(1 南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院 江蘇省能源系統(tǒng)過(guò)程轉(zhuǎn)化與減排技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室 南京 210042;2 江蘇北洋冷鏈設(shè)備科技有限公司 泰州 225300)

隨著人們生活品質(zhì)的不斷提高，生鮮食品進(jìn)入百姓家庭，這對(duì)生鮮食品冷柜提出了更高的要求[1]。冷柜內(nèi)部環(huán)境均勻性較差和耗能高是生鮮食品冷柜目前面臨的兩大技術(shù)難題[2]。溫度、濕度、風(fēng)速和冷凍速度是生鮮食品品質(zhì)的主要影響因素，溫濕度分布不均勻?qū)е挛⑸锏淖躺斐墒称犯瘮∽冑|(zhì)，因此保持冷柜內(nèi)部的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布均勻至關(guān)重要。不同送風(fēng)方式的自提冷凍冷藏柜，會(huì)形成速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)均勻性的差異，良好的溫度分布可解決局部熱點(diǎn)問(wèn)題。目前關(guān)于自提冷凍冷藏柜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及溫度、流場(chǎng)的均勻分布等方面的研究還存在一些不足，有較大的提升空間。因此自提冷凍冷藏柜流場(chǎng)、溫度場(chǎng)均勻性研究不僅對(duì)提高生鮮食品品質(zhì)至關(guān)重要[3-4]，還將彌補(bǔ)未來(lái)高效、穩(wěn)定的自提冷凍冷藏柜的市場(chǎng)空缺。

為了優(yōu)化冷柜溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，降低冷柜系統(tǒng)能耗，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[5]。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，背部孔板會(huì)影響內(nèi)部食品包的溫度分布及通孔的進(jìn)風(fēng)速率，開(kāi)孔率應(yīng)保持在2%～3%，有助于優(yōu)化冷柜系統(tǒng)性能[6]。冷柜擱架的尺寸和位置對(duì)內(nèi)部的溫度與流場(chǎng)分布有顯著影響，應(yīng)合理設(shè)置冷柜擱架[7]。將復(fù)合相變材料運(yùn)用到冷柜擱架上，能夠有效減少食品包溫度升高，使平均溫度降低約1.5 ℃[8]。設(shè)置擋風(fēng)板可使下側(cè)食品包溫度減小0.16～0.65 K，增加擱板長(zhǎng)度能減少食品包內(nèi)外側(cè)的溫度差[9]。在工況優(yōu)化方面，采用后送風(fēng)前回風(fēng)的方式可減小底層區(qū)域的溫升，使柜內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性得到較大提高[10]。陳列冷柜外側(cè)風(fēng)幕厚度宜保持在50～80 mm，冷空氣風(fēng)速應(yīng)維持在0.3～1.2 m/s[11]。在維持蒸發(fā)器出口溫度和環(huán)境溫濕度不變的前提下，隨著風(fēng)速的增加，食品包的溫度逐漸降低，而冷柜的能耗相應(yīng)增加[12]。在制冷系統(tǒng)優(yōu)化方面，若要達(dá)到相同的運(yùn)行工況，與R22制冷系統(tǒng)相比，R404A制冷系統(tǒng)需要更大的冷卻負(fù)荷及更大的制冷劑質(zhì)量流量[13]。在數(shù)值模擬方法改進(jìn)方面，一些研究者將PIV粒子成像測(cè)速技術(shù)加入到數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究中[14]。在室內(nèi)環(huán)境對(duì)冷柜性能的影響研究中，發(fā)現(xiàn)溫度每升高2 ℃，食品包溫度升高約0.3 ℃，相對(duì)濕度每升高20%，食品包溫度升高約0.9 ℃[15]。對(duì)于超市敞開(kāi)式冷藏陳列柜，溫度每升高2 ℃，食品包溫度平均升高0.1～0.3 ℃，相對(duì)濕度每升高20%，溫度平均升高0.1～0.7 ℃[16]。增設(shè)空氣導(dǎo)風(fēng)條能夠有效抑制立式冷柜柜外空氣的滲透，使冷柜維持食品溫度所需的能耗降低34%[17]。

