某卧式陈列柜风幕的热负荷分析

1 引言
　　
　　陈列冷柜已经在各类超市中已得到认可和普及，内外侧的隔热一般采用风幕。但是风幕对周围空气有较强的卷吸作用；另一方面，冬季陈列框风幕的冷泄漏又形成超市空调系统的一个重要冷负荷。因此，研究陈列柜风幕系统形成的影响因素是设计节能、性能优良的陈列柜的关键，也是设计超市空调系统的依据。
　　国内外对风幕的研究主要集中于温度场和速度场，如David Stribling仿真了简化的冷柜，将他的误差主要归结于对湿度场的研究^[1]。
　　南加州Edison制冷实验室（SCERTTC）定量测试的典型陈列柜的冷负荷分布情况，提出陈列柜73%的能耗来自风幕的耗
散^[2]。
　　本文采用CFD方法对立式陈列柜的风幕系统进行仿真，以期为陈列柜风幕系统设计提供设计思路。
　　
2 CFD模型和边界条件
　　
　　2．1 计算模型
　　立式陈列柜通常成排放置，其长度方向尺寸远大于高度和深度方向，故可简化为二维模型。卧式陈列柜的结构如图1所示。计算时忽略外部辐射和绝热层的传导换热。回风空气在流道内经过蒸发器，温度、湿度降低后，经过喷射口水平射出，形成卧式陈列柜的风幕。与立式陈列柜相比较，卧式陈列柜的出风速度较低，在浮升力的影响下，风幕有较大的变型。因此本文中紊流模型选用带浮升力项的雷诺应力模型（Reynolds Stress Model）。
　　湿度场的采用简化的组分平衡方程：
　　　　　　　　
　　m₁表示组分1的质量分数；J₁是扩散通量；R₁是反应生成率，本案例中为0。我们把水蒸气在陈列柜中生成小液滴的反应，简化为水蒸汽低于当地露点温度就产生小液滴，且在固体壁面不凝结。 　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 卧式陈列柜结构示意与实验点分布图

　　2．2 边界条件的处理
　　1）为使求解过程稳定，所有边界均采用速度为零，绝热的第一类边界条件，外部空间为大空间，温度为27℃，绝对湿度为10g/kg。
　　2）进风口按实验值设定速度、温度边界条件；回风口边界条件按进风口设定为-10Pa的压力边界条件。进风口的绝对湿度为0.2g/kg，温度为-30℃，送风速度0.6m/s。
　　3）壁面函数采用Spalding方法处理，该方法比较适合于Pr<1气体。
　　4）为了加快收敛速度，动量方程采用QUICK算法，压力方程采用标准SIMPLE算法。
　　
　　2．3 实验装置与误差分析
　　计算所用的陈列柜原型被放在一个独立的房间内进行测试，该房间温度波动小于1℃，湿度波动小于0.2k/kg。温度的测量采用T型热电偶，速度测量采用热球风速仪，湿度的测量采用电阻型高分子湿度传感器，并用TESTO-400型测量仪进行校准。实验过程中，数据采集使用KEITHLEY-2700数据采集仪，测试前将热电偶放在冰水混合物中进行校准。
　　实验值与计算值比较如图2、3、4所示。结果显示：说明本文建立的模型基本能反应其速度场与温度场的实际分布。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 测试点温度比较图
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 测试点绝对湿度比较图
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 测试点速度比较图
　　
　　分析实验值与计算值之间存在的误差，认为主要来源于以下4点：
　　（1）由于采用直接测量法，测量所采用的湿度传感器和热球风速仪对风幕有一定的干扰作用，因此存在一定误差。
　　（2）计算模型中仅考虑对流换热的影响，并对模型进行了简化。实际工况下，辐射传热和由风道外侧保温层进入的传导热对温度场也有一定影响。
　　（3）在数值计算中，湿度场并未完全耦合。尽管在风幕上方的湿度测量结果显示有一层湿空气饱和区，形成的小液滴必定会在重力的影响下对湿度场有一定的作用，但是在CFD计算的每个网格中，仅在扩散方程中处理湿空气，所以会产生一定的误差。
　　（4）另外，陈列柜外侧存在一定的乱流干扰。所以，实际情况下陈列柜风幕的隔热效果比CFD计算稍差。
　　
3 CFD分析
　　
　　3．1 流场分析
　　CFD计算的优点在于能比较方便地改变边界条件及其参数，分析各参数的影响并对其优化，减少实验试制的次数，以节约研制费用并缩短周期。从风幕的流场图（图5）可以看出风幕按其结构可分为三个不同的区域：
　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5 陈列柜流函数分布图
　　
　　第一个区是出口区，由于风口仅仅采用两片薄板作为气流喷射方向的引导。所以出风口的速度分布不理想，主要表现在：1.出风口的横截面没有均匀的速度梯度，导致风幕的脉动速度较强，不利于隔热和隔湿。如果采用塑料孔板整流，风幕的水平方向性会更强，脉动速度较弱，隔热隔湿的效果会更好。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6 陈列柜温度场分布图
　　
　　第二个区是区，在这一区域，风幕在浮升力的作用下有较大的变形，风幕的主流与方向与陈列柜底板板呈45度角。在这一区域，风幕的中心速度进一步降低，它的两侧面受到黏性力的作用，而逐渐耗散。同时在其下方形成一个涡流。当风幕的主流遇到陈列柜底板后，风幕的主流再次改变方向，顺着底板流动，并在其上方形成一个较长的涡流。该涡流的底部与温度较低的风幕接触，顶部与陈列柜上方的热湿空气接触，所以这个涡流循环是陈列柜热湿负荷的主要来源之一。
　　第三个区是回风区，在该区域，风幕在回风口的抽吸作用下重新汇合。但是其上方有一定的空气涡流，风幕的底部又受到陈列柜壁面的影响，气流的方向不一致，导致风幕的温湿度进一步升高（见图6）。