繆 晨謝 晶

（1.上海海洋大學食品學院，上海 201306；2.上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306）

空氣幕的研究進展

繆 晨1，2謝 晶1，2

（1.上海海洋大學食品學院，上海 201306；2.上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306）

主要從計算方法、數(shù)學模型、流動特性和性能影響因素等方面對當前國內(nèi)外空氣幕進行分析，并論述空氣幕在冷庫中的應用研究，通過對空氣幕研究成果的分析，得出CFD數(shù)值模型在預測空氣幕效率上更有優(yōu)勢、向外調(diào)整噴射角度可以提高空氣幕的封閉性等結(jié)論，提出下一步研究冷庫門空氣幕的方向。

空氣幕；冷庫；節(jié)能；進展；數(shù)值模擬

在超市、辦公樓、礦場、冷庫等商業(yè)或工業(yè)建筑以及陳列柜、冷藏車等冷藏設備中，由于人員的走動或貨物的進出，入口處需要經(jīng)常開啟，為了減少外界環(huán)境空氣與內(nèi)部環(huán)境發(fā)生熱量與質(zhì)量交換，維持室內(nèi)控溫要求，往往在入口處設置空氣幕。1904年，Van Kennel［1］關于空氣幕的研究在北美發(fā)表后，空氣幕技術(shù)迅速發(fā)展。空氣幕是通過貫流風輪噴射出強大氣流形成空氣面，阻隔室內(nèi)外壓差導致的氣體流動，從而抑制風幕兩側(cè)區(qū)域發(fā)生空氣交流，減少質(zhì)量與能量交換，達到節(jié)能的效果，同時又具有防塵、防污染、防蚊蠅的功效。因此，研究空氣幕的性能使空氣幕達到最佳的效果是眾多學者關注的研究焦點。

1 空氣幕的研究現(xiàn)狀

1.1 空氣幕計算方法

建筑單位在安裝空氣幕裝置時，往往只按入口尺寸來選擇，既不考慮風幕風量和出風速度，也不考慮出風溫度和噴射角度，只是按照風幕尺寸能覆蓋大門尺寸來選擇產(chǎn)品。這樣勢必會因為出風速度過大而造成能源浪費，或是因為溫度和風量不符合實際需求，空氣幕無法起到滿意的與外界隔離的效果，以致影響室內(nèi)控溫環(huán)境。所以，在選擇空氣幕前，首先要進行設計計算。

蔡穎玲［2］通過計算空氣幕送風量、送風溫度和效率，對3種空氣幕常用的計算方法（以自然通風為基礎、以平面自由射流理論為基礎、根據(jù)空氣動力學理論推導而得出的基本公式）進行比較和分析，發(fā)現(xiàn)自然通風法是比較合理的計算方法；在計算送風量時，方法二（以平面自由射流理論為基礎）需要同時考慮熱壓和風壓的作用；秦虹［3］介紹了幾種常用方法的特點和適用條件，分別對存在的問題進行了分析，認為空氣幕計算僅考慮單一作用壓差導致送風量過小而且空氣幕抗彎能力弱，于是提出了改進后的計算方法，并介紹了一種先進的計算方法－總壓差計算法。

針對無法設計適宜的空氣幕來滿足不同建筑類型和建筑條件的問題，秦虹［4］又提出了簡化的計算方法，分析了簡化方法的適用性和誤差，建議計算夏季空調(diào)建筑空氣幕總壓差和送風量時應綜合考慮熱壓、風壓、機械壓和平衡壓，而冬季空調(diào)建筑采用按熱壓計算的空氣幕計算方法。

1.2 空氣幕數(shù)學模型

建立數(shù)學模型是空氣幕數(shù)值求解過程中最關鍵的部分。層流模型是相對容易的求解模型，風幕在較低的流速下會呈現(xiàn)層流流動狀態(tài)。對于封閉式陳列柜［5］，柜內(nèi)空氣呈自然對流狀態(tài)，屬于層流流動，采用層流模型可以模擬冷藏陳列柜內(nèi)的溫度場。但是目前的空氣幕大量應用在敞開的環(huán)境中，容易受到外部環(huán)境空氣的干擾以及空氣幕自身重力作用，空氣幕很難處于層流狀態(tài)。因此，在數(shù)值模擬中，層流模型更多地被湍流模型所取代［6］。