雖然上述研究從多個(gè)方面對(duì)家用和商業(yè)冷柜內(nèi)部的氣流組織、溫度分布、制冷劑類型以及送回風(fēng)工況做了相應(yīng)研究[18-19]，但有關(guān)自提冷凍冷藏柜的研究還較少涉及，且沒(méi)有對(duì)冷柜回風(fēng)擋板角度以及背部送風(fēng)孔板開(kāi)孔方式方面進(jìn)行優(yōu)化。目前研究存在以下不足：1)針對(duì)自提冷凍冷藏柜與傳統(tǒng)冷柜結(jié)構(gòu)上的不同，需要進(jìn)一步研究軸流風(fēng)機(jī)擋板位置對(duì)氣流組織的影響；2)雖然已有研究表明背部孔板結(jié)構(gòu)會(huì)影響自提冷凍冷藏柜內(nèi)部氣流分配和柜內(nèi)溫度分布，但多數(shù)研究?jī)H對(duì)滲透風(fēng)量做了初步研究，背部送風(fēng)孔板開(kāi)孔形式以及開(kāi)孔率的大小等因素仍有待于進(jìn)一步分析討論。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文以上送上回送回風(fēng)方式的自提冷凍冷藏柜為研究對(duì)象，將原始的軸流風(fēng)機(jī)擋板與蒸發(fā)器水平方向呈45°、背部送風(fēng)板下部集中開(kāi)孔且開(kāi)孔率為6%的送風(fēng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)作為原始對(duì)照組，預(yù)研究時(shí)只單一改變一種影響因素時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸流風(fēng)機(jī)擋板與蒸發(fā)器水平方向夾角對(duì)冷柜內(nèi)氣流均勻性的影響最大，背部送風(fēng)板開(kāi)孔方式次之，而送風(fēng)板開(kāi)孔率影響相對(duì)最小，因此選擇對(duì)其軸流擋板角度(30°、45°、60°、90°)、背部送風(fēng)板開(kāi)孔方式(上疏下密的非均勻式開(kāi)孔、下部集中式開(kāi)孔、等間距式開(kāi)孔)及開(kāi)孔率(6%、8%、10%)3種因素進(jìn)行影響效果從大到小遞次優(yōu)化研究。在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)比分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，最終得到氣流組織和溫度場(chǎng)均勻分布的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。圖1所示為自提冷凍冷藏柜優(yōu)化方法流程。

1 自提冷凍冷藏柜

圖2所示為自提冷凍冷藏柜的結(jié)構(gòu)。柜體圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用絕熱材料硬質(zhì)聚氨酯，規(guī)格為3 700 mm×680 mm×2 070 mm(長(zhǎng)×寬×高)。由于兩側(cè)冷柜的規(guī)格尺寸和制冷原理均相同，區(qū)別為一側(cè)為冷藏區(qū)，一側(cè)為冷凍區(qū)，本文僅選取冷凍區(qū)作為研究對(duì)象。送風(fēng)口尺寸為920 mm×100 mm；回風(fēng)口為兩個(gè)直徑為230 mm的圓形風(fēng)口；背部風(fēng)道孔板的單個(gè)孔隙規(guī)格為12 mm×40 mm；開(kāi)孔面積占背部孔板總面積的6%；軸流風(fēng)機(jī)所在位置擋板與水平方向的夾角為45°。

該自提冷凍冷藏柜采用上送上回的送回風(fēng)方式，送風(fēng)氣流由背部送風(fēng)風(fēng)道送入，然后從背板的孔隙滲透進(jìn)入冷凍儲(chǔ)物柜內(nèi)部，再?gòu)幕仫L(fēng)口借助軸流風(fēng)機(jī)排出，最后與蒸發(fā)器進(jìn)行熱量交換再次進(jìn)入送風(fēng)口，完成一次循環(huán)，其流場(chǎng)流動(dòng)如圖3所示。

2 數(shù)值求解

2.1 基本假設(shè)

