冷藏车内温度场和湿度场的数值模拟研究

1、我国是农业大国,近年来,农产品产量逐年增长,形成巨大的农产品物流市场,农产品物流在国民经济中举足轻重。果蔬是众多农产品中占市场份额较大的一部分,由于果蔬含水量高,保护组织差,在采收、分级、包装、运输、贮藏等过程中极易造成大量腐烂1。为了保持果蔬的优良品质,必须在贮藏、运输和销售的一系列过程中实行低温贮藏,形成从生产到销售整个过程的低温流通体系。在流通体系的各环节中,运输中图分类号:TS205.7文章编号:1009-6221(201003-0026-04文献标识码:A 冷藏车内温度场和湿度场的数值模拟研究王以忠1,胡春园1,陈绍慧2,张平2,黄华芳1,黄国全3,刘旭1(1.天津科技大学电子信息与

2、自动化学院,天津300222;2.国家农产品保鲜工程技术研究中心(天津天津市农产品采后生理与贮藏保鲜重点实验室,天津300384;3.香港大学工业及制造系统工程系,香港Study on Numerical Simulation of Temperature and Humidity Fieldsin a Refrigerated VehicleWANG Yi-zhong 1,HU Chun-yuan 1,CHEN Shao-hui 2,ZHANG Ping 2,HUANG Guo-quan 3,LIU Xu 1(1.College of Electronic Information and A

3、utomation,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300222,China ;2.National Engineering and Technology Research Center for Preservation of Agricultural Products (Tianjin,Tianjin Key Lab of Postharvest Physiology and Storage of Product,Tianjin300384,China ;3.Department of Industrialand Ma

4、nufacturing Systems Engineering,The University of Hong Kong,HKSAR,China Abstract :Three dimensional non -stable numerical simulations were conducted to simulate the temperature and humidity fields inside a refrigerated vehicle with cargoes.Fluent,a software for Computational Fluid Dynamics (CFDwas u

5、sed,and the k-turbulent fluid model was adopted with unstably solving method.The distribution characters of temperature and humidity were got around evaporator area,center area,cargo area and wall,etc.The numerical simulation results of fluid field in a refrigerated vehicle can provide technical sup

6、ports for monitoring and controlling the environment inside a refrigerated vehicle.Key words :refrigerated vehicle;temperature field;humidity filed;computational fluid dynamics (CFD摘要:应用流体力学(CFD 软件Fluent ,采用k-紊流模型和非稳态求解方法,对加入货物冷藏车的温度场和湿度场进行了三维非稳态数值模拟计算,得到了冷藏车蒸发器区、中心区、货物区以及边壁等处的温湿度分布。冷藏车内流场的数值模拟结果可以为

7、监测与控制冷藏车内的环境提供技术依据。关键词:冷藏车;温度场;湿度场;计算流体力学基金项目:天津市科技支撑计划重点项目(08ZCKFNC00700作者简介:王以忠(1963,男,汉族,天津人,教授,主要从事数字化测控技术、光电测试技术及仪器教学与研究工作。保鲜与加工2010年5月第3期(第10卷,总第58期保鲜研究26又是对果蔬品质影响较大的环节之一。公路冷藏运输是比较常见的一种冷藏运输方式,占冷藏运输总运量的35%左右1。随着公路冷藏运输的进一步发展,方便灵活的冷藏汽车将在我国冷藏运输中扮演越来越重要的角色。果蔬采收后在贮藏、运输等过程中,环境温度和湿度是影响果蔬品质的两个重要因素。温度过高

8、或过低都会影响果蔬的正常生命活动,甚至会阻碍正常的后熟过程,造成生理损伤,以致死亡。如果湿度过高,微生物的繁殖就会旺盛起来,果蔬容易腐烂;而湿度过低,则会造成因干燥而引起的质量下降,不仅使果蔬失去新鲜饱满的外观,而且降低了对病虫害的抵抗能力,对长期贮藏十分不利。所以,在果蔬贮藏时要及时测量和控制温度与湿度变化情况,最大程度地降低果蔬损害2。冷藏车车厢内温度和湿度的分布是影响其运载的果蔬状态的两个重要因素。通过对冷藏车内流场分布的模拟,可以获得其内部的温度场和湿度场的分布情况,为监测、控制冷藏车内果蔬品质提供理论依据。目前的相关研究基本上都是冷藏车空间的二维温度数值模拟,而冷藏车内空间的三维湿度

