刘海波

（中农联企业运营管理有限公司,北京 100000）

猪肉由于贮藏温度和成熟时间等不同,有冷冻肉、热鲜肉、冷鲜肉之分[1]。目前市场上更受消费者欢迎的是热鲜肉和冷鲜肉[2]。然而,有专家指出只要正确解冻和合理食用,冷冻肉更卫生、新鲜、好吃、有营养。而且,冷冻猪肉作为国家储备肉的重要组成部分还可作为应对突发事件、平抑肉价波动的重要手段[3]。

通过仿真模拟加试验验证的手段预测食品在冷藏过程中的变化已经被广大学者采用[4-7]。采用仿真模拟的方法具有成本低、能模拟较复杂和较理想过程的特点[8]。冷库内货物的冷藏过程可以通过模拟获得[9],冷库内的冷空气的气流组织变化同样可以通过模拟实现[10],通过模拟改变冷库的设计参数和货物的包装可以实现冷藏效果的最佳化[11-12]。

本文以提高冻猪肉库内猪肉冷藏效果为目的,建立仿真模型对目标冻猪肉库内在不同冷风机出风风速下冷库内空气速度场和温度场进行模拟,对比分析了不同冷风机出风风速下猪肉冷藏效果的差异,并提出了针对冻猪肉的冷风机出风风速建议,为了更好地冷藏猪肉,保持猪肉品质,满足食品卫生要求提供参考。

1 物理模型的建立

以储存冻猪肉的冷库为研究对象进行建模和仿真分析,如图1 所示。冷库内部规格：长34m,宽8m,高5.7m；回笼间规格：长3m,宽2.5m,高2.8m；4 台冷风机底部距地面3.5m,位于库房中心位置。

图1 库房模型

1.1 网格划分

对模型的网格划分以四面体网格为主,在适当的位置包含六面体、锥形和楔形网格。

1.2 模型的简化与假设

对模型做如下假设：由于试验用库房左右各有相同类型冷库,因此左右两侧壁面均视为绝热；库房地面按绝热处理忽略冷库内部管道、支架对温度场的影响；冷库内空气为理想不可压缩气体。

1.3 确定边界条件和初始条件

冷风机出口温度、风速按照测试值设定,出风温度-21.3℃,风速为测量平均值7.32m/s,湍流强度按5%设置。风机回风口条件设为自由出流。湍流模型采用标准k-ε 模型,SIMPLE 算法,近壁区域流动采用壁面函数法。

1.4 仿真猪肉参数设定

猪肉密度取平均密度1000kg/m3,Cp=1340j/（kg·k）,λ=1.4w/（m·K）,猪肉温度可根据生产工艺,按从其他库房调入的冻结猪肉温度计算,取-15℃。

采用上述经过验证的模型,开展不同工况下冷库内部流场及温度场的分析。根据冷库设计及使用规划,冷库内储存的是冷冻猪肉,猪肉码放在托盘上呈立方体状,托盘规格为1.2m×1m×0.1m,猪肉立方体规格为1.2m×1m×1.5m 共计160 盘。因此,为了使本文的工作更加有现实意义,不同条件下的模拟结果均为在带有货物的情况下进行的。

冷库内原有货物堆放形式如图2 所示。冷风机送风速度实测平均值为7.32m/s,送风温度-21.3℃。保持货物堆放形式及冷风机送风温度不变,在送风速度为6.32 m/s、7.32 m/s、8.32 m/s、9.32 m/s 时,对冷库内的速度场和温度场模拟。

图2 冷库原有规划形式

2 冷库内速度场分析

图3 为不同送风速度下的冷库内空气流线图。空气流线图很好的反应了在冷风机不同出风风速下冷库内气流组织的运动情况,冷空气首先从风机出风口送出,具有较高动量,速度较快,空气流线较为密集,气流在前进过程中受阻力影响速度逐渐衰减,流线开始发散,与周围空气不断进行热质交换,并且受到重力影响,流线向下弯曲,距离主流越远的流线受到外界影响越快,气流达到一定射程后,边缘区域流线的水平速度逐渐衰减到零,气流运动主要由重力主导,冷空气下降到地面,一部分最终随着冷风机的回风气流被冷风机吸入,而风机吹出的主流冷空气则会因为受到冷库壁面的阻碍而改变流动方向,流线瞬间发散开来并沿反方向流动将整个冷库内的货物包围起来,对货物进行热量交换,随着动量逐渐减少,由重力主导,冷空气下降到地面,绝大部分也会随着冷风机的回风气流被冷风机吸入。随着冷风机出风速度的增加会发现,货物与壁面间的流线密度增加了,冷风机的回风流线密度增加了,流线对货物的“包裹”程度增加了,这些也就意味着冷空气对货物的冷却效果会增加。

图3 不同送风速度下空气流线图

冷库内空气流动会导致形成涡流区,涡流区流线紊乱,气流流动存在死角,不利于热量传递,从流线的分布规律可以确定,货物于墙壁间保持适当的距离利于冷空气的流动,可以有效减少涡流区,对于冷库内货物的冷却效果是十分有利的。流线图上观察发现,适当增大冷风机出风速度,货物与冷库壁面间的流线增加了,在冷库两端产生的涡流区内的气流会从货物与壁面间的空隙流走,形成良好的回流,货物完整的包裹在冷气流中,对于货物的存储十分有利。但送风速度过大时,由于气流具有过大的动量,导致冷库内气体流线不易稳定,空气组织容易变得紊乱,不利于形成回流。

因此,理想的送风速度既要保证冷库内气流组织的完整性,又要减少涡流区的影响、减小冷库内的温度场变化。

3 冷库内温度场分析

图4 和图5 为在不同高度截面上空气温度分布情况。在不同冷风机出风速度下,同一高度截面上空气温差不大,但是在冷库两端空气温度场分布更加均匀,在冷风机附近空气温度场分布较差,若不考虑冷风机射流主流,冷库两端空气温度低于冷风机附近区域。

图4 Z=4.12m 切面温度分布云图

图5 Z=2.45m 切面温度分布云图

从图中可以发现,适当增加冷风机出风口速度,冷风机附近相对温度较高的区域面积逐渐减小,冷库两端相对温度较低的区域逐渐向冷库中心扩展,这意味着冷库内的空气的温度场均匀程度增强了,这对于货物的冷藏是有利的。但是观察发现,冷风机出风口速度增大到一定程度后,这一趋势不复存在了,通过前文对流线的分析,这种现象的原因是由于冷库内的空气组织在适当增加冷风机出风口速度时得到了优化,因此冷库内空气温度均匀性得到改善,在风速过大时冷库内的空气组织开始变得紊乱,所以冷库内空气温度均匀性又变差了。

4 结论

结合在不同冷风机出风风速下冷库内空气速度场和温度场分布,可以认为本文所研究的冷库对象, 冷风机出风风速在7.32m/s～8.32m/s 较为适合,可以提高冷库的冷藏效果。