通過(guò)與三維模擬進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二維模擬的計(jì)算結(jié)果差異不大。為了減少數(shù)值計(jì)算的計(jì)算量，保證計(jì)算的可靠性，本文在建立自提冷凍冷藏柜的數(shù)學(xué)模型時(shí)，對(duì)物理模型進(jìn)行假設(shè)[6]：1)由于自提冷凍冷藏柜長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度，因此將自提冷凍冷藏柜模型簡(jiǎn)化為二維模型；2)因箱體內(nèi)的溫度要求為249～255 K，故忽略箱體內(nèi)的相變過(guò)程，即箱體內(nèi)的空氣為干空氣且為不可壓縮的牛頓流體，且為定值；3)強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，箱體內(nèi)空氣流動(dòng)為湍流，采用k-ε模型進(jìn)行計(jì)算；4)箱體內(nèi)空氣在內(nèi)壁面上流動(dòng)屬于無(wú)滑移邊界條件；5)滿足Boussinesq假設(shè)，忽略了流體中的黏性耗散。

圖1 自提冷凍冷藏柜優(yōu)化方法流程Fig.1 The method process of self-pickup freezers optimization design

圖2 自提冷凍冷藏柜的結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of self-pickup freezers

圖3 自提冷凍冷藏柜流場(chǎng)流動(dòng)Fig.3 The internal flow direction of self-pickup freezers

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述假設(shè)，計(jì)算中忽略壁面輻射的影響，設(shè)定模型為標(biāo)準(zhǔn)的二維湍流模型。采用二階迎風(fēng)格式對(duì)對(duì)流項(xiàng)進(jìn)行離散[20]，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，流場(chǎng)采用simple算法對(duì)速度和壓力耦合求解。數(shù)值仿真所采用的具體控制方程如式(1)～式(8)所示。

1)連續(xù)性方程：

(1)

2)動(dòng)量方程：

(2)

(3)

3)能量方程：

(4)

4)標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程：

(5)

(6)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；μ為空氣動(dòng)力黏度，Pa·s；ε為流動(dòng)耗散率；k為湍流動(dòng)能；T為溫度，K；cp為定壓比熱，kJ/(kg·K);σ為湍流普朗特?cái)?shù)；Gk為由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能；Gb為由于浮力影響引起的湍動(dòng)能；C為湍流擬合常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09。

5)多孔介質(zhì)能量方程

多孔介質(zhì)模型在多孔介質(zhì)區(qū)域結(jié)合了根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)為主的流動(dòng)阻力，即僅在動(dòng)量方程上疊加了一個(gè)動(dòng)量源項(xiàng)，所以多孔介質(zhì)對(duì)湍流的影響僅為一種近似[21]。動(dòng)量方程為：

(7)

6)組分質(zhì)量守恒方程

(8)

式中：Si為i(x,y)動(dòng)量方程源項(xiàng)；|υ|為速度，m/s；D、C為矩陣；cs為比熱容，kJ/(kg·K)。

2.3 邊界條件的設(shè)定

本文模擬邊界條件主要在送風(fēng)口、回風(fēng)口以及背部送風(fēng)孔板，具體設(shè)置為：

1)進(jìn)風(fēng)口采用速度入口，速度進(jìn)口的溫度設(shè)置為-20 ℃，即253 K，送風(fēng)速度設(shè)置為2 m/s；

2)由于回風(fēng)風(fēng)扇速度、壓力等參數(shù)在各個(gè)方向上分布不均勻，因此將其簡(jiǎn)化為壓力出口，其值設(shè)為0 Pa，并選取風(fēng)機(jī)截面處為參考平面，依據(jù)質(zhì)量守恒定理進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置；

3)自提冷凍冷藏柜背部孔板厚度約為1～2 mm，在模擬中，統(tǒng)一將背部送風(fēng)孔板的邊界條件設(shè)置為多孔階躍模型，不考慮送風(fēng)孔板的厚度，壓強(qiáng)躍遷系數(shù)和滲透率等參數(shù)根據(jù)實(shí)際計(jì)算模型進(jìn)行選??；

4)柜內(nèi)食品包設(shè)置成固體，按照食品冷柜標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7244—2018[22]對(duì)冷柜實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)包的要求，其中食品包的熱物性參數(shù)設(shè)置按照常規(guī)瘦牛肉的物性進(jìn)行設(shè)置，導(dǎo)熱系數(shù)為λ=0.39 W/(m·K)，密度為1 110 kg/m3，比熱容為cp=3 700 J/(kg·K)。

