張曉晗，張春路

（同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海 200020）

0 引言

冷庫作為現(xiàn)代物流的重要組成部分，是為貨物提供低溫儲存作用的特殊結(jié)構(gòu)[1]。在冷庫的設(shè)計過程中，冷負荷計算是冷庫設(shè)計的基礎(chǔ)工作，在小型冷庫的運行過程中，貨物的熱量以及人員進出導(dǎo)致的開門冷損失是冷負荷最為重要的兩項組成[2]，其中開門裝卸貨物、進出頻繁，都會產(chǎn)生強烈的熱質(zhì)交換。冷庫內(nèi)部冷量流出，熱空氣侵入，導(dǎo)致內(nèi)外熱量交換，冷庫內(nèi)部溫度上升，影響貨物儲存的同時，也造成能源的浪費。因此，在實際運行過程中，為了降低庫門內(nèi)外的熱質(zhì)交換，通常會在冷庫門外側(cè)設(shè)置軟門簾，通過形成屏障，阻隔冷庫內(nèi)外由于壓力差導(dǎo)致的熱質(zhì)交換，降低冷量的損耗，同時可以起維持庫溫的作用，進而減少冷風(fēng)機的融霜能耗，達到節(jié)能的效果。

計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）常用于流體的流動和傳熱模擬，具有反饋速度快、無設(shè)備損耗、成本低等特點，在工程仿真中占據(jù)重要地位[3]，通過控制輸入條件得到相對真實的氣流組織特性。

空氣幕和軟門簾作為冷庫門隔熱的兩種措施，應(yīng)用廣泛。楊彥賓[4]針對“熱壓和風(fēng)壓作用下，通過冷庫門的熱質(zhì)交換”進行數(shù)值模擬，得到當(dāng)室外風(fēng)速小于2.2 m/s時，室外風(fēng)速對庫內(nèi)流場的影響較小，為冷庫設(shè)穿堂以降低熱對流提供了可行性分析。南曉紅等[5]進一步通過數(shù)值模擬預(yù)測了冷庫門和空氣幕同時開啟60 s內(nèi)，冷庫的溫度場和氣流場變化，驗證了“對于某個具體的冷庫，存在最優(yōu)的空氣幕出口射流速度和最優(yōu)的噴射角度，使得冷庫門空氣幕的性能最優(yōu)、效率最大”的結(jié)論，肯定了空氣幕冷庫門短期開啟時的作用。然而南曉紅的研究均是針對空氣幕的性能作分析，并未將軟門簾的實際作用進行量化，且數(shù)值模擬和實際測量的時長均為冷庫門開啟1 min，整個分析建立在制冷系統(tǒng)穩(wěn)定運行，未考慮人員因素和冷風(fēng)機化霜[6]切換。但在工程應(yīng)用的實際使用需求中，在無大量裝卸貨物操作時，人員進出取貨的時長通常為1～2 min，如果需要卸貨、理貨，耗費時長為15～20 min。

本文將從長時間理貨的缺漏入手，通過計算流體力學(xué)，對實際冷庫進行數(shù)值模擬，預(yù)測在冷庫開門耗時較長（裝卸貨與理貨操作總時長為30 min）時，軟門簾對庫門下冷熱對流的屏蔽效果，從而分析軟門簾在冷庫使用過程中的保冷作用，并進一步模擬貨物的內(nèi)部溫度，確定操作過程中貨物的實際溫度是否始終處于適宜溫度段。本次貨物排布采用對稱形式，送風(fēng)方式采用上送側(cè)回的氣流組織[7]形式，根據(jù)實際測量，對比數(shù)值模擬與實際工程的偏差，在冷庫使用過程中，合理控制裝卸貨操作時長，實時監(jiān)控庫內(nèi)環(huán)境[8]，為確保貨物始終處于最佳儲存環(huán)境提供借鑒。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