9、场的模拟尚未见报道。笔者应用流体力学(CFD软件Fluent,对加入货物的冷藏车温度场和湿度场进行了模拟计算,采用k-紊流模型和非稳态求解方法进行求解,得出了冷藏车内温度场和湿度场的分布特点。1模型的建立合理的物理模型和数学模型是数值模拟的前提条件。Fluent具有从不可压到可压、层流、湍流等很大范围的模拟能力。Fluent对冷藏车温度与湿度的模拟与所建立的物理模型、数学模型以及设置的边界条件是密切相关的。1.1物理模型试验以某冷藏车为研究对象,整体规格为4m1.75m1.5m。车内用包装箱存放果蔬,果蔬可看作为多孔介质,由于包装箱的存在,果蔬之间风速缓慢,可近似认为果蔬区风速为0.1m/s3

10、。1.2数学模型建立数学模型的目的是建立反映冷藏车内流场的基本控制方程和相应的求解条件。冷藏车内的气流经进风口进入车厢,从上而下经过货物区,然后回流至回风口,属于三维空间的湍流方式。三维湍流模型目前有多种模拟方法,考虑到冷藏车属于高雷诺数的湍流流动,因此采用工程应用最广泛的标准k-模型(k为湍动能;为湍动能的耗散率4。在近壁区域,雷诺数较低,分子粘性影响较大,采用壁面函数法进行处理。忽略冷藏车内各种管道对流场的影响,并认为冷藏车内气体不可压缩且符合Boussinep假设4,冷藏车内流场是经过长时间运行后的稳定状态。综合考虑以上因素,控制方程的通用形式,为:div(V=div(grad+S(1式

11、中:通用变量;与相对应的广义扩散系数;S与相对应的广义源项。根据控制方程的通用形式,可以得出k-模型的X、Y、Z方向动量方程及能量方程、能量耗散方程。各方程不同对应关系如表1所示3。1.3边界条件由于在贴近壁面的粘性底层中,紊流Re数很低,故基于壁面函数法确定模型边界条件:表1各控制方程变量、扩散系数及源项方程方程SX方向动量方程+t-鄣p鄣y+鄣鄣x(eff鄣u鄣y+鄣鄣y(eff鄣v鄣y+鄣鄣z(eff鄣w鄣yY方向动量方程v+t-鄣p+鄣x(eff鄣u+鄣(eff鄣v+鄣(eff鄣wZ方向动量方程w+t-鄣p鄣z+鄣鄣x(eff鄣u鄣z+鄣鄣y(eff鄣v鄣z+鄣鄣z(eff鄣w鄣z紊流

12、能量方程k+tkG k-(1入口边界:入口边界采用速度入口边界条件。入口平均送风温度取0,平均送风速度取1.5m/s5。由于k和难以测量或计算,采用紊流强度和特性规格来定义紊流,紊流强度设为5%,水力直径为0.43m4。(2出口边界:出口边界采用压力出口条件,出口压力及温度根据环境值确定。(3壁面:壁面各方向速度为0,即按无滑移条件处理。王以忠,等:冷藏车内温度场和湿度场的数值模拟研究27(4热源边界:换热系数取0.3W/(m2K,环境温度设为30。根据热量的来源,冷藏车热负荷可以分为:围护结构传入热量(Q1,货物放热量(Q2,通风换气热负荷(Q3,电机运行热当量(Q4和操作管理热负荷(Q5。

13、热负荷计算简化为车厢外表面面积、传热系数、内外温差及开门次数的乘积:Q=FKtn(2式中:F冷藏车厢外表面面积,m2;K车厢的传热系数,W/(m2K;t车厢内外温差,;n开门修正系数,若开门次数少于2次,n=1.75;若少于6次,n=2;若少于10次,n=2.25;若少于20次,n=3;若少于30次,n=4。计算时考虑冷藏长途运输的情况,以每天开门少于2次计算,即n取1.754。根据上述假设和条件,在Gambit软件中划分网格后,使用CFD软件Fluent模拟计算冷藏车内温度场与湿度场。2模拟结果与分析2.1温度场模拟结果分析在Fluent中对所建立的数学模型进行求解,得到冷藏车内气流温度场的

14、分布,如图1所示。从图1可以看出,装有货物的冷藏车温度场的中心区位于货物区;X正方向前壁面左下方和右下方涡旋区温度较高,这是因为受到冷藏车涡流区影响的缘故。另外,由于货物之间没有通道,所以温度分布不是很均匀,热量交换不充足。根据数值模拟的结果,可以将冷藏车内分为如下几个区域:(1蒸发器区:在进风口附近区域,这是车内最低温度的分布区域。(2主流区:这是冷风机主气流的流动区域,其速度较高,冷风机冷源传播的速度也比较快,因而其温度也比较低,并沿气流方向逐渐上升。(3中心区:以车内中心大旋涡为中心向四周辐射,其流速较小,热量向外传递较慢,因而其温度稍高。(4货物区:由于货物区内流体流速很小,加之货物内