2.4 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

網(wǎng)格劃分對(duì)數(shù)值計(jì)算的精度、是否能夠收斂及計(jì)算量均有較大影響[23]，因此網(wǎng)格數(shù)量需要設(shè)定在合適的區(qū)間。較少的網(wǎng)格數(shù)目會(huì)降低計(jì)算的精度，甚至造成計(jì)算結(jié)果的發(fā)散；網(wǎng)格數(shù)過(guò)多會(huì)增加計(jì)算程序占用的計(jì)算量，降低計(jì)算速度。本文通過(guò)兩套不同數(shù)量的網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為12 350和15 584時(shí)，自提冷凍冷藏柜模型不同溫度采集點(diǎn)的溫度值相差較小，因此認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量為15 584時(shí)可滿足自提冷凍冷藏柜模型計(jì)算的要求。

2.5 軸流風(fēng)機(jī)擋板角度對(duì)自提冷凍冷藏柜流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的影響

圖4所示為4種不同角度的軸流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。原始軸流風(fēng)機(jī)孔板與蒸發(fā)器水平方向的夾角為45°，其他3種分別為30°、60°、90°。

圖4 不同軸流風(fēng)機(jī)角度冷柜的結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of different axial fan angle freezer

為了研究軸流風(fēng)機(jī)所在處擋板角度對(duì)冷柜內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，在不改變蒸發(fā)器固有高度的情況下，僅改變軸流風(fēng)機(jī)與其所在擋板的角度。

圖5所示為不同軸流風(fēng)機(jī)角度的自提冷凍冷藏柜內(nèi)部流場(chǎng)速度云圖。由圖5可知，相同的工況條件(送風(fēng)風(fēng)速為2 m/s，開(kāi)孔率為6%，環(huán)境溫度為300 K，送風(fēng)溫度為253 K)，4種不同軸流風(fēng)機(jī)擋板角度下，自提冷凍冷藏柜內(nèi)部流場(chǎng)速度分布的整體趨勢(shì)相近，送風(fēng)氣流自送風(fēng)口以一定的風(fēng)速送入風(fēng)道，由于風(fēng)道狹窄，風(fēng)道壓力較大，送風(fēng)氣流不易向兩側(cè)擴(kuò)散，因此垂直方向上流速較大。但是隨著送風(fēng)距離的增加，氣流在向風(fēng)道下部流動(dòng)的過(guò)程中，不斷從背部孔板滲入冷柜內(nèi)部，因而氣流流速在風(fēng)道的底部逐漸趨于均勻。而自提冷凍冷藏柜的前部保溫門板處出現(xiàn)的高流速區(qū)域，是由于柜內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)，流場(chǎng)在內(nèi)部形成一個(gè)圓環(huán)形的流動(dòng)循環(huán)，前部的保溫門板阻擋了氣流向更大區(qū)域的擴(kuò)散，改變了氣流的流動(dòng)方向，局部壓力變大引起流速增大。中間產(chǎn)生低流速的橢圓形區(qū)域是由于柜體的前部和背部流速較大，流動(dòng)狀態(tài)為相反方向，因而形成一種類似“龍卷風(fēng)”狀態(tài)的渦旋，其中部壓力和風(fēng)速較小。

圖5 不同軸流風(fēng)機(jī)角度的自提冷凍冷藏柜內(nèi)部流場(chǎng)速度云圖Fig.5 The internal flow field velocity cloud chart of self-freezer with different axial fan angle

通過(guò)對(duì)比圖5可知，60°結(jié)構(gòu)的速度分布最均勻，內(nèi)部流場(chǎng)大部分區(qū)域風(fēng)速保持在0.75～1.50 m/s。60°結(jié)構(gòu)風(fēng)道區(qū)域以及保溫門板附近區(qū)域的高風(fēng)速區(qū)面積相對(duì)其他3種結(jié)構(gòu)少，速度更加趨近于內(nèi)部平均值。造成該現(xiàn)象的原因是，60°的結(jié)構(gòu)對(duì)整體流場(chǎng)的循環(huán)有很好的促進(jìn)作用，使從回風(fēng)口進(jìn)入蒸發(fā)器的過(guò)程更加平緩，不會(huì)造成流場(chǎng)流向有過(guò)大的改變。

