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1、陈列柜冷风幕的数值分析与研究摘要介绍了陈列柜的分类及敞开式陈列柜冷风幕的发展现状；敞开式食品陈列柜 的冷风幕流动及换热机理和数值计算方面的研究状况。通过对陈列柜研究的介绍 和分析，指出了陈列柜研究中的一些问题，并对敞开式陈列柜冷风幕的研究工作 进行了展望。关键词陈列柜/冷风幕/发展现状/研究状况ABSTRACTThe paper introduces the classes of display cabinet and the investigation of the cold air curtain in an open display cabinet ； the investigation
2、 concerning the mechanism and numerical calculation of flow and heat transfer of the cold air curtain in an open display cabinet is introduced. By introducing the study and analysis of the showcaset showcase research pointed out some problems, and predicts the research directions of cold air curtain
3、 of open display cabinet.KEYWORDS display cabinet, cold air curtain, development status, investigation status0引言陈列柜是食品冷藏链中的最后一个环节，它直接和消费者（顾客）打交道。 根据柜门的结构不同，陈列柜可分为封闭式和敞开式两种。封闭式陈列柜的四周 全封闭，柜门由玻璃制成，将柜内食品与外界隔开；敞开式陈列柜的取货部分敞 开，顾客可自由地选取食品，由风幕将食品与外界隔开。敞开式陈列柜不仅能冷 藏各种食品，而且有其良好的展示效果以及方便顾客购物的特点，因而在大中型 超市和零售商场的应用
4、越来越广泛。研究表明，柜内50%70%的冷量通过该 冷空气幕而损失掉，引起能耗增高。因此，降低敞开式食品陈列柜的能耗和 维持柜内温度的稳定是众多学者关注的研究焦点2旬，其核心是对陈列柜冷风 幕的流动及换热的研究。1冷风幕发展现状1.1国外发展现状研究风幕的先驱是美国学者Hayes等牛人。研究表明，风幕的流动与换热 受许多因素的影响。如射流速度、射流温度、射流初始紊流度、风幕宽度、敞曰 高度与宽度、风幕两侧的压力与温度差等。其中，主要影响因素为射流速度。 Hayes等人还建立了偏离数（Dm）公式来表示风幕封闭敞口的能力。如最小Dm值 不能保证，风幕将会断开，即封不住敞口，促使风幕两侧的热湿交换加
5、大。如大 于Dm值，将会加剧风幕两侧的卷吸作用，加快热湿交换的速率。影响风幕性能 的关键因素是风幕的送风速度与送风温度。需要指出的是，Hayes等研究的是单 个喷嘴常温风幕，研究发现它不适用于目前具有连续出风口的冷风幕。冷风幕的流动属于大空间内的低温卷吸射流（射流出口处的雷诺数在2200左 右），目前单独研究其流动机理的较少，多数文献是针对热射流、垂直射流、等 温射流的研究进行报道。对敞开式陈列所涉及的冷射流，Wesozowski等进行了 可视化试验。结果表明，冷风从出风曰射出后很快变成紊流，并形成羽状的流动 分布，加剧了冷射流对外界热空气的卷吸作用，使换热强化能耗增加。同时还提 出一种新的送
