CN114528779B - 高架冷库气流组织cfd优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及大型空间环境模拟技术领域，具体涉及一种高架冷库气流组织CFD优化方法，建立纤维空气分布系统高架冷库的三维传热数值模型和货物区的多孔介质模型，计算高架冷库内的温度场、速度场，通过非稳态和稳态相结合的仿真计算方法，获得了采用纤维空气分布系统时高架冷库的最佳送风温度、纤维织物风管的最佳喷射渗透比，提升设计效率、减少货物的干耗，解决高架冷库气流组织设计和仿真问题。

Description

高架冷库气流组织CFD优化方法
技术领域
本发明涉及大型空间环境模拟技术领域，尤其涉及一种利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法对高架冷库的高大空间的气流组织进行数值模拟的优化方法。
背景技术
高架冷库是指货架高度大于7m且采用自动化机械化控制的货架仓库。由于高架冷库的货架高度高，可以实现在单位面积上的最大贮藏量。高架冷库的围护结构采用注塑式整体发泡技术，同时采用双面不锈钢现场焊接，形成全封闭外壳，与传统装配式冷库相比，减少了围护结构的传热量，更好地维持库内环境的稳定性。
冷库内的气流组织可以通过送风模式来改善和优化。纤维织物风管是一种由特殊聚酯纤维制成的具有优良柔韧性的管道，是集空气传输和分配于一体的末端装置，其送风速度低，以渗透喷射的形式对目标区域进行送风，可以很好地满足冷库贮藏货物的热环境。
高架冷库属于新型冷库建筑形式，与传统冷库及货物容量、运营方式、货物堆放等有较大不同，因此，高架冷库的设计不能简单套用中小型冷库，而且气流组织设计，直接关系到货物的质量和制冷效果，同时，我国高架冷库的气流组织设计尚处于摸索阶段，高架冷库的气流组织设计缺少合理的模拟方式。
发明内容
发明目的
本发明提出一种高架冷库气流组织CFD优化方法，其目的在于解决高架冷库的气流组织设计和仿真缺少合理的模拟方式的问题。
技术方案
一种高架冷库的CFD优化方法，其特征在于，按以下步骤执行：
S1：获取高架冷库结构数据，包括高架冷库的实际规模尺寸、货架及货物的实际摆放方式，根据数据计算高架冷库内的冷负荷，初步确定冷风机的型号，确定纤维织物风管的长度、布置高度、布置形式；
S2：运用ANSYS ICEM软件对高架冷库整体进行三维建模和网格划分，在设置边界条件后，仿真计算气流组织在高架冷库内的情况，获取温度场、速度场，并用经验公式进行模型的验证，提高仿真模拟的准确性；
S3：改变初步设定的送风温度，运用非稳态数值模拟的方法，根据仿真结果对非稳态下速度场、温度场进行对比分析，获取送风温度与库内温度场、速度场之间的变化关系，确定最佳的送风温度；
S4：改变初步设定的纤维织物风管的喷射渗透比，运用稳态数值模拟的方法，根据仿真结果对库内温度场、速度场进行对分析，获取纤维织物风管的喷射比与库内温度场、速度场之间的变化关系，对比分析库内温度场、速度场的均匀性以及气流组织的评价指标，确定最佳的纤维织物风管的喷射渗透比。
所述的步骤S2中：
建立高架冷库-货物-纤维织物风管之间的三维模型，根据边界条件的设定组建part，采用非结构化网格进行模型的网格划分，检查网格质量；导入到Fluent里进行数值计算；
湍流模型使用标准k-ε模型，材料设置中，货物设为多孔介质模型，根据货物区密度和实际货物的密度来确定孔隙率，通过不同的孔隙率来模拟库内货物的堆垛量；
边界条件：将纤维织物风管的入口作为速度入口，根据所研究的实际冷库在设计工况下的参数，取纤维织物风管的渗透风量、小孔喷射风量以及末端射流喷孔的风量之比为1：7：2，在管道侧面三点、六点、九点钟方向开设孔径20mm的喷孔，每根风管上有6排开孔，每两排在一个方向，每排开孔个数为2480个，计算纤维风管小孔喷射的送风速度时将小孔简化为等面积的条缝，小孔的喷射速度等效为条缝风口的速度。纤维织物风管的渗透风速为25mm/s，条缝风速为0.64m/s，尾部射流喷口风速为1.67m/s；送风温度为253K；出口选择outflow，运行Fluent软件计算并获得收敛结果后，分析此条件下库内温度场、速度场的情况；