圖6所示為不同軸流風(fēng)機(jī)角度的自提冷凍冷藏柜內(nèi)部溫度場(chǎng)云圖。由圖6可知，溫度場(chǎng)的分布與流場(chǎng)整體趨勢(shì)相對(duì)一致，4種角度中45°和90°結(jié)構(gòu)的溫度均勻性分布相對(duì)較差，受結(jié)構(gòu)的影響，其初始的溫度場(chǎng)分布半徑要小于30°和60°，它們的初始循環(huán)的平均溫度也小于30°和60°。圖5中45°和90°結(jié)構(gòu)在初始階段底部的流場(chǎng)速度較低，趨近于0，因而冷柜溫度場(chǎng)的底部無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行充分的熱量交換，導(dǎo)致溫度較高。30°與60°結(jié)構(gòu)的溫度云圖趨勢(shì)相似，循環(huán)區(qū)溫度范圍為254～257 K，內(nèi)部相同溫度層的分布面積也較均勻。

圖6 不同軸流風(fēng)機(jī)角度的自提冷凍冷藏柜內(nèi)部溫度場(chǎng)云圖Fig.6 The internal temperature field cloud chart of self-pickup freezers with different flow field angle of the fan

但是60°的蒸發(fā)器周圍的溫度相比30°的低，溫度分層更加清晰，原因是60°結(jié)構(gòu)相比30°在回風(fēng)口的拐角更加平緩，溫度場(chǎng)在蒸發(fā)器附近的速度變化梯度較小。60°結(jié)構(gòu)在4種結(jié)構(gòu)中溫度分布最均勻，并且平均溫度更加接近目標(biāo)溫度。

2.6 不同開(kāi)孔方式對(duì)自提冷凍冷藏柜流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布的影響

背部孔板開(kāi)孔率對(duì)自提冷凍冷藏柜柜內(nèi)溫度分布具有重大影響[24]。但由于背部孔板整體面積較大，當(dāng)依照背部孔板開(kāi)孔率確定通孔數(shù)量時(shí)，應(yīng)考慮背部孔板通孔排布方式。以相鄰兩層擱架間有6行通孔的背部孔板(開(kāi)孔率為6%)為對(duì)象，研究背部孔板通孔位置對(duì)自提冷凍冷藏柜柜內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響。選取自提冷凍冷藏柜任一層作為圖示，背部不同開(kāi)孔方式如圖7所示，開(kāi)孔方式1為非均勻開(kāi)孔，一行通孔位于上部，兩行布置在中部，3行通孔位于下部；開(kāi)孔方式2為集中開(kāi)孔，6行通孔以集中的形式布置于下部接近下部的位置；開(kāi)孔方式3為等間距開(kāi)孔，每?jī)尚兄g的間距為48 mm，使六行通孔等間距均勻布滿單個(gè)柜體背面孔板。其中單孔是尺寸為12 mm×40 mm的類橢圓形小孔。

圖7 不同背部送風(fēng)孔板開(kāi)孔方式Fig.7 Different opening modes of the back orifice plate

圖8和圖9所示分別為3種不同開(kāi)孔方式下的自提冷凍冷藏柜內(nèi)部速度和溫度的分布云圖。由圖8可知，開(kāi)孔方式2的氣流從背部孔板滲入冷柜內(nèi)部，流體向下蔓延的距離相對(duì)方式1和方式3長(zhǎng)，到達(dá)距柜體底部約1/7處，流場(chǎng)方向發(fā)生改變，在柜體底部逐漸形成橢圓環(huán)型區(qū)域，然后回到回風(fēng)口。原因是開(kāi)孔方式2為下部集中開(kāi)孔，而開(kāi)孔方式1和方式3開(kāi)孔較為分散，當(dāng)氣流從空隙進(jìn)入時(shí)，開(kāi)孔方式2有更大的慣性作用，因此向柜體底部的蔓延更深。導(dǎo)致低流速區(qū)域半徑增大，不利于對(duì)柜內(nèi)物體進(jìn)行充分換熱，無(wú)法形成均勻的溫度場(chǎng)。

圖8 不同開(kāi)孔方式的自提冷凍冷藏柜流場(chǎng)速度云圖Fig.8 The internal flow field velocity cloud chart of self-pickup freezers with different opening modes

圖9 不同開(kāi)孔方式的自提冷凍冷藏柜內(nèi)部溫度場(chǎng)云圖Fig.9 The internal temperature field cloud chart of self-pickup freezers with different opening modes