6、风隔栅设计方案以降低射流出口的紊流度，强化风幕隔热功能。Stribling等认为，冷风幕的外溢是引起顾客不适的主要原因，而通过风幕 的热湿交换是影响陈列柜性能的关键因素，他们提出通过CFD模拟进行优化陈 列柜风幕设计，并通过试验验证模型的精确性。其研究工作的重心在于计算模型 的建立及其精确性的考察，为陈列柜的优化设计提供理论依据，但试验数据采集 的偏少，对于试验值与计算值之间的误差分析还不够全面、充分、深入。Stribling 等还对立式开式陈列柜风幕流型进行了研究。结果表明，背送风的水平方向空 气流对风幕的垂直方向空气流有很大影响，重力与表面黏性力，建议取的联合作 用使风幕的流动向柜内侧偏转
7、消背送风以减少其对风幕流动的干扰。然而，得出 的多是定性的结论，缺乏定量的依据，其试验研究有待进一步深入。Cortell等的采用基于流函数公式和LES模型相结合的有限元法分析了立式 开式陈列柜的温度与速度分布，并通过试验验证该模型的精确性。定量分析了风 幕的作用，提出了风幕效率的概念（风幕效率=货物散热量/陈列柜总制冷量），通 过计算模拟发现，风幕效率与内风幕速度关系更为密切，比较低的内风幕速度能 够强制使空气流过货物，减少暖空气卷入，提高风幕效率。例如，当外风幕送时 内风幕送风速度0.30m/时内风幕送风速度1 .OOm/s的风幕效率为0.14,而内风幕 送风速度0.65m/s的风幕效率为0
8、.16提高了 0.02。为减小蒸发器结霜对风幕送风 速度的影响，采用的内、外风幕送风温度分别为1.1C与6.0C的中温风幕以及每 20min融霜一次的融霜控制，但这种融霜方法耗能大且不适合实际应用。Monica11*1运用CFD模型参数化对垂直敞开式陈列柜风幕的宽度、高度和送 风速度对风幕效率和稳定性的影响进行了研究。结果表明，风幕越短，厚度越大, 则效率越高；为形成一高宽比为5的稳定风幕，高度为300mm的风幕至少需要 0.6m/s的送风速度，高度为800mm的风幕则需要 以上2m/s的送风速度。此外, 还应考虑风速分布、送风角度、回风口的设计以及入口射流的紊流影响等，以后 的计算还应考虑食
9、品表面温度的影响。1.2国内发展现状近年来，国内己成功地将数值计算与实验研究结合起来，为陈列柜的优化设 计提供了可靠的依据。刘东毓等以敞开式陈列柜为研究对象，模拟陈列柜内 的二位稳态气流流动状况，在考虑了自然对流对空气流场影响的基础上，利用 SIMPLE算法对陈列柜内的混合对流进行了数值计算，揭示了陈列柜内混合对流 的流型和传热机理，并进一步研究了出口风速、载货高度对陈列柜内空气流型的 影响，得出了陈列柜的冷风幕对陈列柜的性能有很大影响的结论，但并未对冷风 幕的流型作更深入的研究。晏刚等以卧式开式陈列柜为研究对象，研究冷风 幕的射流速度对冷柜耗能的影响，认为卧式陈列柜射流出口速度太大会增加冷量
10、 损失，太小会导致环境中的空气侵入与柜内空气混合，同样增加冷量损失。穆景 阳等四采用有限元法，建立了卧式陈列柜风幕系统的CFD模型，并进行了数值 计算与试验验证。曹晓林等以利用TiC14烟雾使柜内空气流动可视化对敞开式食 品陈列柜风幕进行了可视化研究，分析了冷风幕与周围空气的换热机理，也是一 种比较直观的研究。孟祥兆等I建立了立式多搁架陈列柜风幕及柜内空气流动 和换热的二维数学模型，运用SIMPLER算法进行了数值计算，并试验验证了模 型的正确性。管天等削试验研究了立式开式陈列柜风幕送风速度对其温度分布 的影响。结果表明，降低其内风幕的送风速度或提高其外风幕的送风速度均可使 风幕向柜内侧偏移，
11、减少冷风幕的外溢，提高风幕封闭敞口的能力，改善陈列柜的性能。2冷风幕的研究现状2.1冷风幕流动及换热机理陈列柜冷风幕的流动属于大空间内的低温卷吸射流，一方面具有初始量，一 方面受到体积力的影响也较大。目前单独研究其流动机理的著作很少，大部分文 献是针对热射流、垂直射流、等温射流的研究。但由于流动的相似性，胡卫东等 l，8J对受浮力影响的自然及强制热尾流进行了研究，指出射流分为流核区和边界 层，流核区的速度及温度几乎不受外界影响，随尾流离射流口距离的增加，流核 区逐渐消失，速度及温度边界层增大。BELauderiei分析了重力场对水平自由剪 切的影响。JirkaGH【2。】讨论了体积力对射流发展
