进风口高度对食品立库气流和温度的影响

2022-05-23金光远崔政伟

包装与食品机械 2022年2期

金炜，唐霞，金光远，崔政伟

（1.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122；2.江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122；3.无锡职业技术学院，江苏无锡 214122）

0 引言

近年来物流仓储行业不断发展，越来越多的企业建设高大空间自动化立库来满足不断上升的物流配送需求。大型自动化立库具有厂房跨度大、货架高且密集、耗能大等特点［1］，自动化堆垛机等设备在运行过程中不可避免地产生热量和有害气体，在炎热的夏季导致货架顶部气体温度过高从而影响食品安全。因此，在厂房建造之初，按照GB/T 51129—2015《工业化建筑评价标准》设计合理的通风系统，有效地降低立库顶部温度，对保障食品安全和设备正常运作，降低能耗有着重要的意义。

对于高大空间通风系统的气流组织设计，目前尚无成熟的理论和实验结论［2］，主要研究手段为气流分析和数值模拟即计算流体力学（CFD）。CFD模拟技术可以全面地反映室内的气流、温度等分布情况［3］，对比确定最优气流组织，极大地缩短设计周期。LEUNG［4］探讨了自然通风下通风口位置对通风效果的影响。MERLIJN等分析了送风高度以及速度等对高大空间气流组织的具体影响［5］。高婷［6］通过改变进排风口的面积，结合CFD技术对大型钢铁工厂的通风方案进行改进。赵福云等［7］采用CFD方法研究发现工业厂房机械送风口位置对通风效果有很大影响。针对高大厂房的气流组织设计分析虽已有许多的研究进展和案例［8］，但由于不同厂房空间大小不同，厂房内设备布置摆放等多种因素不同，使得许多学者研究的成果不能普遍适用于其他高大空间厂房。且研究多以机械送风与空调送风为主，机械排风方面的气流组织研究比较少。

本文以某公司新建自动化立体仓库为例，采用顶部机械排风。由于食品仓储的特殊性，需保证货架上的食品处在合适的温湿度条件下［9］，具体的温湿度取决于食品的类别及相应的包装储存方式。本文中储存食品为真空包装棕子，存储温度要求为38 ℃以下，采用CFD数值模拟的方法对该大型食品自动化仓库进行通风系统设计，模拟在夏季高温条件下不同进风口高度对库内速度场和温度场的影响，对比分析模拟结果，探究立库通风系统的合理设计方案。

1 模型建立

1.1 物理模型

立库长为94.32 m，宽为62.75 m，侧面高度为27.30 m，屋顶最大高度为29.275 m。立库内部有2种货架：一种为单深位货架；另一种为双深位货架，根据实际形状分别简化为63.70×1.10×18.15 m和63.70×2.20×18.15 m的长方体，按照规划的位置摆放在立库内。货架之间布置堆垛机，堆垛机简化成63.70×0.40×20 m的长方体。前后设有进风口，尺寸为20.70×1.20 m，屋顶排风口的尺寸为1.00×1.00 m。物理模型如图1所示。结合资料和物流模型，设定气流组织为两侧送上方回，其他的模拟参数如表1所示。

图1 食品自动化立库物理模型Fig.1 Physical model of food automatic storehouse

表1 模拟方案表Tab.1 Simulation scheme table

1.2 数学模型

在构建数学模型前，作如下假设：（1）立库内空气流动为稳态湍流流动；（2）立库内空气为牛顿不可压缩流体，且符合Boussinesq假设［10］，即流体密度的变化仅对浮升力产生影响；（3）立库内部门、窗、墙壁闭合时气密性良好；（4）不考虑太阳辐射以及房间内部各表面的辐射换热影响，墙壁设置为定温表面；（5）固体壁面上满足无滑移条件，不考虑其影响。

对于湍流方程的选择，已经在大多数大型工业厂房的气流组织模拟中有广泛的应用［11］，但k-ε模型对于近壁面以及涡流缺乏精度，所以结合前人经验以及实际情况，本次模拟选择由Menter提出的SST k-ω双方程模型，该模型兼具k-ε模型的优点，且在近壁自由流中有更高的精度，并与连续性方程、动量方程、能量方程一起构成仓库内空气流动与换热的基本控制方程。

2 网格划分与边界条件

2.1 网格划分

选取立库作为计算域，应用Solidworks进行1：1的建模。在Workbench Meshing中采用非结构化四面体网格与六面体网格相结合进行网格划分，对进口和出口处网格进行加密处理。总共划分了15 376 999个网格单元，网格平均最大偏度为0.829 49，小于使用要求的0.90，网格质量良好，并进行了网格无关性验证。