由圖9可知，開(kāi)孔方式1的溫度分布相對(duì)于開(kāi)孔方式2和3更加均勻，開(kāi)孔方式2的冷柜中部區(qū)域的溫度在開(kāi)機(jī)運(yùn)行的初始階段沒(méi)有得到有效降溫，因此相對(duì)于開(kāi)孔方式1和3，高溫區(qū)域面積較大。開(kāi)孔方式1相對(duì)于開(kāi)孔方式3在進(jìn)風(fēng)口附近的溫度分層更加明顯。這是由于開(kāi)孔方式1形成了階梯型進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，而開(kāi)孔方式3為均勻開(kāi)孔，在入口階段的流場(chǎng)橫向滲透不充分。通過(guò)對(duì)有負(fù)載情況下的自提冷凍冷藏柜內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的對(duì)比分析可知，開(kāi)孔方式1冷柜內(nèi)部流場(chǎng)中低風(fēng)速區(qū)域面積較小，上部和底部大部分區(qū)域的換熱相對(duì)充分，溫度場(chǎng)最均勻。

2.7 不同開(kāi)孔率對(duì)自提冷凍冷藏柜流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布的影響

背風(fēng)板開(kāi)孔率為開(kāi)孔面積所占背風(fēng)板總面積的百分比。開(kāi)孔率的大小影響背風(fēng)板出風(fēng)量的大小，進(jìn)而影響自提冷凍內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)[25]。通過(guò)上述分析得到軸流風(fēng)機(jī)擋板與水平方向?yàn)?0°，開(kāi)孔方式1對(duì)自提冷凍冷藏柜流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的優(yōu)化效果最佳，因此選取60°擋板角度，開(kāi)孔方式1,研究不同開(kāi)孔率對(duì)冷柜內(nèi)部流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的影響，僅在模型中改變自提冷柜的開(kāi)孔率。

圖10 不同開(kāi)孔率的自提冷凍冷藏柜流場(chǎng)速度云圖Fig.10 The internal flow field velocity cloud chart ofself-pickup freezers with different perforation rate

圖11 不同開(kāi)孔率的自提冷凍冷藏柜內(nèi)部溫度場(chǎng)云圖Fig.11 The internal temperature field cloud chart of self-pickup freezers with different perforation rate

圖10和圖11分別為不同開(kāi)孔率的自提冷凍冷藏柜流場(chǎng)速度與溫度場(chǎng)云圖。由圖10和圖11可知，6%開(kāi)孔率結(jié)構(gòu)冷柜底部流場(chǎng)存在大面積非均勻流場(chǎng)，并且溫度場(chǎng)中高溫區(qū)域的面積較大。對(duì)比8%和10%兩種不同開(kāi)孔率的結(jié)構(gòu)，8%開(kāi)孔率的速度云圖在冷柜底部速度更均勻，低風(fēng)速區(qū)域面積較少，且速度差較小，速度大多分布在0.5～1.5 m/s，而10%開(kāi)孔率的速度云圖整體趨勢(shì)與8%相近，但是其速度在靠近門板附近有一些急劇變化的趨勢(shì)，因而速度增大，速度相對(duì)不均勻。由溫度場(chǎng)分布可知，8%開(kāi)孔率自提冷凍冷藏柜的換熱更充分，溫度更均勻，溫差較小。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模型分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

本文以自提冷凍冷藏柜作為研究對(duì)象，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，來(lái)驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，該自提冷凍冷藏柜軸流風(fēng)機(jī)擋板角度為45°，背部送風(fēng)孔板采用開(kāi)孔方式2，開(kāi)孔率為6%。測(cè)量?jī)?nèi)容包括冷柜的送回風(fēng)口、每層單體柜前后區(qū)域的溫度、風(fēng)速。在冷柜內(nèi)部共布置了20個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖12所示。溫度與風(fēng)速分別采用Testo425熱敏風(fēng)速儀和溫濕度變送器進(jìn)行測(cè)量，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用3次測(cè)量取平均的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[26]，實(shí)驗(yàn)測(cè)試如圖13所示。

圖12 自提冷凍冷藏柜實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置Fig.12 The experimental point layout of self-pickup freezers

圖13 自提冷凍冷藏柜實(shí)驗(yàn)測(cè)試Fig.13 The experimental test of self-pickup freezers

