果蔬强制通风预冷过程中温度场分布的分析

2022-09-01张文科姚海清罗南春

保鲜与加工 2022年8期

侯幸，张文科，姚海清，罗南春，满意

（1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南 250100；2.山东中瑞新能源科技有限公司，山东济南 250100）

预冷是指果蔬采摘后快速将其温度降低至贮藏温度的过程，它可以迅速去除田间热，抑制呼吸作用，保持水果新鲜度，延长贮藏期。在现代果蔬流通体系中，预冷对果蔬质量、安全以及降低贮藏的冷负荷起着重要作用，其已成为冷链中的关键环节之一，被公认为是果蔬在流通过程中的重要措施[1]。果蔬预冷的主要方式有真空预冷、冷水预冷、冰预冷和通风预冷等。其中强制通风预冷操作简单、投资少，在产地预冷中得到了广泛应用。

计算流体力学（Computational fluid dynamic，CFD）是建立在经典流体动力学与数值计算的基础上，在时间和空间上定量描述流场的数值解，现已成为解决各种流体流动、传热与传质问题的强有力工具。近年，CFD 数值模拟在冷藏库及气调库流场分析中应用愈加广泛。但研究多集中于冷库内气流速度场和温度场。田甜等[2]以冷库为研究对象建立三维模型，研究了冷风机位于不同位置时温度场和速度场的分布情况；杨昭等[3]建立了保鲜库的三维非稳态流场模型，在全顶棚孔板送风模式下对保鲜库内流场进行CFD 模拟，分析了空库和库内贮藏苹果时的流场分布情况，通过试验和模型对比验证得出最佳气流的组织形式；Nahor 等[4]利用CFD 软件对苹果冷藏库的空气流动及气流分布进行了数值模拟研究，该研究开发了一种通用工具来分析苹果冷藏库中的温度控制；刘泽勤等[5]以微型轻便式节能型果蔬冷藏库为研究对象，探讨了3种送风方式对果蔬冷库温度场的影响，结果表明，在侧中送风方式下，果蔬表面温度场和相对湿度场均较均匀，冷空气与果蔬换热效果最理想。在果蔬预冷方面：郭亚丽等[6]、杨洲等[7]、陈秀勤等[8]、Ferrua 等[9]采用标准k－ε 模型和压力耦合方程组半隐式（Simple）算法，利用CFD 软件对果蔬压差预冷外包装箱内的气体流场进行了模拟；杨磊等[10]以空库的预冷过程为对象进行研究，采用k-ε 紊流模型和非稳态求解方法，对冷藏库空库预冷降温过程进行了二维非稳态数值计算，得到了不同时刻的温度场分布；姜莎等[11]通过试验研究真空预冷对草莓内部温度变化及失水情况的影响，以寻求最佳的真空压力；王军艳等[12]以黄瓜为研究对象，通过仿真模拟，研究了压差预冷过程中黄瓜的摆放方式对预冷均匀性及预冷时间的影响；王强等[13]根据压差预冷远离搭建了试验台，研究了不同开孔方式、不同压差下的葡萄冷却速度，结果表明开孔大小对葡萄的冷却速度起着关键作用。

目前，果蔬预冷方面已有的研究主要集中于压差预冷，分析包装箱、开孔方式、送风参数对其流场的影响。而作为产地预冷广泛应用的冷风机强制通风预冷研究相对较少。本研究以冷风机运行参数为出发点，通过改变冷风机的送风速度、温度，分析预冷过程中不同因素作用下库内气体区及货物区温度随时间的分布规律，从而优化库内气流组织，使库内空气的气流组织更好地满足果蔬贮藏条件的要求，得到较佳的冷风机运行参数和运行模式，并准确预测出冷库预冷过程的温度分布特性，对果蔬贮藏保鲜和优化设计有指导性意义。