目前，κ－ε雙方程模型是風幕數(shù)值模擬中應用最廣泛的湍流模型。趙玲等［7］采用標準κ－ε模型，利用計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）FLUENT 軟件數(shù)值模擬了循環(huán)型礦用風幕隔斷風流的效果。同樣陳列柜也有采用標準κ－ε模型模擬風幕性能的實例［8］。

雖然標準κ－ε模型被廣泛應用，但也存在一定的缺陷，因此在標準κ－ε模型基礎上，有學者提出了各種修正項，使數(shù)值計算結(jié)果更接近試驗結(jié)果。崔景潭等［9］和徐正本等［10］對標準κ－ε模型進行了浮力項修正，建立了湍浮力射流模型對風幕射流進行了分析，為進一步優(yōu)化風幕性能提供了依據(jù)；Mu等［11］運用κ－ε湍流模型并考慮了浮力作用，預測了立式敞開陳列柜風幕的氣流場，在某些測量點上，計算結(jié)果與試驗結(jié)果相符合。

常用的湍流模型還有雷諾應力模型和大渦模型。謝卓等［12］和馮欣等［13］采用雷諾應力模型分別對臥式陳列柜和雙層風幕陳列柜的流場、溫度場和濕度場進行了數(shù)值模擬和實驗驗證；Cortella等［14］采用大型渦流模型，通過CFD模擬陳列柜雙層風幕的氣流和溫度分布，數(shù)值模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果相吻合，然而，風幕的整體熱負荷與模擬結(jié)果吻合效果不是很理想，可能是因為陳列柜復雜的結(jié)構(gòu)，無法測量風幕內(nèi)部的速度。為了比較κ－ε模型、雷諾應力模型和大渦模型的適用性，陳江平等［15］以臥式陳列柜為試驗對象，利用3種湍流模型模擬計算柜內(nèi)的氣流場和溫度場，與試驗結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn)，雷諾應力模型的結(jié)果更接近試驗結(jié)果，能較好地預測陳列柜風幕的氣流流動規(guī)律。

近幾年，有學者［16］開始研究一種新型的湍流模型——雙流體模型。最早提出雙流體模型的是美國的Spalding，他認為兩種流體各自流動會發(fā)生質(zhì)量、能量和動量的交換。余克志等［17］和黃志坤等［18］采用雙流體模型分別對立式陳列柜和臥式陳列柜的速度場和溫度場進行模擬，與常用的湍流模型相比，雙流體模型模擬結(jié)果與試驗結(jié)果更加吻合，是優(yōu)化陳列柜風幕的一種有價值的模型。之后在雙流體模型的基礎上，全面考慮兩種流體之間的質(zhì)量交換，余克志等［19］又提出了改進的雙流體模型，得出大部分工況下改進模型模擬的溫度值與實測值更加接近，而且當內(nèi)外風幕風速較?。ㄐ∮?.3m/s）時，雙流體改進模型的模擬效果要優(yōu)于改進前的模型，但是當風速增大后，其模擬精度又會下降。

上述介紹的模型都屬于獨立的CFD模型，形式比較復雜。為了簡化模型便于使用，Hammond等［20］和 Cao等［21，22］分別提出了空氣幕偏轉(zhuǎn)量模型和冷量損失模型。這類模型是一系列變量的函數(shù)形式，稱為關聯(lián)式模型，其計算結(jié)果與實測結(jié)果十分吻合，有很大的發(fā)展前景。

1.3 空氣幕流動特性

為了更好地理解空氣幕流體流態(tài)的基本特性，將空氣幕假設為一種負浮力貼壁射流，是沿著浮力和射流速度方向向下移動的高密度射流。有3種無量綱參數(shù)用來描述這類流體的流動特性：雷諾數(shù)（Re）、理查森數(shù)（Ri）和格拉曉夫數(shù)（Gr）。

在射流流速較低的情況下，Angirasa［23］計算研究了加熱表面的層流貼壁射流。發(fā)現(xiàn)理查森數(shù)在0.004～0.01內(nèi)，當雷諾數(shù)增加到102數(shù)量級時，射流開始脫離壁面，從而導致壁面處的傳熱下降。對于湍流流動（雷諾數(shù)大于104數(shù)量級），Ljuboja等［24］建立了κ－ε模型的擴展形式模擬湍流負浮力壁面射流的流動特性，說明了浮力和壁面的影響作用。