圖14 風(fēng)機(jī)擋板45°結(jié)構(gòu)時(shí)，自提冷凍冷藏柜溫度和速度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.14 Comparison of simulated and experimental values of temperature and speed of self-pickup freezers with 45° fan baffle structure

3.2 結(jié)果及驗(yàn)證

采用自提冷凍冷藏柜穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所采集的數(shù)據(jù)對(duì)自提冷凍冷藏柜數(shù)值模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和模型計(jì)算。對(duì)模型相應(yīng)區(qū)域測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行提取并與原始結(jié)構(gòu)模型(擋板角度為45°、集中開(kāi)孔方式、開(kāi)孔率為6%)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[27]進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖14所示。

由圖14可知，數(shù)值模擬結(jié)果中，溫度和速度的整體趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，測(cè)點(diǎn)4和14區(qū)域溫度比實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果略高，原因可能是實(shí)際情況中氣流壓降隨高度變化相對(duì)較小，氣流擴(kuò)散相對(duì)于模擬更加充分；測(cè)點(diǎn)3、7和13區(qū)域速度模擬值比實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果略大，原因可能為實(shí)際情況壓降相對(duì)模擬小，實(shí)測(cè)的風(fēng)速在這些區(qū)域更加均勻，風(fēng)速較小。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，因此該數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果可相對(duì)準(zhǔn)確地反映自提冷凍冷藏柜柜內(nèi)溫度和速度分布。

圖15所示為在相同的測(cè)試條件下，自提冷凍冷藏柜冷藏區(qū)域溫度測(cè)量值。由圖15可知，冷藏區(qū)域的溫度分布在2～11 ℃，整體溫度分布趨勢(shì)與冷凍區(qū)域相近，說(shuō)明本文的模型也適用于冷柜的冷藏區(qū)域。

圖15 自提冷凍冷藏柜冷藏區(qū)域溫度測(cè)量值Fig.15 Temperature measurement of cold storage area of self-pickup freezers

3.3 自提冷凍冷藏柜實(shí)驗(yàn)不確定度分析

測(cè)量的不確定度可表征實(shí)驗(yàn)被測(cè)量結(jié)果偏離實(shí)際結(jié)果的程度，采用分散性的尺度來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量，綜合了全部誤差因數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可能影響。來(lái)源主要可分為系統(tǒng)不確定度和隨機(jī)不確定度。計(jì)算方法如式(9)所示。A類不確定度采用貝塞爾公式計(jì)算得到樣本均值即測(cè)量結(jié)果，樣本標(biāo)準(zhǔn)差即測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。簡(jiǎn)化將Δ儀(儀器的允許誤差)用作B類不確定度。

(9)

式中：ΔX為合成不確定度；ΔA為系統(tǒng)不確定度，取ΔA=Δ儀；ΔB為隨機(jī)不確定度。

由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)間的隨機(jī)性和諸多不確定因素的影響，因此實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了不確定度分析，以45°軸流風(fēng)機(jī)回風(fēng)孔板結(jié)構(gòu)的冷柜的測(cè)點(diǎn)6為例，對(duì)所測(cè)得冷柜內(nèi)部溫度和速度的不確定度進(jìn)行評(píng)定計(jì)算，得到測(cè)點(diǎn)6的ΔX溫度=0.16，ΔX速度=0.035。

3.4 自提冷凍冷藏柜特性評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)速度整體均勻性、氣流速度不均勻系數(shù)(Kv)和溫度不均勻系數(shù)(KT)對(duì)該自提冷凍冷藏柜氣流組織進(jìn)行評(píng)價(jià)[28]。

速度整體均勻性指各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度值中的最大值與最小值的差值：

A=Xmax-Xmin

(10)

式中：Xmax為各測(cè)點(diǎn)溫度的最大值，℃；Xmin為各測(cè)點(diǎn)溫度的最小值，℃。

速度不均勻系數(shù)Kv：

(11)

溫度不均勻系數(shù)KT：

(12)