利用射流轴心速度和轴心温度无因次衰减规律得出的经验公式，对比计算结果和数值模拟结果进行了模型的正确性验证，其中，速度衰减公式为公式(1)，温度衰减公式为公式(2)：
式中，vm为射流轴心速度，v0为送风温度，F0为风口面积，ΔT0为送风温差，Te为室内空气温度，x为射流中心线上任意点离风口的水平距离，ΔTm为射流轴心温度，ΔTc为送风管温度。
改变纤维织物风管的喷射渗透比，运用非稳态数值模拟，改变送风温度为252K、253K、254K对库内气流组织进行了降温20h的非稳态数值模拟，对比温度场、速度场。
所述步骤S4中，气流组织的评价指标为余热排除效率E，其具体计算方式为公式(3)：
式中，te为回风口温度，t0为送风温度，tn为货物区的平均温度。
不同的送风组织形式，即使产生相同的热湿环境，消耗的能源与存在差异，E越高，库内气流组织越均匀。
优点及效果：
本发明通过建立纤维空气分布系统高架冷库的三维传热数值模型和货物区的多孔介质模型，计算高架冷库内的温度场、速度场，通过非稳态和稳态相结合的仿真计算方法，获得了采用纤维空气分布系统时高架冷库的最佳送风温度、纤维织物风管的最佳喷射渗透比，提升设计效率、减少货物的干耗，解决高架冷库气流组织设计和仿真问题。
附图说明
图1是本发明的高架冷库气流组织CFD优化方法流程图；
图2是本发明冷风机加纤维织物风管示意图；
图3是本发明不同喷射渗透比下温度标准差曲线图；
图4是本发明不同喷射渗透比下速度标准差曲线图；
图5是本发明不同喷射渗透比下余热排除效率曲线图；
图6是本发明不同送风温度下降温曲线图。
具体实施方式
为了实现上述目标，本发明采用了如下的技术方案：
高架冷库的CFD优化方法，包括以下步骤：
第一，根据高架冷库的实际规模尺寸、货架及货物的实际摆放方式，计算高架冷库内的冷负荷，初步确定冷风机的型号，确定纤维织物风管的长度、布置高度、布置形式；
第二，运用ANSYS ICEM软件对高架冷库整体进行三维建模和网格划分，在设置边界条件后，仿真计算气流组织在高架冷库内的情况，获取温度场、速度场，并用经验公式进行模型的验证，保证仿真模拟的准确性；
第三，改变初步设定的送风温度，运用非稳态数值模拟的方法，根据仿真结果对非稳态下速度场、温度场进行对比分析，获取送风温度与库内温度场、速度场之间的变化关系，确定最佳的送风温度；
第四，改变初步设定的纤维织物风管的喷射渗透比，运用稳态数值模拟的方法，根据仿真结果对库内温度场、速度场进行对分析，获取纤维织物风管的喷射比与库内温度场、速度场之间的变化关系，对比分析库内温度场、速度场的均匀性以及气流组织的评价指标(余热排除效率E)，确定最佳的纤维织物风管的喷射渗透比。
其中，需要根据温度云图和速度云图对比分析的温度数据与速度数据；
其中，气流组织的评价指标为余热排除效率E，其具体计算方式为：
式中，te为回风口温度，t0为送风温度，tn为货物区的平均温度。
不同的送风组织形式，即使产生相同的热湿环境，消耗的能源与存在差异，E越高，库内气流组织越均匀。
其中，运用ANSYS ICEM软件对高架冷库进行三维建模和网格划分，再利用Fluent设置边界条件，仿真计算气流组织在高架冷库内的分布情况。首先，利用建立高架冷库-货物-纤维织物风管之间的三维模型，组建好part，采用非结构化进行模型的网格划分，检查网格质量；导入到Fluent里进行数值计算，使用湍流模型中标准k-ε模型，其是预测冷库流场最精确的数值模型，材料设置中，货物设为多孔介质模型，根据货物区密度和实际货物的密度来确定孔隙率，通过不同的孔隙率来模拟库内货物的堆垛量，边界条件：纤维织物风管得入口是速度入口，根据所研究的实际冷库在设计工况下的参数，取纤维织物风管的渗透风量、小孔喷射风量以及末端射流喷孔的风量之比为1：7：2，在管道侧面三点、六点、九点钟方向开设喷孔(孔径约20mm)，每根风管上有6排开孔，每两排在一个方向，每排开孔个数为2480个，计算纤维风管小孔喷射的送风速度时将小孔简化为等面积的条缝，小孔的喷射速度等效为条缝风口的速度。纤维织物风管的渗透风速为25mm/s，条缝风速为0.64m/s，尾部射流喷口风速为1.67m/s；送风温度为253K；出口选择outflow，运行Fluent软件并获得收敛结果后，分析此条件下库内温度场、速度场的情况；