本次研究對象尺寸為4.0 m×5.5 m×2.5 m（長×寬×高）的（5±0.5）℃中溫儲存庫，采用低溫空調(diào)箱送風(fēng)至冷庫頂部夾層，形成靜壓箱，夾層底部均勻設(shè)置8個風(fēng)量為450 m3/h的頂送方形送風(fēng)口，1.5 ℃的低溫氣流經(jīng)由送風(fēng)口擴散至冷庫內(nèi)，最大凈冷卻能力為6 kW，考慮醫(yī)藥冷庫的氣流場均勻性[9]和潔凈度控制[10]，本次設(shè)計采用回風(fēng)夾墻，在南側(cè)設(shè)置低位回風(fēng)墻，回風(fēng)量為3 400 m3/h。冷庫內(nèi)部均布6桶貨物，貨物的初始溫度為25 ℃，冷庫的西側(cè)擱架靠墻布置，庫頂設(shè)置6臺40 W照明燈具，軟門簾安裝在冷庫（1 500 mm×2 100 mm）外側(cè)上方，保溫材料采用100 mm厚聚氯乙烯夾芯保溫板，冷庫庫門連接緩沖間，緩沖間溫度為26 ℃。根據(jù)以上條件對冷庫物理模型進行網(wǎng)格劃分，共計生成8 188 373個網(wǎng)格。

1.2 數(shù)值模型

本次研究以上海某醫(yī)藥冷庫為模型，并在冷庫內(nèi)堆放桶裝藥品模擬實際冷庫的運行過程，由于冷庫空間為強制冷空氣循環(huán)對流熱交換，雷諾數(shù)在106以上，屬于典型的湍流模型。因此結(jié)合假設(shè)條件，用軟件Fluent求解器，采用的模型為兩方程模型中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[11]。建立穩(wěn)態(tài)模型，并模擬出冷庫開門前后庫內(nèi)氣流分布以及冷庫門周邊的空氣流場變化規(guī)律，為接下來對比軟門簾的作用提供基礎(chǔ)。

k-ε模型是目前使用最為廣泛的一種湍流模型，表示湍流耗散率[12]的ε和湍動能k被定義為：

式中，μ、v、w分別為流體在x、y、z軸方向上的速度，m/s；ρ為流體密度，kg/m3。

k和ε在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中是兩個基本的未知量，本文研究的冷庫氣體為不可壓縮流動，在直角坐標(biāo)系下，聯(lián)立連續(xù)性方程、動量方程和k-ε方程以及能量方程作為計算方程組[13]。

微分方程組的通用形式：

式中，φ為通用變量，在運算過程中代表相應(yīng)的物理量，如溫度（K）、湍動能（J）與耗散率等；v為各個方向的速度，m/s；Γ為與φ相對應(yīng)的廣義擴散系數(shù)；S為與φ相對應(yīng)的廣義源項，kg/(s3·m)；ρ為流體密度，kg/m3；τ為時間，s。

在本文的具體研究中，為了簡化冷庫門內(nèi)外的溫度場和速度場計算，按照以下邊界條件進行：1）設(shè)冷庫內(nèi)空氣為不可壓縮流體；2）冷庫中貨物初始溫度為298 K，比熱容為4.18×103J/(kg·K)，貨物支撐架對流場的影響很小，可以忽略不計；3）冷庫保溫圍護結(jié)構(gòu)按第三類邊界調(diào)節(jié)設(shè)定，速度情況設(shè)定為無滑移，壁面各方向速度均為0，設(shè)初始時刻冷庫保溫結(jié)構(gòu)外側(cè)溫度為298 K，冷庫保溫板導(dǎo)熱系數(shù)為0.407 W/(m2·K)，由于壁面處風(fēng)速低，設(shè)為自然對流，對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為8.136 W/(m2·K)；4）冷庫門內(nèi)外邊界調(diào)節(jié)設(shè)定中，軟門簾與冷庫門均關(guān)閉時，將冷庫門設(shè)為冷庫壁面，邊界條件等同圍護結(jié)構(gòu)，滲透量忽略不計。

在冷庫門開啟，軟門簾關(guān)閉的過程步驟中，通過軟門簾的滲透熱負荷為：

式中，q為通過敞開門的負荷，W。

式中，Dt為敞開門時間因子，取值為1；Df為門口流量系數(shù)，取值為1；E為有效系數(shù)，取值為0.85；g為重力加速度，m/s2；H為室內(nèi)高度，m。

軟門簾與冷庫門全部打開時，冷庫門內(nèi)外進行自然對流換熱，由于冷庫門內(nèi)外冷風(fēng)滲透有五種計算方法，本次根據(jù)參考文獻[14]的經(jīng)驗公式，設(shè)定冷風(fēng)滲透率為1.88 m3/s，庫外溫度為298 K，風(fēng)速為1.5 m/s。

