基于CFD的高压静电解冻柜气流优化模拟研究*

2023-01-30仇富强

桂林航天工业学院学报 2022年4期

仇富强

(铜陵学院电气工程学院，安徽铜陵 244061)

高压静电解冻技术采用高压静电场微能源作用于冷鲜肉，使其可在低温条件下即可解冻，具有解冻速度快、解冻后肉样温度分布均匀、肉汁流失少、可以有效防止冷鲜肉的油脂酸化，且可杀菌，有利于保证冷鲜肉解冻品质[1-3]，是一种前景广阔的解冻方法。

目前，高压静电场已逐渐应用于食品加工产业[4-7]。在解冻方面国内已有部分学者进行研究，如郭衍银等[8]进行了高压静电场用于解冻速冻冬枣的实验研究，研究表明：采用该方法冬枣汁液流失较少，品质佳。孙芳等[9]对牛肉做了高压静电解冻实验，研究表明，与常规解冻方法相比，其解冻时间、失水率、外观和肉色值差异均有明显改善。唐树培等[10-11]研发了一台新型高压静电解冻柜，可用于冷冻肉的解冻。并以羊胴体为研究对象进行了解冻实验。结果表明，采用高压电场解冻所需时间短、汁液流失率低，且解冻后羊胴体外观新鲜、肉色泽差异显著、并能抑制细菌生长。臧芳波等[12]对高压静电解冻柜应用于肉类及肉制品时对持水性、肌肉结构、颜色等方面的影响进行了归纳，并对其发展前景进行了展望。马坚研究了高压静电场对牛里脊肉冻结和解决的保鲜[13]。目前国内在高压静电场解冻方面的研究相对较少。而高压静电解冻柜作为一种解冻设备，由于结构原因，采用高压静电解冻柜解冻时受气流分部影响，其内部温度可能会分布不均，局部温度甚至高于程序设定值[14]。这将影响物料解冻后的品质。但目前还未见有人进行气流分布优化方面的研究工作。

本研究采用Computational Fluid Dynamics (CFD)模拟软件，通过建立高压静电解冻柜物风机热对流稳态湍流数学模型，对强制送风情况下解冻柜内温度场和速度场分布进行研究。该研究有助于了解高压静电棋柜内空气流动和温度分布特点，给出物料的最优放置区域、提出优化措施，进而提高物料解冻品质，为今后高压静电柜设计和物料放置提供一些参考意见。

1 计算流体力学及计算步骤

解冻柜内合理的气体流场可使柜内冷量分配均匀，从而达到提高产品品质、降低能耗的目的[15]。采用CFD软件可对整个流场的气流变化进行模拟，更好地对解冻柜内流体的流动变化进行分析。所用CFD的研究步骤如图1所示[16]。

图1 计算流体力学的基本步骤

2 高压静电解冻柜数值模拟

本研究设计的高压静电解冻柜实物如图2所示。其内部尺寸为：1 100 mm×600 mm×1 490 mm(长×宽×高)。解冻柜体围护结构采用不锈钢板，隔热层采用聚氨酯发泡，厚度为75 mm，双层密封玻璃门。该解冻柜所用制冷系统为风冷涡旋式；冷风机为SCL 100D型离心式，吊顶置于解冻柜内顶部，风机留有3个送风口，送风口尺寸为172 mm×150 mm×50 mm，各送风口间距为46 mm，风机后部设有回风口，回风口尺寸为608 mm×200 mm×50 mm，冷风机前部距柜壁140 mm，后部距柜壁85 mm，侧面距柜壁246 mm。

图2 高压静电解冻柜实物图

本研究忽略冷冻物料的影响，主要研究制冷模式冷风机送风速度、送风温度一定时，高压静电解冻柜内温度场和速度场的分布。因冷风机尺寸对柜内气流组织影响较小，模拟计算中将解冻柜简化为一个长方体，其几何图形见图3。

图3 解冻柜三维几何模型

2.1 网格的划分

为使计算时间不至于过长，并保证计算精度，本研究采用ANSYS开发的网格创建软件ICEM对建立的高压静电解冻柜几何模型进行网格划分，网格类型为结构化网格。将划分好的网格模型输出为.msh文件，使用Fluent将该文件载入，在Fluent中进行网格检查。

2.2 解冻柜数学模型的建立

本文主要对解冻柜空载时其内部流体的流动和传热传质进行研究。采用Fluent软件对其模拟时，假定流体的流动和传热传质过程遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律三大定律。且流体流动处于非稳态湍流时，遵守湍流(也称紊流)输运方程[17]。

对高压静电解冻柜内流场的分布情况进行研究时，为简化计算并保证模拟精度，特做了如下假设：

1)解冻柜内的流场为不随时间发生变化的稳态流场。

2)解冻柜内流体视为不可压缩的牛顿气体。

3)忽略冷风机内部流场的变化对柜内流场的影响。

4)忽略解冻柜的围护结构和外界的质交换。

5)忽略解冻柜内各设备零部件对流场的影响。

6)固体壁面上流体的流动为无滑移流动边界条件。

所设计解冻柜送风方式属于有限空间强制对流冷却，其Re约为106，为紊流。近壁面附近雷诺数较小、受分子黏性影响较大，采用壁面函数法进行处理。整个解冻柜内的流场最终简化为三维、稳态、不可压缩、黏性的湍流流场，可选用标准的k-ε两方程模型，并结合SIMPLE算法对解冻柜内的流场进行模拟计算。简化后的方程如式(1)：

div(ρVφ)=div(Гgradφ)+S

(1)