2.2 边界条件

设置屋顶与墙面为定温壁面，排风口为质量流量出口边界，进风口为压力入口边界，具体边界条件参数如表2。压力速度耦合采用Couple算法，能量方程采用二阶迎风格式，其余采用一阶迎风格式，收敛标准：能量方程的残差<10-6，其余方程的残差<10-3。

表2 边界条件汇总Tab.2 Summary of boundary conditions

3 模拟计算及结果分析

3.1 速度场分析

3.1.1 Z=1.10 m平面的速度场分布情况

考虑到立库中人员作业高度的风速情况，取Z=1.10 m平面作为速度场分析界面，速度场分布情况见图2，特定平面上沿X方向平均速度变化见图3。

图2 Z=1.10 m平面速度场分布情况Fig.2 Distribution of velocity field in plane Z=1.10 m

图3 特定平面上沿X方向平均速度变化情况Fig.3 The change of the average velocity in the X direction in a particular plane

由图2和图3（a）看出，方案一中立库两侧人员作业区域的风速处于0.10～0.24 m/s，满足人员舒适性要求，气流在进入货架与堆垛机狭长的通道后流速明显增大，为0.16～0.30 m/s，这是由于流道变窄，压力减小，动量增大。方案二中立库两侧人员作业区域的风速范围在0.20～0.28 m/s，风速相较于方案一变大，但符合人员的作业要求，随着进入货架夹道的风速增大，夹道口处气流速度急剧上升，达到0.50 m/s，夹道中风速处于0.22～0.38 m/s。方案三中立库两侧人员作业区域的风速分布为0.30～0.38 m/s，两侧的风速较前2种方案增大，作业人员开始有吹风感，货架夹道处风速继续增大，处于0.26～0.46 m/s。方案四中立库两侧人员作业区域风速继续上升，处于0.38～0.50 m/s，部分区域风速高达0.56 m/s，夹道中最高风速达0.64 m/s，速度普遍处于0.30～0.52 m/s。已不符合作业人员区域风速低于0.3 m/s的国家标准，作业人员感到不适。在高度为1.1 m平面，对比4种方案可以明显发现，随着进风口高度的上升，在水平面方向上沿X方向的平均速度也随之增大，到达方案三高度及以上，两侧风速会超过作业人员的标准作业风速。

3.1.2 Z=18.15 m平面的速度场分布情况

考虑货架的最大高度，取Z=18.15 m高度处作为速度场分析界面，也利于分析货架顶部的空气流动情况。

由图4和图3（b）看出，方案一仓库上方货架左右两侧的风速极低，处于0～0.06 m/s，货架上方的速度处于0～0.12 m/s，货架中间位置小部分区域气流运动不明显。方案二立库上方左右两侧气流速度比起方案一有所增大，为0.08～0.12 m/s，货架上方空气流动良好，速度为0.14～0.20 m/s。方案三立库上方两侧的风速较方案一、二更大，出现局部高速区域，风速差较大，最高风速达到0.58 m/s，风速范围为0.12～0.44 m/s，货架区域上方风速增大为0.16～0.26 m/s。方案四货架上方两侧的风速对比方案三减小，依旧存在明显速度差，总体速度为0.10～0.42 m/s，货架区域上方风速较方案三也减小为0.14～0.22 m/s。

图4 Z=18.15 m平面速度场分布情况Fig.4 Distribution of velocity field in plane Z=18.15 m

在高度为18.15 m平面发现，方案二以上高度都能在货架顶部平面有较好气流分布，方案一气流分布情况最差。对比方案一、二、三可以发现，随着进风口高度的上升，在水平面方向上沿X方向的平均速度随之增大。但对比方案四发现，随着进风口的高度继续上升，沿X方向的平均速度不再增加，甚至还有所下降，造成此现象的原因需要对侧平面云图进行进一步分析。

3.1.3 Y=39.20 m平面的速度矢量分布情况

为探究进风口高度对立库高度方向上速度分布以及大小的影响，并分析出现上文结果的原因，对Y=39.20平面的速度矢量分步进行分析，如图5所示。

图5 Y=39.20 m平面Z方向速度矢量分布情况Fig.5 Velocity vector distribution in Z direction in plane Y=39.20 m