然而，有關平板貼壁射流在過渡區(qū)流動（雷諾數(shù)為103～104數(shù)量級）或是對實質(zhì)性的湍流強度的研究很少。最近，F(xiàn)ield等［25］把陳列柜中的空氣幕理想化為負浮力壁面射流，使用粒子圖像測速（PIV）技術(shù)檢測空氣幕的卷吸特性，研究雷諾數(shù)在1 500～8 500內(nèi)空氣幕的流動特性，并分析了雷諾數(shù)和理查森數(shù)對渦旋動力、速度分布和風幕卷吸率的影響，最后得出減小風幕卷吸率的方法。

空氣幕卷吸現(xiàn)象主要是在壓力作用下外界環(huán)境空氣與空氣幕在剪切層混合后造成的，卷吸作用會破壞空氣幕的隔離性能，影響空氣幕的效率。Pratik等［26］使用 Navier－Stoke方程模擬研究理想貼壁射流中的卷吸現(xiàn)象，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著雷諾數(shù)的增加，射流厚度逐漸減小，當雷諾數(shù)達到700時，空氣幕厚度達到最小值，射流開始變得不穩(wěn)定，雷諾數(shù)繼續(xù)增大到1 000以后，卷吸現(xiàn)象明顯增加。

1.4 空氣幕性能的影響因素

空氣幕的流動和傳熱受多種因素的影響，Luis等［27］發(fā)現(xiàn)空調(diào)房間門高度、室內(nèi)外溫差、初始噴射角度等都會影響空氣幕的封閉性能。

Chen［28］模擬研究了立式開式陳列柜單層循環(huán)風幕的隔熱性能。試驗發(fā)現(xiàn)風幕裝置的長寬比和噴射角度會影響風幕的穩(wěn)定性。提出減小長寬比可以減少卷吸現(xiàn)象，噴射角度向外側(cè)偏轉(zhuǎn)15～20°時，風幕的封閉性能最佳；管天等［29］研究了陳列柜雙層風幕送風速度對風幕性能的影響，發(fā)現(xiàn)降低內(nèi)側(cè)冷風風幕的送風速度或提高外側(cè)非冷風風幕的送風速度都能使風幕向柜內(nèi)偏移，減少環(huán)境熱空氣的侵入，提高風幕封閉性能。

陳蘊光等［30，31］應用數(shù)值方法分別研究了不同射流速度分布（均勻分布、2種線性分布和拋物型分布）和陳列柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)對垂直風幕性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，內(nèi)側(cè)較大的線性速度分布對空氣的卷吸作用最小，風幕性能最佳。在保證柜內(nèi)溫度的條件下，在風口設置合適的整流裝置也可以減小對環(huán)境熱空氣卷吸作用，從而優(yōu)化風幕的性能，此外柜內(nèi)隔板的存在可以提高風幕流動的穩(wěn)定性，出風口內(nèi)沿與隔板前端之際的水平距離和隔板之間的豎直距離分別對柜內(nèi)溫度分布和風幕流動軌跡有顯著的影響，要根據(jù)需要設計計算。

汪澍等［32］研究了礦用密閉救生艙空氣幕開孔直徑、開孔間距及救生艙外界環(huán)境氣體濃度對空氣幕阻隔性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，開孔直徑和開孔間距分別為0.5，20mm時空氣幕的阻隔效果最佳；王海寧等［33］采用有限元模型數(shù)值模擬了礦用空氣幕的風流特性，發(fā)現(xiàn)空氣幕供風器結(jié)構(gòu)會影響其供風風壓和風流速度，而且較小的供風器出口寬度可以提高空氣幕的性能。

