DOC《数学信息简报》

1 数学模型 1・1 基本假设 由于陈列柜长度方向远大于其他方向的尺寸,所以简化为二维模型.假设流动为稳态紊流,在风幕稳定流动时各处的时均量均保持恒定,忽略粘性耗散和热辐射.采用Boussinesq假设,除密度外其他物性参数为常数,考虑浮升力的影响,密度变化只考虑动量方程中与体积力有关的项.对于外边界采用足够大的计算区域,使得外边界对于柜内和射流的流动和换热基本没有影响. 1・2 边界条件 风幕出风口速度和温度给定,回风口取为出流边界条件,采取局部单向化处理.柜体壁面取为绝热无滑移边界.扩大区域边界取为外界空气温度,压力取为环境大气压,近似认为周围空气静止,速度取为0. 1・3 数值方法 数值计算采用有限容积法,对流项离散格式采用二阶迎风差分,采用压力与速度耦合的SIMPLE算法.计算中采用结构化网格,将计算区域分为5个区域,对风幕射流区域加密网格,网格总数为19 763.

2 实验测试 为了验证计算模型的正确性,作者对一台立式单层风幕冷藏陈列柜进行了实验研究.所研究的立式冷藏陈列柜尺寸(长*宽*高)为2・4 m*1・1 m*2・2 m,共有5层搁架,开口区纵向长度约为1・7 m.制冷系统采用分体式冷凝机组.整个实验过程在标准恒温恒湿间内进行,室内的温度、湿度和空气流动速度均可调.温度调节由一套独立的制冷系统和电加热系统来实现,湿度调节由加湿除湿装置实现,室内空气流速由若干变频风机来调节. 保持室内环境温度为27℃,相对湿度为70%.测试参数包括风幕送风速度和温度、各层搁架和底板上特征点的温度.机组开机运行2 h达到稳定状态后,开始记录数据,温度值由T型热电偶测得,风速采用热线风速仪测量,将各点实验信号统一送入混合记录仪进行处理和显示,每10 s记录一次,选取稳定运行1 h的数据计算平均值作为最终的实验结果.

3 结果与讨论 3・1 模型验证 通过对风幕送风速度的测量,得出沿出风口宽度方向速度大致呈均匀分布的结果,在计算中将其作为已知边界条件给定.计算值与实测值趋势相符,数值较为接近,说明所建立的计算模型能够基本反映温度场的分布. 3・2 不同速度分布的影响 在实际应用中,陈列柜风幕出口常采用蜂巢结构的整流装置抑制过大的紊流度,使出口的流动状态尽可能地处于过渡区或层流区.如果同时采用不同的截面尺寸,还可以起到调节出口速度分布的作用.本文研究4种速度分布,揭示不同速度分布时冷风幕的卷吸特性.第1种为均匀分布;

第2种和第3种均为线性分布,前者邻近柜内侧速度较大,后者反之;

第4种为抛物型分布.对于以上4种情形,假定空气流量不变,则出风口截面上的平均流速相等.本文在计算中将冷风幕初始平均速度取为0・9 m/s;

对于线性分布,最大速度取为最小速度的2倍,而抛物型分布则满足泊肃叶分布. 3・2・1 空气体积卷吸率 风幕射流自出风口附近开始就与周围的外部和柜内空气掺混,形成内外2个混合区,直至2个混合区汇合.在汇合点之上为射流初始段,在汇合点以下为射流的充分发展段.当射流到达回风口时分为三部分:中间主体部分进入回风口以形成循环风量;

风幕内侧有一部分空气流回柜内,以补充被卷吸的空气流量;

风幕外侧也有部分空气溢出,补充被风幕卷吸的空气流量.要得出空气卷吸率,需计算出溢出量,因为二者是相等的.从回风口向上引一线段,直至横向速度等于0之处,沿这条直线对横向速度积分即可得到总溢出量,也就可以得到风幕对环境空气的体积卷吸率.对于柜内卷吸率的计算方法与此大致相同,只是要将各层搁板以上空间的卷吸率相加,得出内部总卷吸率. 不同速度分布包括均匀分布(以下简称UU),内侧较大的线性分布(以下简称LUA),外侧较大的线性分布(以下简称LUB)和抛物型分布(以下简称PU).图中所连实线并不具有任何意义,仅仅是为了便于比较.对于柜内空气的卷吸作用则是LUA最强,比UU、LUB和PU分别高23・0%、20・7%和9・4%.对柜内空气的卷吸率高,则冷风幕与柜内空气的热质交换更强烈,因此柜内温度就越均匀. 3・2・2 温度分布 第