王少鹏，张益诚，罗君，王俊新，陈良，侯予
(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064；
2.西安交通大学制冷与低温工程系，西安 710049；
3.武汉市计量测试检定(研究)所，武汉 430050)
船艏冷库的容积是影响船舶的自持力的重要因素，出航物资的需求矛盾日益突出。由于船舶冷库设计的特殊性，通过增加冷库数量的方式以增加食物储藏量的做法受限于船舶条件，只能采取提高容积率，优化货物存放形式来缓解这种矛盾。船舶冷库设计中，需要考虑到舱室自身高度及围护结构的限制，其内部的气流组织与陆地冷库内部的气流组织存在诸多差异。陆地冷库内部的高度一般为5～6 m，船舶冷库内部的高度一般为2.2～3.0 m。高度尺度的不同，会导致在相同的送风条件下，两者达到稳态流场时其内部的温度场、气流场存在较大差异。冷库内的蔬菜、肉类表面区域风速对其储藏品质的有着较大影响，其表面区域风速越高，干耗程度也随之增高，但蔬菜、肉类表面区域的风速过低则会导致蔬菜、肉类降温时间增长，不利于其保鲜和贮存。一般来说，冷库内货垛间的空气流速保持在0.3～0.8 m/s之间较为适宜。结合此前学者的相关研究，针对高密度冷库用空气制冷系统，建立系统非稳态降温模型。模型送风管路、冷库热负荷、回风管路，对于冷库夏季降温-维持工况，配合回热器非稳态传热模型，完成制冷系统动态性能仿真，计算高密度冷库内的温度场可以达到的精度水平以及冷库内的降温过程。
在分析流动问题时，控制体需要同时满足质量、动量和能量3大守恒定律。同时，考虑到冷库内流场流体已处于湍流状态，流动存在不稳定性，且忽略冷库内流体黏性对流体流动的影响。采用Fluent中广泛应用的湍流模型标准-两方程模型，该模型能在较大的范围内保持足够的计算精度。
此外，由于壁面处存在黏性底层，流动速度速度低，湍流发展不充分，流动状态接近层流，从壁面到主流区的过渡区域，流动状态复杂多变，在仿真计算过程中采用将壁面函数法作为壁面粘性底层换热的计算方法，直接将湍流核心区和壁面之间的物理量建立对应关系，对于主流区采用湍流模型直接计算，忽略壁面的流动情况。
冷库的几何模型见图1。回风口尺寸为10 m×0.2 m(×)，孔板送风的静压箱总尺寸为7 m×10 m×0.2 m(××)。其中，静压箱按照对称关系，分为10个分区。
图1 高密度冷库几何模型示意
冷库的公称容积为210 m，属于小型冷库，容积利用系数为0.52，冷库储存冻肉(-18 ℃，即255.15 K)，密度取400 kg/m，所以冷库计算容量为43.68 t。工况为基础容积率，进货量100%。货物尺寸为1.3 m×1.2 m×2.5 m(××)，间距0.1 m，货物高度为2.5 m，货物数量为28块，堆垛布置方式见图2。
图2 高密度冷库内货物堆垛方式示意
根据美国国家标准与技术研究院(NIST)相关标准信息查询相应的空气物性，包括摩尔质量、临界温度、临界压力、密度、导热系数和黏性系数等参数。保温材料采用硬质聚氨酯泡沫，密度为40 kg/m；
定压比热容为1 260 J/(kg·K)，热导系数为0.22 W/(m·K)，冷藏货物主要为冻肉，密度400 kg/m，定压比热容2 000 J/(kg·K)，热导系数为2.0 W/(m·K)。
整体建模采用非结构化网格划分，经网格无关性计算后，选定网格数量为379.7万。
进口边界条件采用速度边界条件：进风口风速为1.0 m/s，静压为30 Pa，温度：编写UDF，采用混风模型对进口温度进行定义。
出口边界条件采用压力出口条件：出风口压力为0。
冷库壁面边界条件采用第三类边界条件，壁面外表面的对流换热系数为10 W/(m·K)，厚度为200 mm。
冷库运行时的环境温度在夏季设计工况时为35 ℃(308.15 K)，相对湿度为60%。
定义初始条件：冷库内的空气温度为-18 ℃(255.15 K)，货物初始温度-17 ℃(256.15 K)。
夏季工况，环境温度为35 ℃(308.15 K)，相对湿度为60%。
空气制冷机在冷库初始降温及维持工况运行时，其性能参数分别见表1。
表1 空气制冷机初始降温及维持工况的性能参数
4.1 冷库降温-维持工况温度随时间的变化
冷库内向各截面(=0.2 m，=0.8 m，=1.6 m，=2.4m)的空气及温变化见图3。
图3 高密度冷库内空气平均温度的变化
由图3可见，冷库内空气平均温度在13 min左右时可降低到目标温度-18 ℃(255.15 K)；
大约在15 min，货物温度达到-18 ℃(255.15 K)。冷库内全部截面温度达到-18 ℃(255.15 K)，并维持在-18 ℃(255.15 K)。在维持工况，冷库内全部截面的温度波动较小，且不随时间变化，温度场的控制精度较高。