利用射流轴心速度和轴心温度无因次衰减规律得出的经验公式，对比计算结果和数值模拟结果进行了模型的正确性验证，其中，速度衰减公式为公式(1)，温度衰减公式为公式(2)：
式中，vm为射流轴心速度，v0为送风温度，F0为风口面积，ΔT0为送风温差，Te为室内空气温度，x为射流中心线上任意点离风口的水平距离，ΔTm为射流轴心温度，ΔTc为送风管温度。
改变送风温度，送风温度设为252K、253K、254K；改变纤维织物风管的喷射渗透比，确定分析五种渗透率(0mm/s、25mm/s、30mm/s、60mm/s、120mm/s)，根据渗透和喷射送风量来确定纤维织物风管的喷射渗透比，如表1所示。运用非稳态数值模拟，改变送风温度为252K、253K、254K对库内气流组织进行了降温20h的非稳态数值模拟，对比温度场、速度场。
表1喷射渗透比的选定
本发明通过建立纤维空气分布系统高架冷库的三维传热数值模型和货物区的多孔介质模型，计算高架冷库内的温度场、速度场，通过非稳态和稳态相结合的仿真计算方法，获得了采用纤维空气分布系统时高架冷库的最佳送风温度、纤维织物风管的最佳喷射渗透比，解决高架冷库气流组织设计和仿真问题。。
以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明所述内容作进一步的解释说明。
所描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同的内容，不应理解为限制本发明的范围。
参见图1，图1显示了本发明的高架冷库气流组织CFD优化方法流程图，其中，本发明的高架冷库气流组织CFD优化方法，包括以下步骤：
根据高架冷库实际规模为81.4m×37.7m×20.5m，装箱后的的货物尺寸为1.2m×1.67m×1m。冷风机额定风量为40000m3/h，每两台冷风机组成一个单元，每个单元的送风口接入一根竖直风管，风管至库内顶部时接入水平的纤维织物风管，纤维织物风管长23m，直径为3.2m，高度为0.9m，风管表面的小孔孔径为20mm，末端射流喷口的孔径为200mm，纤维织物风管表面设有多排开孔，风管末端配备多个空气动力学JetFlow射流喷口，提供远距离送风，纤维织物风管依靠本身的孔隙送风。货物降温时间为20h。
高架冷库内货物及纤维织物风管的简化模型如图2所示。其中，将与冷风机连接的纤维织物风管沿高架冷库的长度方向依次编号。
高架冷库模型建立与网格划分。采用非结构化网格进行模型的网格划分，并检查网格质量；导入到Fluent里进行数值计算，设置边界条件，仿真气流组织在高架冷库内的情况，并用经验公式进行模型的验证。求解中，使用湍流模型中标准k-ε模型，材料设置中，货物设为多孔介质模型，根据货物区密度和实际货物的密度来确定孔隙率，通过不同的孔隙率来模拟库内货物的堆垛量，边界条件：纤维织物风管的入口是速度入口，根据所研究的实际冷库在设计工况下的参数，取纤维织物风管的渗透风量、小孔喷射风量以及末端射流喷孔的风量之比为1：7：2，在管道侧面三点、六点、九点钟方向开设喷孔(孔径约20mm)，每根风管上有6排开孔，每两排在一个方向，每排开孔个数为2480个，计算纤维风管小孔喷射的送风速度时将小孔简化为等面积的条缝，小孔的喷射速度等效为条缝风口的速度。纤维织物风管的渗透风速为25mm/s，条缝风速为0.64m/s，尾部射流喷口风速为1.67m/s；送风温度为253K；出口选择outflow，运行软件并获得收敛结果后，分析此条件下库内温度场、速度场的情况，运用稳态数值模拟，分析五种渗透率(0mm/s、25mm/s、30mm/s、60mm/s、120mm/s)下的送风情况，其中，根据渗透和喷射送风量来确定纤维织物风管的喷射渗透比，如表1所示，根据表1改变纤维织物风管的喷射渗透比。
