放方式，如图2。对于热压作用下的通风库的自然通风，由于进、排风口的风速和风向无法预定，将计算区域向外延伸。一般当研究对象放置在室外区域中模拟时，室外空间应为研究对象的3～5倍[12-13]，本文取库外边界区域为研究对象的3倍。考虑到计算量较大，取计算区域的一半计算，另外一半作对称处理。

采用ICEM CFD对计算区域进行建模和网格划分，网格类型为三维四面体网格。采用非结构化网格划分方法，将进、排风口、柑橘堆放区等部位进行局部加密，而且库内空间的网格划分间隔小于库外空间的网格划分间隔，总网格划分数为197 561，计算网格模型如图3。

2 数学模型

为了方便计算，对模型进行如下假设：

(1)假定空气为连续，不可压缩的理想流体；(2)贮藏库墙壁是绝热的，不考虑与外界传热的影响；(3)假定气体符合Boussinesq假设[14]。

图3 计算域网格模型Fig.3 Computational domain mesh model

作为判断流体运动的类型，主要取决于流动过程中的雷诺系数是否超过临界的雷诺系数值，当Re≤2 300时，流动为层流；当Re≥8 000～12 000时，流动为湍流，当2 300

贮藏库内的流场应满足连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程，对于流体的流动采用湍流模型中应用最广泛的k-ε模型，采用标准近壁面处理函数作为湍流模型近壁处理函数，k-ε模型中的系数设置见表1。由于是瞬态的流动，控制方程通用的表示形式为：

(1)

式中:ρ为密度，kg/m3；u为速度矢量，m/s；t为时间，s；φ为广义变量；Γ为相应于φ的广义扩散系数；S为广义源项。

表1 k-ε模型中采用的经验常数

对于对流换热问题，在满足稳定性条件的范围内， QUICK 格式具有较高的准确性，可以有效的减少假扩散现象的发生，而且在物理平面的坐标系中，具有较好的准确度。因此本文模拟选用 QUICK 格式做为控制方程离散方程的离散格式。热压自然通风主要是依靠浮升力的作用的一种通风方式，在流体计算中Boussinesq模型是计算浮升力的一种有效手段，因此在设置流体材料时选择伯松尼克假设进行计算。Boussinesq 模型的表达式如下[9]：

(ρ-ρ0)g≅-ρ0β(T-T0)g

(2)

(3)

式中:ρ为密度，kg/m3；ρ0为参考空气的密度，取1个大气压，温度为25 ℃时对应的空气密度1.18 kg/m3[10]；T为空气绝对温度，K；T0为参考空气的绝对温度，K；β是空气的热膨胀系数，25 ℃时空气的热膨胀系数为0.003 35 K-1。

3 边界条件及求解

本文的模拟是将通风贮藏库置于一个大的室外空间中展开的，库体进、排气口设置为内部的边界条件；库体墙面设置为绝热边界条件；柑橘采收后在产地一般会经过预贮，以消除田间热，一般情况下都是平铺或者原框置于库内，框高也比较低，故可简化为平面热源。根据柑橘贮藏的呼吸强度及贮存量估算，设置果堆区域为定热流边界条件12 w/m2[16]；库外计算区域边界默认为固壁边界，库体和计算区域的对称面设置为对称边界条件。初始条件设置为：库内初始温度为15 ℃，库外初始温度为5 ℃。

4 结果及分析

4.1 瞬态的热压通风量

对典型柑橘通风贮藏库瞬态热压自然通风进行数值模拟，得到通风库单墙面上进气口的通风量随时间变化关系如图4。初始时刻单墙面上进气口的通风量为1.75 m3/s，则全库的进气口通风量为3.5 m3/s，随着通风过程的进行，库内余热逐渐排出，室内温度逐渐降低，室内外压差也逐渐降低，瞬时通风量逐渐减小。在300 s时，库内产热量和排热量基本达到稳定，通风量也基本达到稳定，单墙面上进气口的通风量为0.48 m3/s，然后进气口的通风量基本稳定，一直持续到仿真结束时刻。参考文献[2]对热压通风量的计算公式，取初始时刻的状态条件，进、排风口流量系数为竖轴板式进风窗对开窗情况，取值0.65[17]，计算进风口的通风量为3.85 m3/s，两种方法计算结果相差约9%，验证了仿真模型的正确性。

图4 通风库单面墙进气口的通风量随时间的变化规律Fig.4 Variation law of inlet ventilation flux in single wall of the ventilation storage

4.2 瞬态的气流速度分布

根据模拟，得到库内气流速度分布云图。图5～8是不同时刻，整个计算区域中间纵截面的速度分布云图。可以看出，库内进口处和库外出口处两个区域气流速度较大，这是由于室外冷空气从库底进气口进入库内，室内热空气从屋檐下方的排气口排出库外形成的气流，这两个区域气流速度比较大，且随着通风过程的进行，这两个气流区域的流速是逐渐变小的。从库内气流分布看，进气口附近气流速度比较大，且气流沿库底部流到对称面然后上升，进气口、排气口中间部分靠近墙壁的空间气体流动较少，在库顶部分空气流动也很少。

图5 10 s时计算区域中间纵截面的速度分布Fig.5 The velocity distribution of the middle longitudinal section at 10 s

图6 100 s时计算区域中间纵截面的速度分布Fig.6 The velocity distribution of the middle longitudinal section at 100 s

图7 200 s时计算区域中间纵截面的速度分布Fig.7 The velocity distribution of the middle longitudinal section at 200 s

图8 300 s时计算区域中间纵截面的速度分布Fig.8 The velocity distribution of the middle longitudinal section at 300 s

4.3 瞬态的库内温度分布

图9～14是不同时刻库内温度分布云图。由图可知，初始时刻库内温度为15 ℃且分布均匀，通风开始后，由于热压的作用，库外5 ℃的冷空气从进气口流入库内，并在库底部流动到对称面，流动的过程中，冷空气被加热上升。随着通风过程的进行，室内温度分布存在分层现象，下部低温区温度由于空气的流动混匀，存在一定的温度梯度，而上部高温区，温度变化较小。库内下部靠近地面和对称中心面部分由于气流的作用比较强，温度降低快。随着通风时间的增加到300 s时，排气孔高度以下部分温度降低到6.5 ℃左右，并基本稳定，而排气孔高度以上部分，由于气流作用小，热量没办法带走，所以温度基本稳定在15 ℃左右，降温效果比较差。