12、的影响，特别是对决定稀释度 的掺混作用的影响。对于敞开式陈列柜所涉及的冷射流，Wesozow ski A等J进 行了可视化实验，观察到冷风从出风口射出后很快变成紊流，并形成羽状的流动 分布，加剧了冷射流对外界热空气的卷吸作用，使换热强化，能耗增加。另外， 文中提出一种新的送风隔栅设计方案以降低射流出口的紊流度，强化风幕的隔热 功能。牛璐琳mi利用TiCI4也对陈列柜冷风幕进行了可视化实验，并对流动和 换热机理做了分析研究，将柜内的流动分为风幕射流区、内回流区、外回流区、 回流段和对流混合区进行了探讨。W.罗迪对湍浮力射流进行了研究总结，较系 统地分析了浮力对射流的影响，通过准则数提出了掺混率和
13、流动轨迹的计算方 法，并提出了对射流进行数值计算的模型，为湍浮力射流的有关计算提供了基础。陈列柜内的冷风幕射流属于受限空间湍浮力射流，且由于射流的速度、温度 较低，必须考虑到密度差造成的体积力的影响及其流动及传热性的复杂性。为了 进一步了解其机理，很多学者采用数值计算与实验相结合的方法进行研究，取得 了一定的成果。2.2冷风幕的数值计算具有湍浮力射流的冷风幕流动和换热性能直接影响食品陈列柜的能耗及其 柜内温度的稳定性。因此，对柜内低温湍浮力射流建立能描述传热传质过程的合 理的数学模型，并对整个区域进行数值求解，深入研究湍浮力射流的内在机理对 制冷工程中的节能和优化设计十分重要。陈列柜冷风幕的换
14、热非常复杂，是自然对流与强制对流的混合对流形式 Papanicolaou E等【23】研究了环境空气流过上部敞开的封闭空腔的混合换热，建立 了 k8紊流模型对空腔及开口区域进行数值计算，针对不同的雷诺数及格拉晓夫 数与雷诺数平方的比值得出腔内及混合区域的温度分布图，并计算了各壁面的奴 谢尔特数，验证了k8模型在用于混合对流中是可取的，但过于简单oMurakami S等24对冷射流射入两种简单的三维立体空腔的模型进行了计算和测试，计算 中采用k&紊流模型，并考虑了重力的影响，计算得出了空腔内的温度场和速度 场，其中速度场与可视化实验的结果吻合的较好，各截面处的速度值与实验结果 的误差也很小，这进
15、一步说明了 k8模型可用于湍浮力射流计算。StriblingD等125J采用二维模型计算了立式陈列柜的温度、速度分布，在计 算中采用了k模型，考虑到湿度及辐射作用，温度值与实验值符合较好。刘 冬毓用SIMPLE算法计算了一台卧式陈列柜的流场和温度场，由于将射流按层流 处理的，所以计算结果和实验值有一定的误差0ortVH等mi采用PHOENICS软 件包对立式陈列柜进行了模拟计算，得出的流场及温度场数值，与实验值吻合的 很好。Baleo J N等2刀对敞开多搁架立式陈列柜进行了模拟计算，在计算中采用 k&紊流模型，使用FLUENT软件包，得出了陈列柜内部及周围空间的流场和 温度场分布，并对计算值
16、与实验值的误差进行了分析。作者比较了不同的出风速 度对陈列柜性能的影响，当初风速度低于最佳出风速度的30%时，陈列柜内部 的温度场变化明显，上层搁架不再制冷。另外，作者还对立式陈列柜通过冷风幕 及各壁面的换热量进行了计算。以上大部分文献在计算陈列柜内部的流场和温度场，都未从节能的角度出发 对陈列柜及冷风幕的设计提出改进意见；同时，在计算中未考虑柜内的货物情况。 实际上，陈列柜是装有货物的，当货物存在时，要求解的问题就变成了导热与对 流的耦合问题，且射流的受限情况变得更为复杂。因此要研究陈列柜正常工作的 状态就必须考虑货物的存在。2.3陈列柜风幕研究中存在的问题(1) 由于陈列柜内外温差很大，应选择更为精确的数学模型以考虑浮升力对风幕的影响。(2) 外界环境的渗透热包括显热负荷和潜热负荷，其中潜热负荷占有很大比 例，因而不能忽略空气中水蒸气的作用，求解时应考虑水蒸气组分方程。(3) 辐射热量是陈