表1喷射渗透比的选定
运用非稳态数值模拟，改变送风温度为252K、253K、254K对库内气流组织进行了降温20h的非稳态数值模拟，对比温度场、速度场。
通过计算，结果如图3-图6所示，由温度标准差的分析结果可知，高架冷库的纤维织物风管的孔隙率不应该过大，渗透风量的占比不应该过高。当喷射渗透比为9：1时库内温度场分布均匀，能量利用率高。设计要求货物在降温20h小时，温度降到255K，合适送风温度为253K或254K，满足高架库内的送风温度与设计温度相差2℃的要求。
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (3)

1.一种高架冷库气流组织CFD优化方法，其特征在于，按以下步骤执行：
S1：获取高架冷库结构数据，包括高架冷库的实际规模尺寸、货架及货物的实际摆放方式，根据数据计算高架冷库内的冷负荷，初步确定冷风机的型号，确定纤维织物风管的长度、布置高度、布置形式；
S2：运用ANSYS ICEM软件对高架冷库整体进行三维建模和网格划分，在设置边界条件后，仿真计算气流组织在高架冷库内的情况，获取温度场、速度场，并用经验公式进行模型的验证，提高仿真模拟的准确性；
S3：改变初步设定的送风温度，运用非稳态数值模拟的方法，根据仿真结果对非稳态下速度场、温度场进行对比分析，获取送风温度与库内温度场、速度场之间的变化关系，确定最佳的送风温度；
S4：改变初步设定的纤维织物风管的喷射渗透比，运用稳态数值模拟的方法，根据仿真结果对库内温度场、速度场进行对分析，获取纤维织物风管的喷射比与库内温度场、速度场之间的变化关系，对比分析库内温度场、速度场的均匀性以及气流组织的评价指标，确定最佳的纤维织物风管的喷射渗透比；
所述的步骤S2中：
建立高架冷库-货物-纤维织物风管之间的三维模型，根据边界条件的设定组建part，采用非结构化网格进行模型的网格划分，检查网格质量；导入到Fluent里进行数值计算；
湍流模型使用标准k-ε模型，材料设置中，货物设为多孔介质模型，根据货物区密度和实际货物的密度来确定孔隙率，通过不同的孔隙率来模拟库内货物的堆垛量；
边界条件：将纤维织物风管的入口作为速度入口，根据所研究的实际冷库在设计工况下的参数，取纤维织物风管的渗透风量、小孔喷射风量以及末端射流喷孔的风量之比为1：7：2，在管道侧面三点、六点、九点钟方向开设孔径20mm的喷孔，每根风管上有6排开孔，每两排在一个方向，每排开孔个数为2480个，计算纤维风管小孔喷射的送风速度时将小孔简化为等面积的条缝，小孔的喷射速度等效为条缝风口的速度；纤维织物风管的渗透风速为25mm/s，条缝风速为0.64m/s，尾部射流喷口风速为1.67m/s；送风温度为253K；出口选择outflow，运行Fluent软件计算并获得收敛结果后，分析此条件下库内温度场、速度场的情况；
利用射流轴心速度和轴心温度无因次衰减规律得出的经验公式，对比计算结果和数值模拟结果进行了模型的正确性验证，其中，速度衰减公式为公式(1)，温度衰减公式为公式(2)：
式中，vm为射流轴心速度，v0为送风温度，F0为风口面积，ΔT0为送风温差，Te为室内空气温度，x为射流中心线上任意点离风口的水平距离，ΔTm为射流轴心温度，ΔTc为送风管温度。
2.根据权利要求1所述的高架冷库气流组织CFD优化方法，其特征在于：改变纤维织物风管的喷射渗透比，运用非稳态数值模拟，改变送风温度为252K、253K、254K对库内气流组织进行了降温20h的非稳态数值模拟，对比温度场、速度场。
3.根据权利要求1所述的高架冷库气流组织CFD优化方法，其特征在于：所述步骤S4中，气流组织的评价指标为余热排除效率E，其具体计算方式为公式(3)：
式中，te为回风口温度，t0为送风温度，tn为货物区的平均温度；
不同的送风组织形式，即使产生相同的热湿环境，消耗的能源与存在差异，E越高，库内气流组织越均匀。
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