1 模型的建立

1.1 物理模型

以100 t 气调库作为研究对象，气调库尺寸为12 m×10 m×4.5 m，冷风机采用吊顶式，出风口尺寸为2×Φ450 mm，风量为2×4800 m3/h，功率为2×250 W。库内货物为热物性参数类似的球形果蔬，果蔬堆积高度为3.8 m，果蔬区距墙0.5 m，中间通道1 m，三维物理模型如图1 所示。果蔬可看作为多孔介质，由于包装木箱的存在，果蔬内部流动风速较小，可近似认为果蔬区风速为0.1 m/s[14]。

图1 预冷库物理模型Fig.1 Physical model of precooling cold storage

1.2 数学模型

在预冷过程中，气体区和果蔬区的流动特性和传热传质特性不同。气体区在冷风机的作用下处于紊流运动状态，以对流换热为主，而果蔬区内部流速非常小，热量传递以导热为主，故在建立数学模型时，有必要分别对气体区和果蔬区建立数学模型。

1.2.1 气体区数学模型

为了简化研究，方便计算，对模型作以下假设：①库内气体为牛顿流体且不可压缩；②气体物性参数为常数；③库外温度保持稳定，围护结构引起的热质损失可以忽略不计；④气体在内壁面上无滑移。

冷库内采用冷风机强制循环，属于有限空间的强制对流，流场雷诺数Re 约为106数量级，处于紊流状态[15]。根据以上假设，库内流场可简化为三维、稳态、不可压缩、黏性的紊流状态，选择k-ε 紊流模型，在直角坐标系下，联立连续性方程、动量方程及能量方程。用φ 表示通量，上述控制方程可以表示如下[16]：

式中：ρ 为密度，kg/m3；t 为时间，s；V 为速度矢量，m/s；φ 为通用变量；Γ 为与φ 对应的广义扩散系数；S 为与φ 对应的广义源项。控制方程从左到右依次为时瞬态项、对流项、扩散项和源项。不同控制方程的变量、扩散系数及源项对应关系见表1。

表1 不同控制方程的变量、扩散系数及源项Table 1 Variables,diffusion coefficients and source terms of different governing equations

1.2.2 货物区数学模型

库内堆放的球形果蔬为固体颗粒，可视作多孔介质，果蔬间隙的气体为多孔介质中的流体。这里假设：①果蔬大小各向同性；②预冷过程中，果蔬及间隙气体的热物性为常数；③忽略辐射传热。

引入多孔介质模型，在动量方程中源项Si[17]表示如下：

其中：Si为第i 个动量方程中的源项；Dij为流体黏性阻力系数；Cij为流体惯性阻力系数；μ 为流体黏度，N。

1.3 条件设定

相应的边界、壁面及初始条件设定情况如下：

入口边界：冷风机出口设置为速度出口（Velocity-Inlet）边界条件；送风速度分别设置为2、3、4 m/s；温度设定为0 ℃；选择紊流强度和水利直径定义紊流，紊流强度为5%。

出口边界：定义出口边界为自由出流（Outflow）。Outflow 用于模拟在求解前流速和压力未知的出口边界，且在该边界不需定义任何内容[18]。

壁面条件：采用无滑移边界。

初始条件：气体区初始温度设定为13 ℃；果蔬区孔隙率通过计算[17]结果为0.47；温度设定为15 ℃。

2 数值模拟结果与分析

2.1 温度场分布特性

为了清晰直观地研究库内温度场分布特性，工况设置为：送风温度0 ℃，送风速度3 m/s。选取3 个代表性的截面（图2）。从图2A 冷风机出口中心截面可以看出，由于冷风机的送风作用，且送风温度为0 ℃，其出口前方温度最低，高温区域出现在靠近冷风机下部的果蔬区，这是由于沿着送风口气流流动的方向，冷风机吹出来的冷风不断地带走果蔬呼吸产生的热量，而靠近冷风机的区域属于回流区，聚集较多热量，温度相对较高。