2 實驗測量

為了驗證實驗的真實結(jié)果，并驗證數(shù)值模擬的可靠性，對當(dāng)前冷庫的流場進行測量，為了更好驗證實際情況，貨物采用同溫度的乙二醇/DI溶液進行替代，對比空庫測量，更具有真實性[15]。

在冷庫測溫過程中，如采用冷風(fēng)機送風(fēng)，則需單獨在冷風(fēng)機側(cè)布置測點[16]?？紤]冷風(fēng)機側(cè)易造成局部溫升，本次設(shè)計采用高效風(fēng)口送風(fēng)，無冷風(fēng)機吊裝，避免了冷風(fēng)機周圍產(chǎn)生局部溫升，因此無需額外在送風(fēng)周圍單獨設(shè)置測點，在冷庫內(nèi)分3個高度均勻布置測點如圖1，每個水平高度上均勻布置6個測點，共18個測點。本次實際測量采用熱電偶測溫，測點主要布置在貨物周圍、庫門以及冷庫正中心位置。記錄時間間隔為10 s，將校準(zhǔn)后的溫度探頭分別放置在圖1中的詳細位置，并記錄編號。在庫內(nèi)溫度達到穩(wěn)態(tài)后，裝載順序為：0～120 s冷庫門、軟門簾同時開啟，運載工具載入庫；120～1 750 s冷庫門開啟、軟門簾關(guān)閉，一名操作人員進出理貨；30 s后軟門簾打開，運載工具撤出。根據(jù)以上步驟，在庫內(nèi)進行多點溫度測量，并分別記錄實驗數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束后，關(guān)閉冷庫門，使冷庫內(nèi)部重新達到穩(wěn)態(tài)，并記錄庫內(nèi)重新到達設(shè)定溫度的時間。

圖1 冷庫內(nèi)測點布點圖

3 結(jié)果與分析

由于難以描述整個操作時間段（30 min）內(nèi)，每時每刻每個測點的溫度場分布，本次研究先根據(jù)CFD得到冷庫內(nèi)平均溫度曲線[17]，然后針對特殊時間節(jié)點做詳細的流場描述。

圖2所示為冷庫內(nèi)平均溫度與貨物內(nèi)部隨時間的變化。由圖2可知，庫內(nèi)最高溫度在冷庫門與軟門簾全部開啟的最終時間點120 s處，此時庫內(nèi)平均溫度為16.1 ℃。伴隨軟門簾的關(guān)閉，冷庫溫度在制冷系統(tǒng)的運行下逐漸降低，前230 s內(nèi)溫度急劇下降至6 ℃左右，隨后至理貨完成后有0.2 ℃的波動。運載工具撤離的30 s，由于軟門簾重新打開，溫度開始上升，低于運載工具進入的120 s時段，撤離完成關(guān)閉冷庫門，80 s后平均溫度重新達到冷庫設(shè)計溫度。因此文后研究了在穩(wěn)態(tài)工況下，120 s時刻、1 750 s和撤離關(guān)門后80 s這3個時刻的溫度場。為了便于比較，本次分析取Z為0.50、1.70和2.20 m這3個典型的水平切面，對其溫度場分布和流向進行觀察，以方便模擬值與實測值進行對比。

圖2 冷庫內(nèi)平均溫度與貨物內(nèi)部隨時間的變化

3.1 穩(wěn)態(tài)時冷庫內(nèi)氣流場

圖3所示為冷庫在運行達到穩(wěn)態(tài)時的空氣流場和溫度分布。根據(jù)模擬結(jié)果所示：在3個高度的水平切面上，由于貨物的擺放形式和送風(fēng)口的分布都是均勻且對稱的，空氣流向和溫度場在水平面上得到較為相似氣流場。模擬值與實際測量值作比較：Z=1.7 m的水平切面位于貨物上方，由于貨物為比熱容較大的液態(tài)，溫度變化具有滯后性，在貼近貨物的位置仍具有少量散熱，局部溫度有所升高。同時，10測點處貼近兩側(cè)壁面，且距離回風(fēng)口最遠，受壁面擾流的影響，導(dǎo)致熱量交換不充分，有局部溫升（Δt=5.3 ℃）。隨著Z值增大，分析切面高度上升，與熱源（貨物）的距離也逐漸增加，但與燈具（熱源）的高度差減小，兩熱源共同作用下，水平方向溫度略有升高，但各測點溫度均低于5.5 ℃。