4.2 冷库在降温工况时不同截面整体温度场
、、方向各个截面及货物在降温工况的温度场分布(冷库达到降温目标的时间点)见图4。其中，方向截面为：=-3.45 m、=3.45 m；
方向截面为=-4.95 m、=4.95 m；
方向截面为=0.05 m。
图4 x、y、z方向各截面及货物的温度场
冷库降温过程中，库内大部分区域的温度逐渐接近目标温度-18 ℃(255.15 K)，并且随着持续供冷，冷库内的温度场也趋于分布均匀。
4.3 降温工况时货物不同截面的温度场
方向(=0.2 m，=0.8 m，=1.6 m，=2.4 m)货物各截面在降温工况时的温度场分布(冷库达到降温目标的时间点)见图5。
图5 z方向货物各截面的温度场
结合图4、图5可见，在冷库的降温过程中，冷库内方向截面区域的温度逐渐接近目标温度-18 ℃(255.15 K)，并且随着持续的供冷，方向截面的温度场也趋于分布均匀。此时，货物的温度基本接近目标温度-18 ℃(255.15 K)。
4.4 冷库不同截面在降温工况的均匀性
、、方向各个截面在降温工况的温度情况(冷库达到降温目标的时间点)见图6。
图6 降温工况各截面温度
其中，方向截面分别为
=-3.45 m，=-1.75 m，=0 m，
=1.75 m，=3.45 m；
方向截面分别为
=-4.95 m，=-2.5 m，=0 m，
=2.5 m，=4.95 m；
方向截面分别为
=0.05 m，=0.6 m，=1.3 m，
=1.9 m，=2.6 m；
=0.2 m，=0.7 m，=1.3 m，
=2.0 m，=2.5 m。
由图6可以看出，在降温工况，目标温度刚达到时刻，冷库内部分截面的温度能够维持在目标温度-18 ℃(255.15 K)，有部分截面处的温度低于-19 ℃(254.15 K)，同时也有部分截面处的温度高于-17 ℃(256.15 K)。这说明在降温工况时，冷库内的温度均匀性较差。
4.5 冷库在维持工况时不同截面整体温度场
、、方向各个截面及货物在维持工况的温度场见图7。其中，方向截面：=-3.45 m、=3.45 m；
方向截面：=-4.95 m、=4.95 m；
方向截面：=0.05 m。
图7 x、y、z方向各截面及货物的温度场
在冷库的维持工况过程中，冷库内方向各个截面区域的温度分布相对比较均匀，且非常接近目标温度-18 ℃(255.15 K)。
4.6 维持工况时货物不同截面的温度场
方向(=0.2 m，=0.8 m，=1.6 m，=2.4 m)货物各截面在维持工况时的温度场见图8。
图8 z方向货物各截面的温度场
在冷库的维持运行过程中，冷库内向各个截面区域的温度分布相对比较均匀，大部分区域温度已达到目标温度-18 ℃(255.15 K)。其中，最高温度为-17.1 ℃(256.05 K)，在靠近墙面的交界处；
最低温度为-19 ℃(254.15 K)，位置靠近送风板。可见，最大温度波动值为-1.0 ℃，满足高精度冷库温度波动小于±1℃的要求。
4.7 冷库不同截面在维持工况的均匀性
、、方向各截面在维持工况的温度见图9。
图9 维持工况各截面温度柱状图
其中，方向截面分别为
=-3.45 m，=-1.75 m，=0 m，
=1.75 m，=3.45 m；
方向截面分别为
=-4.95 m，=-2.5 m，=0 m，
=2.5 m，=4.95 m；
方向截面分别为
=0.05 m，=0.6 m，=1.3 m，
=1.9 m，=2.6 m；
=0.2 m，=0.7 m，=1.3 m，
=2.0 m，=2.5 m。
由图9可见，在维持工况，冷库内全部截面的温度能够维持在目标温度-18 ℃，在堆垛区域空间内温度甚至在±0.5 ℃内波动。
采用空气制冷的高密度冷库在夏季降温-维持工况的结果为：①夏季降温工况，13 min时，冷库的空气温度降低到-18 ℃,15 min时，冷库内全部截面的温度达到了-18 ℃；
货物温度也达到了-18 ℃；
②夏季维持工况，冷库内全部截面的温度和货物温度能够维持在目标温度-18 ℃，温度波动较小，在±0.5 ℃波动，且不随时间变化，有很好的维持工况控制温度精度和温度均匀性。
1)高密度冷库的空气制冷系统通过孔板送风的形式，可在货物密度达到0.52的高密度冷库内营造较好的温度场，该温度场的降温速率可以保持在较高的水平，可极大缩减冷库的降温时间，满足船用冷库对降温工况的时间要求，且温度场的控制精度较高(≤±1 ℃)，同时温度均匀性也保持在较高的水平(≤±1 ℃)。
2)在降温工况达到目标温度时，库内的温度场均匀性稍差，冷库内部分截面的温度超过目标温度及高精度冷库建议的波动值(±1 ℃)，此时冷库正处于空气制冷机组由降温工况运行向维持工况运行动态切换的过程，该过程仅需约2 min，说明空气制冷机组的调节性能对于快速营造冷库内稳态温度场具有优势。