图2B～2C 为果蔬区不同堆积高度截面，可以看出，温度较高的区域（高温区）出现在靠近冷风机下侧的果蔬区，而且高温区的面积大小随着果蔬堆积高度（Z 方向）的增加而减小，这是因为气流贴着货物顶端流动，随着高度的增加，越靠近冷风机出口，气体流速越大、温度越低，对流换热的效果越好。此外，库内气体区温度明显低于果蔬区温度，主要原因是库内气体是通过对流换热方式进行热量交换，果蔬区的气体流速很小，靠导热进行热量传递，故温度下降比气体区慢。

图2 库内不同截面温度分布等值线云图Fig.2 Cloud diagram of different cross section temperature distribution in cold storage

2.2 送风速度对温度场的影响

以模拟运行18 h 为节点，探讨送风速度对库内温度场分布的影响，需遵循以下条件：设定送风方式和送风温度为定值；内部果蔬孔隙率、堆放方式、初始温度不变，通过改变冷风机的送风速度，研究温度场的分布情况。本次模拟速度工况为：2、3、4 m/s。图3～4 为截面Y=2.5 m（X-Z 平面）及Z=3 m（X-Y 平面）在不同送风速度下的温度分布云图，其可以直观反映果蔬区内部截面的温度分布。

由图3～4 可知，果蔬内部温度下降与风速成正比，但是明显可以看出不同风速下的截面温度分布有一个共同点：高温区集中在靠近冷风机下部的果蔬堆放区，原因见“2.1 温度场分布特性”。

图3 Y=2.5 m 库内截面温度分布等值线云图Fig.3 Cloud diagram of temperature distribution at Y=2.5 m section in cold storage

2.3 气流组织方式对温度场的影响

气流组织方式，是在空调房间内合理地布置送风口和回风口，使净化和热湿处理过的空气由送风口送入室内后，在与室内空气扩散与混合的过程中，均匀地消除室内余热和余湿，从而使工作区形成比较均匀且稳定的温度、湿度、气流速度和洁净度，满足生产工艺和人体舒适的要求[19]。与一般的空调工程相似，预冷过程的主要目的也是对库内温度、湿度、风速等进行调节和控制，所以合理的气流组织形式非常重要。以模拟运行18 h 为节点，利用CFD 软件，在其他参数相同的条件下，对库内采用上送上回、上送下回两种气流组织方式进行数值模拟，比较分析不同气流组织方式对温度场分布的影响。选取代表性截面Y=5 m（X-Z 平面）及Z=3 m（X-Y 平面）进行分析。图5～6 为Y=5 m 截面的速度矢量图和速度分布云图。

图4 Z=3 m 库内截面温度分布等值线云图Fig.4 Cloud diagram of temperature distribution at Z=3 m section in cold storage

由图5～6 可知，冷风机将冷风以较高的速度送出，受到顶板、侧壁的限制，射流将迅速地由自由射流发展成为受限射流[20]，射流沿途贴附顶板前进并卷吸周围的空气使其速度逐渐减小，由于到达对向墙壁后受到墙壁阻挡及回流作用的影响，接近地板时向回风方向运动，在送风与回风两个相反运动的作用下，中部区域形成旋流区，离旋流中心越近，速度越小。由图6A 可以看出，位于冷风机下方的近地面区域，速度较小，正因为如此，下部区域聚集的热量不能及时排出，会出现“2.1 温度场分布特性”提到的高温区。

图5 Y=5 m 截面速度矢量图Fig.5 Velocity vector plot at Y=5 m section

图6 Y=5 m 截面速度分布云图Fig.6 Velocity distribution cloud plot at Y=5 m section

由图7 可知，同样预冷时间下，上送上回方式比上送下回方式降温程度高，尤其在冷风机下侧高温区温差为3～4 ℃。预冷的均匀性直接影响预冷效率以及果蔬贮藏品质，预冷均匀性差容易导致果蔬出现冻害[17]。上送上回方式预冷不均匀性较为明显，远离冷风机侧的果蔬堆积区温度已经接近要求温度，而冷风机下侧堆积区温度仍然较高，与上送下回方式相比，可能会出现冷风机下侧果蔬堆积区未达到预冷温度，而远离冷风机的堆积区出现冻害的情况。