圖3 冷庫內(nèi)溫度模擬值與實驗值的對比

本次針對穩(wěn)態(tài)氣流場的模擬，主要目的是為下一步的模擬非穩(wěn)態(tài)提供基礎(chǔ)，同時也方便將頂送風(fēng)與側(cè)送的貼附射流方式做對比。根據(jù)繆晨等[18]對貼附射流的模擬結(jié)果，貼附射流降溫快，設(shè)備安裝方便，適合溫度精度要求不嚴(yán)苛的冷庫，缺點是高速噴出的氣流，在抵達對面墻壁后四散開來，易在冷風(fēng)機和貨物周邊形成渦旋，導(dǎo)致中心形成送風(fēng)死角，進而造成貨物上下氣流不通暢，降低傳熱效率，干擾整個冷庫的局部流場。而頂送可以實現(xiàn)對庫內(nèi)貨物的均勻送風(fēng)，并且可以根據(jù)具體需求，局部調(diào)整送風(fēng)量，有利于形成均布的溫度場，不易形成送風(fēng)死角。因而在設(shè)計制冷系統(tǒng)的送風(fēng)方式時，可以根據(jù)工藝需求，選擇合適的氣流組織形式。

3.2 冷庫門與軟門簾同時打開時，非穩(wěn)態(tài)溫度場模擬與驗證

在冷庫內(nèi)部氣流場達到穩(wěn)態(tài)后，進一步開啟冷庫門以及軟門簾，進行人員裝卸操作，通過計算流體力學(xué)模擬結(jié)果，120 s時刻的冷庫門下熱質(zhì)交換過程見圖4，分析開門時熱對流的規(guī)律。

圖4 冷庫門、軟門簾全部開啟時，熱質(zhì)交換過程

冷庫門開啟時，由于冷庫內(nèi)外空氣的密度不同，空氣之間形成壓力差，外界的熱空氣貼門上部滲入冷庫，庫內(nèi)冷空氣從底部滲出，在自然對流的作用下進行熱質(zhì)交換，隨著傳質(zhì)流動的進一步加劇，庫內(nèi)豎直方向逐漸出現(xiàn)冷熱分層，冷庫門在垂直方向形成3個明顯的溫度段：頂部的熱空氣、底部的沉降的冷空氣及中間換熱后的中溫氣流，與常規(guī)理論計算[19]基本保持一致。

穿堂的熱空氣從頂部進入冷庫后，庫內(nèi)頂部溫度升高迅速，高溫區(qū)域逐漸擴大，冷庫內(nèi)部溫度逐漸升高，并在120 s時刻達到最高溫度，在Z=2.2 m水平切面，模擬值最高溫度為23.8 ℃，實測點最高溫度為22.4 ℃。

庫內(nèi)溫度模擬與實測點作比較圖6，變化趨勢基本趨于一致，模擬值整體略高于實測值，18個測點的實驗值與模擬值的絕對誤差基本保持在3 ℃以內(nèi)。根據(jù)圖6的曲線走向，在溫度為10、14和21 ℃時，有3個明顯的水平走向分別對應(yīng)了測點的3個水平切面，直觀表現(xiàn)了短時開啟冷庫門的過程中，溫度場還未達到穩(wěn)態(tài)時，庫內(nèi)上中下溫度分層的特點，豎向溫升達13.4 ℃。為了進一步模擬貨物內(nèi)部的溫度，研究冷庫內(nèi)溫度對貨物溫度的作用，在模擬冷庫庫溫的前提下，模擬此時傳感器在浸入乙二醇/DI溶液的貨物內(nèi)部的溫度為5.9 ℃，實測貨物溫度為5.8 ℃。