1.5 冷庫空氣幕的研究現(xiàn)狀

冷庫是在低溫條件下貯藏貨物的建筑，在冷庫運行中，貨物的進出經(jīng)常需要開啟庫門。庫門開啟時，庫外高溫高濕的空氣滲入庫內(nèi)，造成庫溫升高，影響食品品質(zhì)；庫內(nèi)冷空氣與庫外空氣接觸混合后，門道處會形成薄霧，影響工作人員的視線，容易造成事故；對于凍結(jié)間而言，大量的熱濕交換使庫門上部、地板及天花板結(jié)冰，導致庫門損壞；更主要的是冷風機或蒸發(fā)器排管結(jié)霜，傳熱惡化，導致庫溫波動，增加冷庫運行和融霜能耗。據(jù)統(tǒng)計［34］，中國冷庫平均耗電量高達131kW·h/（m3·年），日本僅為48～56kW·h/（m3·年），歐洲等國在60kW·h/（m3·年）左右。

為了實現(xiàn)冷庫節(jié)能，隔斷庫外熱空氣滲入庫內(nèi)，最常用的方法是在冷庫庫門處安裝透明的聚氯乙烯（PVC）條狀幕簾。但是Ligtenburg等［35］認為PVC條狀幕簾效率低、不安全、不衛(wèi)生，而且會影響叉車操作員的視野。Chen等［36］建立了預測冷庫空氣滲透率的理論模型，模型中包含空氣氣密性，開門期間的空氣滲透率和貨車工作造成大門處額外空氣的交換，預測了不同尺寸的商業(yè)冷庫的空氣滲透率；Foster等［37，38］運用經(jīng)驗模型和CFD數(shù)值模型對冷庫大門在沒有安裝空氣幕情況下的空氣滲透率進行了計算和模擬分析，結(jié)果得出空氣滲透率在20%～32%，因此提出在入口處安裝空氣幕可以減少外界熱空氣滲入冷庫。

冷庫大門處使用空氣幕后，F(xiàn)oster等［39］使用經(jīng)驗模型對空氣幕偏轉(zhuǎn)量進行了計算，并用CFD二維技術(shù)模擬預測了空氣幕的速度場和溫度場，發(fā)現(xiàn)空氣幕射流的貼附效應使射流的中心主軸偏離了冷庫，而在熱壓作用下，射流的邊緣偏向冷庫，導致空氣幕最后變成空洞。為了能更加準確地預測冷庫空氣幕的性能，F(xiàn)oster等［40］又運用了CFD三維技術(shù)對空氣幕進行了模擬，發(fā)現(xiàn)空氣幕射流速度和噴射角度對空氣幕的效率有明顯的影響，提出了向外側(cè)調(diào)整噴射角度或使用更高的噴射速度從而可以減小風幕兩側(cè)的偏轉(zhuǎn)，以提高空氣幕的效率。

中國也有學者［41，42］利用理論分析和經(jīng)驗公式分別對冷庫大門處的冷風滲透率進行了計算分析，并使用CFD三維技術(shù)模擬了熱壓作用下的冷庫內(nèi)外氣流流動，分析了在冷風機吹風速度一定時，冷庫內(nèi)和大門處的溫度場和速度場，以及穿過冷庫大門的冷風滲透率。建議在冷庫大門處安裝空氣幕裝置能減少庫門兩側(cè)空氣熱質(zhì)交換，從而減小冷庫負荷，達到節(jié)能的目的。

楊彥賓［43］運用數(shù)值模擬的方法分析了熱壓和風壓同時作用下冷庫空氣幕的效率，得出空氣幕最佳的設計參數(shù)和運行模式；南曉紅等［44］建立了包含冷庫內(nèi)部對流換熱、冷庫門空氣幕射流換熱及室外環(huán)境風場流動在內(nèi)的三維整體耦合求解數(shù)值模型。通過求解建立的數(shù)值模型，重點研究了冷庫門空氣幕送風速度、噴口寬度和送風角度3種參數(shù)對空氣幕性能的影響規(guī)律，提出了最優(yōu)的空氣幕運行參數(shù)。

