劉海波

（中農(nóng)聯(lián)企業(yè)運營管理有限公司,北京 100000）

豬肉由于貯藏溫度和成熟時間等不同,有冷凍肉、熱鮮肉、冷鮮肉之分[1]。目前市場上更受消費者歡迎的是熱鮮肉和冷鮮肉[2]。然而,有專家指出只要正確解凍和合理食用,冷凍肉更衛(wèi)生、新鮮、好吃、有營養(yǎng)。而且,冷凍豬肉作為國家儲備肉的重要組成部分還可作為應(yīng)對突發(fā)事件、平抑肉價波動的重要手段[3]。

通過仿真模擬加試驗驗證的手段預(yù)測食品在冷藏過程中的變化已經(jīng)被廣大學(xué)者采用[4-7]。采用仿真模擬的方法具有成本低、能模擬較復(fù)雜和較理想過程的特點[8]。冷庫內(nèi)貨物的冷藏過程可以通過模擬獲得[9],冷庫內(nèi)的冷空氣的氣流組織變化同樣可以通過模擬實現(xiàn)[10],通過模擬改變冷庫的設(shè)計參數(shù)和貨物的包裝可以實現(xiàn)冷藏效果的最佳化[11-12]。

本文以提高凍豬肉庫內(nèi)豬肉冷藏效果為目的,建立仿真模型對目標(biāo)凍豬肉庫內(nèi)在不同冷風(fēng)機出風(fēng)風(fēng)速下冷庫內(nèi)空氣速度場和溫度場進(jìn)行模擬,對比分析了不同冷風(fēng)機出風(fēng)風(fēng)速下豬肉冷藏效果的差異,并提出了針對凍豬肉的冷風(fēng)機出風(fēng)風(fēng)速建議,為了更好地冷藏豬肉,保持豬肉品質(zhì),滿足食品衛(wèi)生要求提供參考。

1 物理模型的建立

以儲存凍豬肉的冷庫為研究對象進(jìn)行建模和仿真分析,如圖1 所示。冷庫內(nèi)部規(guī)格：長34m,寬8m,高5.7m；回籠間規(guī)格：長3m,寬2.5m,高2.8m；4 臺冷風(fēng)機底部距地面3.5m,位于庫房中心位置。

圖1 庫房模型

1.1 網(wǎng)格劃分

對模型的網(wǎng)格劃分以四面體網(wǎng)格為主,在適當(dāng)?shù)奈恢冒骟w、錐形和楔形網(wǎng)格。

1.2 模型的簡化與假設(shè)

對模型做如下假設(shè)：由于試驗用庫房左右各有相同類型冷庫,因此左右兩側(cè)壁面均視為絕熱；庫房地面按絕熱處理忽略冷庫內(nèi)部管道、支架對溫度場的影響；冷庫內(nèi)空氣為理想不可壓縮氣體。

1.3 確定邊界條件和初始條件

冷風(fēng)機出口溫度、風(fēng)速按照測試值設(shè)定,出風(fēng)溫度-21.3℃,風(fēng)速為測量平均值7.32m/s,湍流強度按5%設(shè)置。風(fēng)機回風(fēng)口條件設(shè)為自由出流。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型,SIMPLE 算法,近壁區(qū)域流動采用壁面函數(shù)法。

1.4 仿真豬肉參數(shù)設(shè)定

豬肉密度取平均密度1000kg/m3,Cp=1340j/（kg·k）,λ=1.4w/（m·K）,豬肉溫度可根據(jù)生產(chǎn)工藝,按從其他庫房調(diào)入的凍結(jié)豬肉溫度計算,取-15℃。

采用上述經(jīng)過驗證的模型,開展不同工況下冷庫內(nèi)部流場及溫度場的分析。根據(jù)冷庫設(shè)計及使用規(guī)劃,冷庫內(nèi)儲存的是冷凍豬肉,豬肉碼放在托盤上呈立方體狀,托盤規(guī)格為1.2m×1m×0.1m,豬肉立方體規(guī)格為1.2m×1m×1.5m 共計160 盤。因此,為了使本文的工作更加有現(xiàn)實意義,不同條件下的模擬結(jié)果均為在帶有貨物的情況下進(jìn)行的。

冷庫內(nèi)原有貨物堆放形式如圖2 所示。冷風(fēng)機送風(fēng)速度實測平均值為7.32m/s,送風(fēng)溫度-21.3℃。保持貨物堆放形式及冷風(fēng)機送風(fēng)溫度不變,在送風(fēng)速度為6.32 m/s、7.32 m/s、8.32 m/s、9.32 m/s 時,對冷庫內(nèi)的速度場和溫度場模擬。