方案一在高度方向上速度矢量分布不同，在5.71 m以下区域分布密集，在高度5.71～9.67 m区域变得稀疏，而在9.67～16.75 m高度区域又变得密集。这是由于两侧的气流在中部区域聚集形成涡流，强迫气流上升，使得上部区域速度矢量分布密集，速度较大，而中间部分处于涡流的中心，所以速度矢量分布稀疏，速度较小。方案一主要速度矢量分布高度为16.75 m，不能完整覆盖18.15 m高度的货架。方案二下部速度矢量密集区域高度增加为8.14 m，中间速度矢量稀疏区域范围为4.06 m，比方案一大，上部速度矢量密集区域范围为7.77 m，高度增大为19.97 m，能完整覆盖货架区域。方案三下部速度矢量密集区域高度比方案一和方案二都大，为8.34 m，中间速度矢量稀疏区域范围为4.60 m，上部速度矢量密集区域范围为8.23 m，范围都比前2种方案增大，高度增大为21.18 m，能完整覆盖货架区域。方案四各区域范围比起前3种方案继续增大，且都为4种方案中最大。

综上所述，进风口位置越高，速度矢量在高度上的分布范围就越广，但同样中间矢量稀疏区域的范围也就越大。本文重点研究货架区域的速度矢量分布情况，所以越高范围的速度分布并不意味着货架区域速度矢量的分布情况越好。

Y=39.20 m平面的平均速度变化情况，如图6所示。可以发现速度矢量的分布情况与Z方向上速度大小的变化趋势相符，在高度9.125 m以下和18.875 m以上区域，进风口速度越高，该区域速度矢量分布越好，速度越大；而在9.125～18.875 m的中部区域，中高进风口高度可以使该区域获得更好的速度矢量分布和更大的速度，这也解释了上文中在18.15 m高度平面上，面平均速度不再随着进风口高度的上升而增大的现象。

图6 Y=39.20 m平面上沿Z方向平均速度变化情况Fig.6 The change of the average velocity along the Z direction in the plane Y=39.20 m

3.1.4 速度场均匀性分析情况

使用定量分析的方法来分析不同进风口高度对气流分布均匀性的影响［12］。采用平均值、均方根偏差和非均匀性系数，定义如下：

平均值：

均方根偏差：

不均匀性系数：

在各平面上的平均速度和非均匀系数见表3。在高度为1.1 m平面上，随着进风口高度上升，面平均速度增大，使得不均匀系数降低，速度均匀性变好。在高度为18.15 m平面上，不均匀系数随着进风口高度的上升，先减小后增大；方案二的不均匀系数为所有方案中最小。分析后发现，虽然方案三、四的面平均速度更高，但两侧区域存在较大的速度差，使得均方根偏差偏大；方案二的速度差较小，使得不均匀系数最小，速度均匀性最好。在Z方向上，速度不均匀系数随着进风口高度的上升，先减小后增大；方案二的速度均匀性最好。

表3 在各平面上的平均速度和非均匀系数Tab.3 Average velocities and inhomogeneity coefficient on each plane

综合上述，在立库空间内，进风口高度越靠近中间高度位置，速度均匀性越好。

3.2 温度场分析

3.2.1 X=0.00 m平面的温度场分布情况

考虑切面位于厂房中央，为两侧冷气流最不易到达区域，取X=0.00 m平面作为分析切面，探究不同方案在此切面的温度分布情况，如图7所示。并使用Matlab计算出各个温度区域的面积绘制表格如表4。

图7 X=0.00 m平面温度场分布情况Fig.7 Temperature field distribution in plane X=00.00 m

表4 X=0.00 m平面不同温度区域面积Tab.4 Area of different temperature zone in plane X=0.00 m

方案一、二、三符合温度设计要求。方案四小于38 ℃区域面积为4种方案中最小，货架上方部分区域已不符合温度设计要求。

3.2.2 Y=39.20 m平面的温度场分布情况

为能直观地反映出立库整体的温度分布情况，取Y=39.20 m平面作为分析切面。平面温度场分布情况，如图8所示。并使用Matlab计算出各个温度区域的面积绘制表格如表5。

图8 Y=39.20 m平面温度场分布情况Fig.8 Temperature field distribution in plane Y=39.20 m

表5 Y=39.20 m平面不同温度区域面积Tab.5 Area of different temperature zones in plane Y=39.20 m

方案一、二、三符合温度设计要求。方案四温度为38 ℃以下区域面积为4种方案中最小，38～40 ℃温度区域面积达到最大的788.98 m2，不能满足温度设计要求。

综上所述，进风口高度越低，温度场低温区域面积越大，温度分层越明显。这是由于立库两侧进入的冷空气密度较大，受重力的作用下沉至底部，在堆垛机与货架夹道中，冷空气经加热后受浮升力的作用形成上升的热气流，出现温度分层。进风口高度越高，进来的冷空气会更多地与上部高温气体混合，导致整体的空气温度相对较高；进风口高度越低，进来的冷空气与高处的热空气混合较少，使得在进风口以下的区域可以获得更好的冷却效果。