式中：φ为通用变量，Г为广义扩散系数，S为广义源项。各方程见表1：

表1 各控制方程变量、扩散系数以及源项

标准k-ε模型中的经验常数C的值见表2：

表2 标准k-ε模型中的参数

2.3 边界条件及求解器参数设置

研究中解冻柜围护结构按第三类边界条件处理，且冷风机无散热损失，解冻柜外表面与外界无热交换。表3为模型边界条件设置参数，表4为初始条件设置参数。为提高求解精度，本研究采用SIMPLE算法计算时求解精度全部设定为10-3。

表3 边界条件设置参数

3 模拟结果及分析

3.1 选取代表性切面

图4为是各代表性切面示意图。为观察和分析模拟结果，需要选取解冻柜内长度方向、宽度方向以及高度方向的代表性切面，来进一步分析柜内温度场和速度场分布规律。代表性切面分别选取长度方向X=0.332 m、X=0.55 m、X=0.768 m切面，宽度方向Y=0.215 m切面，以及高度方向Z=0.75 m切面。X=0.332 m、X=0.55 m、X=0.768 m切面为穿过各个送风口中心的切面，该切面能够较好地反映出各个送风口温度、速度分布在高度方向上的变化规律；Y=0.215 m切面为穿过全部送风口中心的切面，该切面能反映出整个冷风机温度、速度分布在竖直方向上的分布规律；Z=0.75 m切面则为了反映出解冻柜内温度、速度在水平方向上的变化规律。

表4 初始条件设置参数

图4 解冻柜代表性切面示意图

3.2 温度场模拟结果分析

图5为各送风口截面等温线图。由图5可看出，经冷风机处理后的空气，通过送风口以射流的形式送出，在其作用范围内，对流换热强烈，温度与送风温度几乎持平。特别是解冻柜内的中心区域，由于该区域在流动方向上射流速度快，换热效果剧烈，能够起到良好的隔热效果，温度相对较低。在靠近柜底处温度相对偏高，这是由于该区域受到回流影响，射流在此处衰减、空气流速减小，集聚的热量不易消散，因此形成了相对高温区域。在柜内四壁拐角处均出现了明显的温度梯度分布，呈现温度相对较高的现象，这是由于在拐角处流速方向发生改变，在死角区域形成小涡流导致的。

图5 各送风口截面等温线图

从图5中还可看出，X=0.55 m处的中间送风口截面较之X=0.332 m、X=0.768 m柜内中心区域出现较为明显的温度分层现象，这主要是由于中间送风口射流会受到两端送风口射流的影响，致使在远离中间送风口范围内的区域温度相对偏低，但解冻柜内大部分区域的温度与送风温度偏差不大。因此，解冻时物料应主要放置在解冻柜的中间和回风口下端区域，以避免造成干耗增加，影响物料解冻质量。

图6为冷风机截面Y=0.215 m等温线图。从图6中可看到，该切面上温度呈现出“中间小，两边大”的对称性分布，靠近送风口处温度最低，在冷风机射流作用范围内，温度相对偏低。在两侧靠近柜壁处、底部中间区域及柜内拐角处，由于回流作用空气流速减小，空气与周围环境的热交换，造成热量在这些区域集聚，致使温度相对偏高。

图6 Y=0.215 m截面等温线图

图7为冷风机截面Z=0.75 m等温线图。由图7可看到，柜内气流组织为下送侧回的形式，冷风机回风口处温度最低，在送回风空气流动的路线上，温度相对较低。这是由于从各送风口射流的冷空气，经过回流作用将冷量循环往复的带至回风口处。不在冷空气流动路线和贴近柜壁的区域空气流动慢，热量在这一区域集聚而不易被带走，换热效果差，从而该区域温度相对较高。

图7 Z=0.75 m截面等温线图

3.3 速度场模拟结果分析

图8为各送风口截面速度分布图。由图8可看出，气流由送风口射出后，由于送风口贴附柜顶，射流在柜内上部只能卷吸很少的空气，解冻柜内下部空气在回流作用下具有向上分速度，射流在此处衰减，空气流速减小。在送风和回风两个相反运动的作用下，在靠近解冻柜中部区域形成回流区，离回风口越近速度越大。由于在壁面处分子的动力黏性，在柜内周围近壁面区域速度也较小。

图8 各送风口截面速度分布图

图9为冷风机截面Y=0.215 m速度分布图。从图9中可看到，解冻柜内速度分布总体呈“中间大，两侧小”对称性。空气射流从冷风机送风口以较高速度送出，沿重力方向竖直向下前进、不断卷吸周围空气，速度沿程逐渐衰减，紊流强度逐渐增大，直至充分发展。当射流达到解冻柜中心区域后，由于受到回流以及本身重力作用，接近柜底时向冷风机回风口方向运动。在解冻柜四壁拐角处由于速度方向发生改变，存在小涡流，该区域速度较小，不利于散热，导致温度等温线图上该区域温度相对较高。