仇富強(qiáng)

(銅陵學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 銅陵 244061)

高壓靜電解凍技術(shù)采用高壓靜電場(chǎng)微能源作用于冷鮮肉，使其可在低溫條件下即可解凍，具有解凍速度快、解凍后肉樣溫度分布均勻、肉汁流失少、可以有效防止冷鮮肉的油脂酸化，且可殺菌，有利于保證冷鮮肉解凍品質(zhì)[1-3]，是一種前景廣闊的解凍方法。

目前，高壓靜電場(chǎng)已逐漸應(yīng)用于食品加工產(chǎn)業(yè)[4-7]。在解凍方面國(guó)內(nèi)已有部分學(xué)者進(jìn)行研究，如郭衍銀等[8]進(jìn)行了高壓靜電場(chǎng)用于解凍速凍冬棗的實(shí)驗(yàn)研究，研究表明：采用該方法冬棗汁液流失較少，品質(zhì)佳。孫芳等[9]對(duì)牛肉做了高壓靜電解凍實(shí)驗(yàn)，研究表明，與常規(guī)解凍方法相比，其解凍時(shí)間、失水率、外觀和肉色值差異均有明顯改善。唐樹(shù)培等[10-11]研發(fā)了一臺(tái)新型高壓靜電解凍柜，可用于冷凍肉的解凍。并以羊胴體為研究對(duì)象進(jìn)行了解凍實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，采用高壓電場(chǎng)解凍所需時(shí)間短、汁液流失率低，且解凍后羊胴體外觀新鮮、肉色澤差異顯著、并能抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。臧芳波等[12]對(duì)高壓靜電解凍柜應(yīng)用于肉類及肉制品時(shí)對(duì)持水性、肌肉結(jié)構(gòu)、顏色等方面的影響進(jìn)行了歸納，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。馬堅(jiān)研究了高壓靜電場(chǎng)對(duì)牛里脊肉凍結(jié)和解決的保鮮[13]。 目前國(guó)內(nèi)在高壓靜電場(chǎng)解凍方面的研究相對(duì)較少。而高壓靜電解凍柜作為一種解凍設(shè)備，由于結(jié)構(gòu)原因，采用高壓靜電解凍柜解凍時(shí)受氣流分部影響，其內(nèi)部溫度可能會(huì)分布不均，局部溫度甚至高于程序設(shè)定值[14]。這將影響物料解凍后的品質(zhì)。但目前還未見(jiàn)有人進(jìn)行氣流分布優(yōu)化方面的研究工作。

本研究采用Computational Fluid Dynamics (CFD)模擬軟件，通過(guò)建立高壓靜電解凍柜物風(fēng)機(jī)熱對(duì)流穩(wěn)態(tài)湍流數(shù)學(xué)模型，對(duì)強(qiáng)制送風(fēng)情況下解凍柜內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布進(jìn)行研究。該研究有助于了解高壓靜電棋柜內(nèi)空氣流動(dòng)和溫度分布特點(diǎn)，給出物料的最優(yōu)放置區(qū)域、提出優(yōu)化措施，進(jìn)而提高物料解凍品質(zhì)，為今后高壓靜電柜設(shè)計(jì)和物料放置提供一些參考意見(jiàn)。

1 計(jì)算流體力學(xué)及計(jì)算步驟

解凍柜內(nèi)合理的氣體流場(chǎng)可使柜內(nèi)冷量分配均勻，從而達(dá)到提高產(chǎn)品品質(zhì)、降低能耗的目的[15]。采用CFD軟件可對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的氣流變化進(jìn)行模擬，更好地對(duì)解凍柜內(nèi)流體的流動(dòng)變化進(jìn)行分析。所用CFD的研究步驟如圖1所示[16]。