15、热源的作用,其温度比较高。(5涡流区:位于车体四周,温度也比较高。(6边界区:位于车体壁面上,由于流体在车体表面无滑移,加之外界热量的作用,其温度比较高,并随高度方向呈两端高中间低分布。2.2湿度场模拟结果分析在Fluent中选择Mixture模型(混合物模型模拟湿度分布情况。混合物模型(Mixture可用于两相流或多相流(流体或颗粒。混合物模型的应用包括低负载的粒子负载流、气泡流、沉降和旋风分离器。混合物模型也可用于没有离散相相对速度的均匀多相流。冷藏车考虑湿度分布,将两相流中的基本相设为空气,第二相设为水。水蒸气的体积率取0.03%,使用CFD软件Fluent进行冷藏车内湿度场模拟试验。冷

16、藏车湿度场的分布情况如图2所示。从图2可以看出,冷藏车湿度分布可以分为蒸发器区、货物区和边界区。蒸发器区湿度最低;由于货物的呼吸作用,货物区的湿度最高。边界区湿度较高是由于货物涡流区流体流速较慢,使得水分挥发较慢。3结论试验运用CFD工具对加入货物的冷藏车温度场与湿度场分布进行了模拟仿真,得到了以下结论:(1受车体传热的影响,靠近车体边壁处的气流温度最高,蒸发器区温度最低,由于货物区内流体流速小,加之货物呼吸作用产生热量,导致其温度比较高。(2由于果蔬呼吸作用以及温度影响,货物区和壁面湿度较高。(3试验结果可以为货物摆放方式及冷藏车结构XZY蒸发器区边界区货物区85%75%35%15%图2冷藏

17、车内湿度场模拟分布图1冷藏车内温度场分布图保鲜与加工X ZY630-302-1-25628王以忠,等:冷藏车内温度场和湿度场的数值模拟研究1挂藏此法简单易行,贮藏期间不倒动,管理粗放。采收后的大蒜经充分晾晒后,便可选种、编辫。每50头一辫,两辫一挂,不合规格的蒜头也应分等级编辫,以便上市或食用。大蒜编辫以后,还要晒蒜辫,让其充分干燥。晾晒时,要防雨、防潮、防热、防磕碰。大蒜编辫晒干以后,量少可挂在屋檐下,若量大时,要搭蒜棚挂起。注意遮荫、防雨、防潮、防热、通风,立冬以后天气寒冷时,下架移到贮藏室,注意通风,并随天气变化增减通风量。整个冬季要尽量减少搬动以免碰伤。贮藏室温度保持0左右,防止温度过

18、高所导致的呼吸作用增强、养分消耗、蒜头发芽、变软、发黄,或温度过低,造成冻害。2糠藏利用砻糠(稻谷砻过后脱下的外壳绝缘性能,使贮藏环境保持相对稳定的温度及一定程度的密封条件,有利于二氧化碳聚积,降低氧气含量和蒜头的呼吸作用。方法是在筐、箱或埋藏坑的底部铺一层厚约2cm的砻糠,然后放一层23只蒜头高的蒜头,再放一层砻糠。如此一层一层堆至离容器口5cm左右,上面仍用砻糠覆盖。3堆藏蒜头晒干后,留23cm剪去假茎,放在木箱、菜筐、塑料箱内,用骑马式堆垒在通风库或货架上,只要保持通风、凉爽、低温,都可收到较好的贮藏效果。4窖藏贮存窖多数为地下式或半地下式,贮存原理是利用地下窖内的温、湿度受外界条件影响小的特点,创造一个比较稳定的贮藏环境。窖址一定要选建在干燥、地势高、不积水、通风好的地方。窖内的温度由窖的深浅决定,窖的形式多种多样,采用较多的是窑窖、井窖,大蒜在窖内可以散堆,也可以围垛。最好是窖底铺一层干麦秆或谷壳,然后一层大蒜一层麦秆或谷壳,不要堆得太厚,窖内设置通风孔,要及时清理病变烂蒜。5冷库贮藏用于出口的蒜头,应按出口要求进行严格挑选和留桩、截须、去皮屑等整理后,装入编织袋,每件2025kg,袋口扎好,入库上架,货架