圖2 冷庫原有規(guī)劃形式

2 冷庫內(nèi)速度場分析

圖3 為不同送風(fēng)速度下的冷庫內(nèi)空氣流線圖。空氣流線圖很好的反應(yīng)了在冷風(fēng)機不同出風(fēng)風(fēng)速下冷庫內(nèi)氣流組織的運動情況,冷空氣首先從風(fēng)機出風(fēng)口送出,具有較高動量,速度較快,空氣流線較為密集,氣流在前進(jìn)過程中受阻力影響速度逐漸衰減,流線開始發(fā)散,與周圍空氣不斷進(jìn)行熱質(zhì)交換,并且受到重力影響,流線向下彎曲,距離主流越遠(yuǎn)的流線受到外界影響越快,氣流達(dá)到一定射程后,邊緣區(qū)域流線的水平速度逐漸衰減到零,氣流運動主要由重力主導(dǎo),冷空氣下降到地面,一部分最終隨著冷風(fēng)機的回風(fēng)氣流被冷風(fēng)機吸入,而風(fēng)機吹出的主流冷空氣則會因為受到冷庫壁面的阻礙而改變流動方向,流線瞬間發(fā)散開來并沿反方向流動將整個冷庫內(nèi)的貨物包圍起來,對貨物進(jìn)行熱量交換,隨著動量逐漸減少,由重力主導(dǎo),冷空氣下降到地面,絕大部分也會隨著冷風(fēng)機的回風(fēng)氣流被冷風(fēng)機吸入。隨著冷風(fēng)機出風(fēng)速度的增加會發(fā)現(xiàn),貨物與壁面間的流線密度增加了,冷風(fēng)機的回風(fēng)流線密度增加了,流線對貨物的“包裹”程度增加了,這些也就意味著冷空氣對貨物的冷卻效果會增加。

圖3 不同送風(fēng)速度下空氣流線圖

冷庫內(nèi)空氣流動會導(dǎo)致形成渦流區(qū),渦流區(qū)流線紊亂,氣流流動存在死角,不利于熱量傳遞,從流線的分布規(guī)律可以確定,貨物于墻壁間保持適當(dāng)?shù)木嚯x利于冷空氣的流動,可以有效減少渦流區(qū),對于冷庫內(nèi)貨物的冷卻效果是十分有利的。流線圖上觀察發(fā)現(xiàn),適當(dāng)增大冷風(fēng)機出風(fēng)速度,貨物與冷庫壁面間的流線增加了,在冷庫兩端產(chǎn)生的渦流區(qū)內(nèi)的氣流會從貨物與壁面間的空隙流走,形成良好的回流,貨物完整的包裹在冷氣流中,對于貨物的存儲十分有利。但送風(fēng)速度過大時,由于氣流具有過大的動量,導(dǎo)致冷庫內(nèi)氣體流線不易穩(wěn)定,空氣組織容易變得紊亂,不利于形成回流。

因此,理想的送風(fēng)速度既要保證冷庫內(nèi)氣流組織的完整性,又要減少渦流區(qū)的影響、減小冷庫內(nèi)的溫度場變化。

3 冷庫內(nèi)溫度場分析

圖4 和圖5 為在不同高度截面上空氣溫度分布情況。在不同冷風(fēng)機出風(fēng)速度下,同一高度截面上空氣溫差不大,但是在冷庫兩端空氣溫度場分布更加均勻,在冷風(fēng)機附近空氣溫度場分布較差,若不考慮冷風(fēng)機射流主流,冷庫兩端空氣溫度低于冷風(fēng)機附近區(qū)域。

圖4 Z=4.12m 切面溫度分布云圖

圖5 Z=2.45m 切面溫度分布云圖

從圖中可以發(fā)現(xiàn),適當(dāng)增加冷風(fēng)機出風(fēng)口速度,冷風(fēng)機附近相對溫度較高的區(qū)域面積逐漸減小,冷庫兩端相對溫度較低的區(qū)域逐漸向冷庫中心擴展,這意味著冷庫內(nèi)的空氣的溫度場均勻程度增強了,這對于貨物的冷藏是有利的。但是觀察發(fā)現(xiàn),冷風(fēng)機出風(fēng)口速度增大到一定程度后,這一趨勢不復(fù)存在了,通過前文對流線的分析,這種現(xiàn)象的原因是由于冷庫內(nèi)的空氣組織在適當(dāng)增加冷風(fēng)機出風(fēng)口速度時得到了優(yōu)化,因此冷庫內(nèi)空氣溫度均勻性得到改善,在風(fēng)速過大時冷庫內(nèi)的空氣組織開始變得紊亂,所以冷庫內(nèi)空氣溫度均勻性又變差了。

4 結(jié)論

結(jié)合在不同冷風(fēng)機出風(fēng)風(fēng)速下冷庫內(nèi)空氣速度場和溫度場分布,可以認(rèn)為本文所研究的冷庫對象, 冷風(fēng)機出風(fēng)風(fēng)速在7.32m/s～8.32m/s 較為適合,可以提高冷庫的冷藏效果。