圖1 計(jì)算流體力學(xué)的基本步驟

2 高壓靜電解凍柜數(shù)值模擬

本研究設(shè)計(jì)的高壓靜電解凍柜實(shí)物如圖2所示。其內(nèi)部尺寸為：1 100 mm×600 mm×1 490 mm(長(zhǎng)×寬×高)。解凍柜體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用不銹鋼板，隔熱層采用聚氨酯發(fā)泡，厚度為75 mm，雙層密封玻璃門(mén)。該解凍柜所用制冷系統(tǒng)為風(fēng)冷渦旋式；冷風(fēng)機(jī)為SCL 100D型離心式，吊頂置于解凍柜內(nèi)頂部，風(fēng)機(jī)留有3個(gè)送風(fēng)口，送風(fēng)口尺寸為172 mm×150 mm×50 mm，各送風(fēng)口間距為46 mm，風(fēng)機(jī)后部設(shè)有回風(fēng)口，回風(fēng)口尺寸為608 mm×200 mm×50 mm，冷風(fēng)機(jī)前部距柜壁140 mm，后部距柜壁85 mm，側(cè)面距柜壁246 mm。

圖2 高壓靜電解凍柜實(shí)物圖

本研究忽略冷凍物料的影響，主要研究制冷模式冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度一定時(shí)，高壓靜電解凍柜內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布。因冷風(fēng)機(jī)尺寸對(duì)柜內(nèi)氣流組織影響較小，模擬計(jì)算中將解凍柜簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體，其幾何圖形見(jiàn)圖3。

圖3 解凍柜三維幾何模型

2.1 網(wǎng)格的劃分

為使計(jì)算時(shí)間不至于過(guò)長(zhǎng)，并保證計(jì)算精度，本研究采用ANSYS開(kāi)發(fā)的網(wǎng)格創(chuàng)建軟件ICEM對(duì)建立的高壓靜電解凍柜幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。將劃分好的網(wǎng)格模型輸出為.msh文件，使用Fluent將該文件載入，在Fluent中進(jìn)行網(wǎng)格檢查。

2.2 解凍柜數(shù)學(xué)模型的建立

本文主要對(duì)解凍柜空載時(shí)其內(nèi)部流體的流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)進(jìn)行研究。采用Fluent軟件對(duì)其模擬時(shí)，假定流體的流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)過(guò)程遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律三大定律。且流體流動(dòng)處于非穩(wěn)態(tài)湍流時(shí)，遵守湍流(也稱紊流)輸運(yùn)方程[17]。

對(duì)高壓靜電解凍柜內(nèi)流場(chǎng)的分布情況進(jìn)行研究時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算并保證模擬精度，特做了如下假設(shè)：

1)解凍柜內(nèi)的流場(chǎng)為不隨時(shí)間發(fā)生變化的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)。

2)解凍柜內(nèi)流體視為不可壓縮的牛頓氣體。

3)忽略冷風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的變化對(duì)柜內(nèi)流場(chǎng)的影響。

4)忽略解凍柜的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和外界的質(zhì)交換。

5)忽略解凍柜內(nèi)各設(shè)備零部件對(duì)流場(chǎng)的影響。

6)固體壁面上流體的流動(dòng)為無(wú)滑移流動(dòng)邊界條件。

所設(shè)計(jì)解凍柜送風(fēng)方式屬于有限空間強(qiáng)制對(duì)流冷卻，其Re約為106，為紊流。近壁面附近雷諾數(shù)較小、受分子黏性影響較大，采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。整個(gè)解凍柜內(nèi)的流場(chǎng)最終簡(jiǎn)化為三維、穩(wěn)態(tài)、不可壓縮、黏性的湍流流場(chǎng)，可選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε兩方程模型，并結(jié)合SIMPLE算法對(duì)解凍柜內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。簡(jiǎn)化后的方程如式(1)：

div(ρVφ)=div(Гgradφ)+S

(1)

式中：φ為通用變量，Г為廣義擴(kuò)散系數(shù)，S為廣義源項(xiàng)。各方程見(jiàn)表1：

表1 各控制方程變量、擴(kuò)散系數(shù)以及源項(xiàng)

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)C的值見(jiàn)表2：

表2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中的參數(shù)

2.3 邊界條件及求解器參數(shù)設(shè)置

研究中解凍柜圍護(hù)結(jié)構(gòu)按第三類邊界條件處理，且冷風(fēng)機(jī)無(wú)散熱損失，解凍柜外表面與外界無(wú)熱交換。表3為模型邊界條件設(shè)置參數(shù)，表4為初始條件設(shè)置參數(shù)。為提高求解精度，本研究采用SIMPLE算法計(jì)算時(shí)求解精度全部設(shè)定為10-3。