2 結(jié)論與展望

根據(jù)前人對空氣幕的研究，可以得到以下結(jié)論：①CFD數(shù)值模型比經(jīng)驗模型在預測空氣幕效率上有優(yōu)勢，CFD模型不僅可以準確預測室內(nèi)外溫度隨時間和高度變化時流過大門的氣流場，而且CFD模型可以預測動態(tài)變化的溫度場且準確性較高；② 風幕出風空氣和外界空氣的壓差、溫差或相對濕度差對空氣幕的穩(wěn)定性影響較大，合理控制風幕出風空氣的溫度和相對濕度可以很好地提高風幕的效率；③ 空氣幕效率并不是隨著噴口寬度的增加而增大，當噴口寬度達到一定值以后，空氣幕效率的改善并不明顯，反而增加了空氣幕的能耗和制造安裝的難度，因此，噴口寬度不宜太寬，最佳噴口寬度為0.05m，而噴射角度向外側(cè)調(diào)整15～20°可以提高空氣幕的封閉性；④ 雷諾數(shù)在102～103數(shù)量級（層流區(qū)域）時，空氣幕射流流動穩(wěn)定，雷諾數(shù)大于103數(shù)量級時，流體開始急劇擾動，出現(xiàn)卷吸現(xiàn)象。

國內(nèi)外學者對空氣幕的研究取得了不少成就，但是由于空氣幕流動和換熱的復雜性，很多空氣幕未能達到理想的效果，為了進一步優(yōu)化冷庫門空氣幕的性能，可以從以下幾個方面進行：① 較小的送風速度能有效縮短風幕的主軸，減少冷負荷，但風幕射流不能到達底部，無法形成完整的風幕。送風速度過大時會增加風幕射流與外界熱空氣的熱質(zhì)交換，增大風幕的卷吸作用，因此研究合理的送風速度能提高空氣幕的封閉效率；② 雙層空氣幕在超市陳列柜中的應用得到普及，并且取得了很好的效果，內(nèi)層空氣幕是低溫射流，外層空氣幕是等溫射流，如果冷庫中使用雙層空氣幕，外層空氣幕隔絕外界空氣與庫內(nèi)空氣發(fā)生交換，內(nèi)層空氣幕維持庫內(nèi)環(huán)境溫度，從而可以提高空氣幕的性能，但是采用雙層空氣幕時，需要考慮各自的溫度、濕度等因素，避免空氣幕之間發(fā)生干擾影響空氣幕性能；③ 陳列柜空氣幕的數(shù)學模型已經(jīng)發(fā)展有十幾種，不同的數(shù)學模型擁有各自的特點和優(yōu)勢，而針對冷庫空氣幕數(shù)學模型的研究很少，普遍使用標準κ－ε模型數(shù)值模擬，因此研究冷庫空氣幕的流動特性，建立不同的數(shù)學模型對提高冷庫空氣幕的性能有很大幫助；④ 有關空氣幕性能影響因素的研究很多，但是普遍集中在單一變量對空氣幕工作性能的影響，而且沒有明確影響變量的主要性和次要性，因此有必要在前人研究的基礎上，將影響空氣幕性能的因素分類，然后可以建立計算方程包含所有的主要因素或次要因素，研究各個變量與空氣幕性能之間的關系，得出最佳的各個參數(shù)數(shù)值，可能比求出單一的最佳值更有效。

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42 何媛，南曉紅.三維CFD模型預測熱壓作用下冷庫門的冷風滲透率［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24（6）：26～30.

43 楊彥賓.熱壓和風壓作用下冷庫大門空氣幕性能的數(shù)值研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2009.

44 南曉紅，何媛，劉立軍.冷庫門空氣幕性能的影響因素［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（10）：334～338.

Research development on air curtain

MIAO Chen1，2XIE Jing1，2

（1.College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai201306，China；2.Shanghai Engineering Research Center of Aquatic－Product Processing＆ Preservation，Shanghai Ocean University，Shanghai201306，China）

The current status of air curtain were introduced.The several related research topics were analyzed including calculation methods，mathematical models，flow characteristics，factors influencing performance of air curtain and the application research of air curtains used in the cold storage were also described.Some conclusions of current researches on air curtains were obtained such as CFD had an advantage in predicting air curtain，nozzle angle adjustment could improve the sealing capability of air curtain.Lastly，the further research directions of air curtain used in the cold storage were presented.

air curtain；cold storage；energy saving；development；numerical simulation

10.3969 /j.issn.1003－5788.2012.04.064

“十二五”國家支撐計劃項目（編號：2012BAD38B09）；2011年度上海市農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目（編號：113919N0700）；上海市科委工程中心建設（編號：11DZ2280300）

繆晨（1988－），男，上海海洋大學在讀碩士研究生。E－mail：mcaibj＠sina.cn

謝晶

2012－03－30