圖5 軟門簾開啟時水平面溫度場

圖6 冷庫內(nèi)溫度模擬值與實驗值的比較

3.3 軟門簾關(guān)閉后非穩(wěn)態(tài)流場模擬與驗證

冷庫門保持開啟，軟門簾關(guān)閉，工作人員進行理貨操作，由圖2整個流場的平均溫度走向可以發(fā)現(xiàn)，軟門簾關(guān)閉初期，在軟門簾的屏蔽作用和制冷系統(tǒng)降溫作用下，庫內(nèi)溫度下降速度極快，隨著軟門簾關(guān)閉時間的推移，240 s后庫內(nèi)溫度逐漸趨于穩(wěn)定。由于圖2顯示的此過程平均溫度有輕微波動，實測點的溫度值將取680 s后的平均值，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 軟門簾關(guān)閉時水平面溫度場

圖8 冷庫內(nèi)溫度模擬值與實驗值的比較

從Z=2.2 m的水平面觀測，軟門簾的安裝極大隔絕了庫內(nèi)外冷熱氣流的熱質(zhì)交換，圖4中頂部高溫主氣流已經(jīng)消失，換熱以門簾縫隙的滲透為主。相對于無軟門簾時中間主流通到的侵入，軟門簾關(guān)閉后，熱空氣主要通過滲透，大大降低了內(nèi)外熱質(zhì)交換效率。冷庫門開啟后，庫外熱空氣貼頂滲透[20]進冷庫內(nèi)，靠近庫門一側(cè)溫度上升快，遠離冷庫門的一側(cè)溫度上升慢，由于軟門簾的屏蔽作用，同一高度水平面上，溫升明顯減小。在冷庫底部，由于冷熱空氣的密度差，冷空氣始終沉降在底部，給貨物提供了一個相對適宜的溫度，平均溫度為8.5 ℃。

庫門保持開啟，軟門簾關(guān)閉20 min，從垂直方向觀察，軟門簾未開啟時，庫內(nèi)最高溫度位于冷庫庫門的頂端，即庫門開啟、熱空氣入侵造成冷庫門測溫度急劇上升，接近于室外溫度；當(dāng)軟門簾開啟時，庫內(nèi)最低溫度受送風(fēng)口溫度的影響位于散流器出口，庫內(nèi)最高溫度為6.5 ℃，位于墻壁邊緣產(chǎn)生渦旋的位置，由于壁面擾流，前期形成的熱空氣在墻邊緣位置停滯，難以回流至回風(fēng)口，形成局部換熱不均[21]。此時浸入乙二醇/DI溶液的貨物內(nèi)部的溫度計度數(shù)為5.9 ℃，由于120 s后貨物始終為吸熱狀態(tài)，故此時溫升的0.8 ℃，為整個理貨過程的最高溫升。即在安裝軟門簾的冷庫裝卸貨物，冷庫開門對貨物儲存的短時影響相對較小，不會直接造成貨物溫度急劇上升，對藥物的儲存具有參考意義。

根據(jù)模擬結(jié)果如圖2所示，人員撤出，冷庫門關(guān)閉60 s后，平均溫度重新達到5 ℃。因此，實際測量門關(guān)閉60 s后各測點的溫度值，數(shù)據(jù)如圖9所示，此時貨物內(nèi)部實際溫度也達到穩(wěn)態(tài)，為6.1 ℃。

圖9 冷庫內(nèi)各測點溫度實驗值

4 結(jié)論

本文采用CFD模擬軟件對實驗冷庫的理貨過程進行了非穩(wěn)態(tài)模擬，以冷庫運行模擬結(jié)果為非穩(wěn)態(tài)模擬的初始條件，預(yù)測了在裝卸理貨過程中，冷庫溫度場和氣流場的變化，預(yù)測并驗證了軟門簾在整個過程中的保冷作用，得出如下結(jié)論：

1）冷庫門開啟時，由于冷庫內(nèi)外空氣的密度不同，空氣之間形成壓力差，外界的熱空氣貼門上部滲入冷庫，庫內(nèi)冷空氣從底部滲出，豎直方向有冷熱分層；

2）冷庫門保持開啟，軟門簾關(guān)閉后的5 min，冷庫內(nèi)平均溫度基本可達6 ℃，證明軟門簾在屏蔽冷熱對流具有極大作用；

3）從穩(wěn)態(tài)開始，整個裝卸及理貨過程，時間長達30 min，冷庫內(nèi)貨物實際溫度最高為6.1 ℃，整個裝卸過程，軟門簾和制冷系統(tǒng)充分圍護了貨物的儲存環(huán)境，保證了貨物的質(zhì)量。