表3 邊界條件設(shè)置參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 選取代表性切面

圖4為是各代表性切面示意圖。為觀察和分析模擬結(jié)果，需要選取解凍柜內(nèi)長(zhǎng)度方向、寬度方向以及高度方向的代表性切面，來(lái)進(jìn)一步分析柜內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布規(guī)律。代表性切面分別選取長(zhǎng)度方向X=0.332 m、X=0.55 m、X=0.768 m切面，寬度方向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切面為穿過(guò)各個(gè)送風(fēng)口中心的切面，該切面能夠較好地反映出各個(gè)送風(fēng)口溫度、速度分布在高度方向上的變化規(guī)律；Y=0.215 m切面為穿過(guò)全部送風(fēng)口中心的切面，該切面能反映出整個(gè)冷風(fēng)機(jī)溫度、速度分布在豎直方向上的分布規(guī)律；Z=0.75 m切面則為了反映出解凍柜內(nèi)溫度、速度在水平方向上的變化規(guī)律。

表4 初始條件設(shè)置參數(shù)

圖4 解凍柜代表性切面示意圖

3.2 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

圖5為各送風(fēng)口截面等溫線圖。由圖5可看出，經(jīng)冷風(fēng)機(jī)處理后的空氣，通過(guò)送風(fēng)口以射流的形式送出，在其作用范圍內(nèi)，對(duì)流換熱強(qiáng)烈，溫度與送風(fēng)溫度幾乎持平。特別是解凍柜內(nèi)的中心區(qū)域，由于該區(qū)域在流動(dòng)方向上射流速度快，換熱效果劇烈，能夠起到良好的隔熱效果，溫度相對(duì)較低。在靠近柜底處溫度相對(duì)偏高，這是由于該區(qū)域受到回流影響，射流在此處衰減、空氣流速減小，集聚的熱量不易消散，因此形成了相對(duì)高溫區(qū)域。在柜內(nèi)四壁拐角處均出現(xiàn)了明顯的溫度梯度分布，呈現(xiàn)溫度相對(duì)較高的現(xiàn)象，這是由于在拐角處流速方向發(fā)生改變，在死角區(qū)域形成小渦流導(dǎo)致的。

圖5 各送風(fēng)口截面等溫線圖

從圖5中還可看出，X=0.55 m處的中間送風(fēng)口截面較之X=0.332 m、X=0.768 m柜內(nèi)中心區(qū)域出現(xiàn)較為明顯的溫度分層現(xiàn)象，這主要是由于中間送風(fēng)口射流會(huì)受到兩端送風(fēng)口射流的影響，致使在遠(yuǎn)離中間送風(fēng)口范圍內(nèi)的區(qū)域溫度相對(duì)偏低，但解凍柜內(nèi)大部分區(qū)域的溫度與送風(fēng)溫度偏差不大。因此，解凍時(shí)物料應(yīng)主要放置在解凍柜的中間和回風(fēng)口下端區(qū)域，以避免造成干耗增加，影響物料解凍質(zhì)量。

圖6為冷風(fēng)機(jī)截面Y=0.215 m等溫線圖。從圖6中可看到，該切面上溫度呈現(xiàn)出“中間小，兩邊大”的對(duì)稱性分布，靠近送風(fēng)口處溫度最低，在冷風(fēng)機(jī)射流作用范圍內(nèi)，溫度相對(duì)偏低。在兩側(cè)靠近柜壁處、底部中間區(qū)域及柜內(nèi)拐角處，由于回流作用空氣流速減小，空氣與周圍環(huán)境的熱交換，造成熱量在這些區(qū)域集聚，致使溫度相對(duì)偏高。

圖6 Y=0.215 m截面等溫線圖

圖7為冷風(fēng)機(jī)截面Z=0.75 m等溫線圖。由圖7可看到，柜內(nèi)氣流組織為下送側(cè)回的形式，冷風(fēng)機(jī)回風(fēng)口處溫度最低，在送回風(fēng)空氣流動(dòng)的路線上，溫度相對(duì)較低。這是由于從各送風(fēng)口射流的冷空氣，經(jīng)過(guò)回流作用將冷量循環(huán)往復(fù)的帶至回風(fēng)口處。不在冷空氣流動(dòng)路線和貼近柜壁的區(qū)域空氣流動(dòng)慢，熱量在這一區(qū)域集聚而不易被帶走，換熱效果差，從而該區(qū)域溫度相對(duì)較高。