表1所示為各均勻性參數(shù)對(duì)比。編號(hào)1～4是開(kāi)孔方式2，開(kāi)孔率為6%，僅改變軸流風(fēng)機(jī)擋板角度的4種自提冷凍冷藏柜模型；編號(hào)4～6是軸流風(fēng)機(jī)擋板角度為60°，開(kāi)孔率為6%，僅改變開(kāi)孔方式的3種冷柜模型；編號(hào)6～8是軸流風(fēng)機(jī)擋板角度為60°，開(kāi)孔方式1，僅改變開(kāi)孔率大小的3種冷柜模型。

表1 各均勻性參數(shù)對(duì)比Tab.1 The comparison of uniformity of parameters

通過(guò)對(duì)比1～4號(hào)自提冷凍冷藏柜模型可知，當(dāng)軸流風(fēng)機(jī)擋板角度為60°時(shí)，其溫度不均勻系數(shù)KT和速度不均勻系數(shù)Kv均為最小，說(shuō)明該模型溫度場(chǎng)與流場(chǎng)相對(duì)均勻。并且與原始模型2相比，60°模型的速度整體均勻性提高了23.0%，說(shuō)明采用60°軸流風(fēng)機(jī)擋板角度的4號(hào)模型自提冷凍冷藏柜，其流場(chǎng)均勻性將提高。對(duì)比4～6號(hào)模型可知，開(kāi)孔方式1的6號(hào)模型，其KT和Kv最小，為3種模型中的較優(yōu)模型，其速度整體均勻性相較于4號(hào)模型，提高了4.8%，流場(chǎng)均勻性提高。通過(guò)6～8號(hào)模型對(duì)比，可以看出8%開(kāi)孔率的模型Kv要小于6%開(kāi)孔率的模型，但是8%開(kāi)孔率的模型KT高于6%開(kāi)孔率的模型，速度整體均勻性相對(duì)提高了5.1%。因此，盡管8%開(kāi)孔率模型溫度場(chǎng)沒(méi)有6%開(kāi)孔率模型均勻，但是其流場(chǎng)均勻性要優(yōu)于6%開(kāi)孔率模型(6號(hào)模型)。

綜上所述，7號(hào)(軸流風(fēng)機(jī)擋板角度為60°、非均勻開(kāi)孔方式、開(kāi)孔率為8%)模型對(duì)于流場(chǎng)均勻性的改善效果較為顯著，為最優(yōu)模型。

4 結(jié)論

本文對(duì)自提冷凍冷藏柜進(jìn)行逐步優(yōu)化，得出最佳的優(yōu)化模型，分析了不同軸流風(fēng)機(jī)擋板角度、不同開(kāi)孔方式、以及背部送風(fēng)孔板開(kāi)孔率下對(duì)自提冷凍冷藏柜流場(chǎng)分布以及溫度場(chǎng)布的影響，得出如下結(jié)論：

1)不同的軸流風(fēng)機(jī)擋板角度可以改變回風(fēng)口附近的流場(chǎng)流向，進(jìn)而對(duì)冷柜內(nèi)部整體流場(chǎng)的穩(wěn)定性和均勻性產(chǎn)生影響，60°擋板結(jié)構(gòu)模型流場(chǎng)均勻性相對(duì)于原始模型改善最顯著，均勻性提高了23.0%，因此推薦采用60°軸流風(fēng)機(jī)擋板角度結(jié)構(gòu)。

2)不同背部送風(fēng)孔板開(kāi)孔方式可以改變送風(fēng)風(fēng)道送入各層柜體流場(chǎng)的送風(fēng)量及送風(fēng)速度，進(jìn)而影響冷柜整體流場(chǎng)的均勻性，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，開(kāi)孔方式1相對(duì)于原始模型的集中式開(kāi)孔，速度整體均勻性提高了4.8%，溫度場(chǎng)的均勻性也提高，因此推薦采用非均勻開(kāi)孔結(jié)構(gòu)。

3)不同的背部孔板開(kāi)孔率可以改變各層送風(fēng)孔板的送風(fēng)壓力，進(jìn)而影響冷柜整體的流場(chǎng)循環(huán)。對(duì)比可知，雖然8%開(kāi)孔率結(jié)構(gòu)下，自提冷凍冷藏柜內(nèi)部溫度場(chǎng)分布均勻性沒(méi)有原始模型6%開(kāi)孔率的好，但其流場(chǎng)整體均勻性優(yōu)于后者，提高了5.1%，因此其結(jié)構(gòu)可為流場(chǎng)的優(yōu)化提供參考。