圖7 Z=0.75 m截面等溫線圖

3.3 速度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

圖8為各送風(fēng)口截面速度分布圖。由圖8可看出，氣流由送風(fēng)口射出后，由于送風(fēng)口貼附柜頂，射流在柜內(nèi)上部只能卷吸很少的空氣，解凍柜內(nèi)下部空氣在回流作用下具有向上分速度，射流在此處衰減，空氣流速減小。在送風(fēng)和回風(fēng)兩個(gè)相反運(yùn)動(dòng)的作用下，在靠近解凍柜中部區(qū)域形成回流區(qū)，離回風(fēng)口越近速度越大。由于在壁面處分子的動(dòng)力黏性，在柜內(nèi)周圍近壁面區(qū)域速度也較小。

圖8 各送風(fēng)口截面速度分布圖

圖9為冷風(fēng)機(jī)截面Y=0.215 m速度分布圖。從圖9中可看到，解凍柜內(nèi)速度分布總體呈“中間大，兩側(cè)小”對(duì)稱性。空氣射流從冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)口以較高速度送出，沿重力方向豎直向下前進(jìn)、不斷卷吸周圍空氣，速度沿程逐漸衰減，紊流強(qiáng)度逐漸增大，直至充分發(fā)展。當(dāng)射流達(dá)到解凍柜中心區(qū)域后，由于受到回流以及本身重力作用，接近柜底時(shí)向冷風(fēng)機(jī)回風(fēng)口方向運(yùn)動(dòng)。在解凍柜四壁拐角處由于速度方向發(fā)生改變，存在小渦流，該區(qū)域速度較小，不利于散熱，導(dǎo)致溫度等溫線圖上該區(qū)域溫度相對(duì)較高。

圖9 Y=0.215 m截面速度分布圖

圖10為冷風(fēng)機(jī)截面Z=0.75 m處橫向剖面速度分布圖。從圖10中可看到，冷風(fēng)機(jī)回風(fēng)口附近氣流速度最大，中間區(qū)域的速度場(chǎng)分布較均勻。

圖10 Z=0.75 m截面速度分布圖

另外，在冷風(fēng)機(jī)三個(gè)送風(fēng)口作用范圍內(nèi)，解凍柜內(nèi)中心區(qū)域能源源不斷地獲得速度動(dòng)能，有利于流體在柜內(nèi)充分換熱。

4 結(jié)論

本文主要通過(guò)建立高壓靜電解凍柜的物理及數(shù)學(xué)模型，對(duì)空載狀況下其柜內(nèi)內(nèi)部溫度和速度的分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。得出如下結(jié)論：

1)速度分布上，在解凍柜中部區(qū)域存在回流區(qū)，受其影響，這部分區(qū)域空氣運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較??；同時(shí)，解凍柜內(nèi)下方區(qū)域由于受到回流和重力作用，該區(qū)域也處于低速區(qū)；柜內(nèi)流速較高的區(qū)域位于送風(fēng)口和回風(fēng)口作用范圍內(nèi)。解凍柜內(nèi)速度分布整體呈現(xiàn)出“中間小，兩邊大”的對(duì)稱特點(diǎn)。

2)溫度分布上，該解凍柜內(nèi)的區(qū)域溫度的高低與該區(qū)域速度的大小密切相關(guān)。總體上解凍柜內(nèi)的溫度分布較為均勻，局部高溫區(qū)位于冷風(fēng)機(jī)下方的近柜底區(qū)域以及四壁拐角處。

綜上所述，建議做以下優(yōu)化改進(jìn)：增加送風(fēng)口橫向尺寸，使送風(fēng)射流作用范圍能擴(kuò)大至兩側(cè)壁面，使其在靠近壁面處產(chǎn)生顯著的貼附射流，以增加靠近壁面的空氣流速和氣流射程、從而使氣流分布更加均勻，有效提高解凍物料品質(zhì)。