導(dǎo)語(yǔ)：立式陳列柜風(fēng)幕研究管理論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：考慮到陳列柜風(fēng)幕的流動(dòng)特點(diǎn)，采用雙流體模型對(duì)立式陳列柜風(fēng)幕進(jìn)行數(shù)值模擬，其中內(nèi)外風(fēng)幕采用傳統(tǒng)的K—紊流模型，陳列柜外的環(huán)境空氣采用非紊流模型。兩種流體之間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式處理。通過(guò)對(duì)風(fēng)幕溫度的測(cè)試結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，雙流體模型的模擬結(jié)果相當(dāng)吻合，是很有價(jià)值的的風(fēng)幕計(jì)算模型。同時(shí)指出了雙流體模型的不足和需要改進(jìn)的地方。

關(guān)鍵詞：陳列柜風(fēng)幕雙流體模型紊流

風(fēng)幕對(duì)陳列柜的保溫性能有十分重大的影響，國(guó)內(nèi)外許多研究者對(duì)其進(jìn)行過(guò)研究[1—8]。考慮到陳列柜的開(kāi)口處的邊界條件難于確定，為計(jì)算方便起見(jiàn)，很多研究者將開(kāi)口處計(jì)算區(qū)域加以擴(kuò)充，并認(rèn)為擴(kuò)充區(qū)域的邊界不受陳列柜風(fēng)幕的影響，其速度按無(wú)滑移的邊界條件考慮，溫度按實(shí)際測(cè)試的結(jié)果確定。由于陳列柜外由于風(fēng)幕卷吸的環(huán)境空氣流速很小，不會(huì)象風(fēng)幕一樣處于強(qiáng)烈的紊流狀態(tài)。但他們的計(jì)算模型往往采用單一的紊流模型（K—e模型，雷諾應(yīng)力模型或者大渦模擬），這顯然與實(shí)際情況不符。

考慮到陳列柜外環(huán)境空氣的非紊流特點(diǎn)，采用雙流體模型對(duì)陳列柜風(fēng)幕進(jìn)行數(shù)值模擬，其中內(nèi)外風(fēng)幕采用傳統(tǒng)的K—e紊流模型，陳列柜外的環(huán)境空氣采用非紊流模型，同時(shí)考慮到兩種流體之間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換。

1雙流體模型的思路和特點(diǎn)

紊流的雙流體模型是Spalding提出的，其基本思路是：認(rèn)為紊流流動(dòng)可以看作兩種流體各自的運(yùn)動(dòng)及其相互作用的綜合；兩種流體在時(shí)空上共存，具有各自的容積分?jǐn)?shù)；兩種流體認(rèn)為是可以互相滲透的連續(xù)介質(zhì)，它們的運(yùn)動(dòng)遵守各自的控制微分方程組；兩種流體之間可能存在著質(zhì)量、動(dòng)量和能量方面的相互作用。兩種流體的劃分標(biāo)準(zhǔn)可以是流體的濃度、溫度、流向等[9]。本文中以紊流和非紊流流體作為兩種流體的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

雙流體模型應(yīng)用于自由射流、羽流、壁面流和管流中取得了很大的成功，模擬結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果符合得很好[9-14]，但目前沒(méi)有應(yīng)用于陳列柜風(fēng)幕的實(shí)例。從物理機(jī)理上分析，相對(duì)于紊流的單流體模型，雙流體模型更能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)紊流的流動(dòng)狀況。但由于同時(shí)求解兩套方程組，同時(shí)兩種流體的方程之間存在強(qiáng)烈的耦和關(guān)系，其求解的難度更大，需要一定的求解技巧。

2風(fēng)幕的雙流體模型

2.1控制方程

風(fēng)幕雙流體模型的通用方程是[13]：

(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)(Ⅳ)(Ⅴ)(Ⅵ)

其中下標(biāo)k表示流體種類，可取為1或2，為方便起見(jiàn)，流體1表示紊流流體，流體2表示非紊流流體；下標(biāo)j表示空間坐標(biāo)；表示該種流體占有的體積分?jǐn)?shù)（或存在幾率）；表示因變量，取為1時(shí)對(duì)應(yīng)連續(xù)性方程，如取速度、溫度分別對(duì)應(yīng)動(dòng)量方程、能量方程。

方程中的第(Ⅰ)項(xiàng)是不穩(wěn)態(tài)項(xiàng)；第(Ⅱ)項(xiàng)是對(duì)流項(xiàng)；第(Ⅲ)項(xiàng)是擴(kuò)散項(xiàng)；第(Ⅳ)項(xiàng)是相擴(kuò)散項(xiàng)；第(Ⅴ)項(xiàng)是該流體內(nèi)部的源項(xiàng)；第(Ⅵ)項(xiàng)是兩種流體相互作用的源項(xiàng)。

由于紊流流體采用K—e紊流模型，可得到紊流流體和非紊流流體的控制方程組[10,13-14]，如表1、2所示。

表1紊流流體的控制方程組方程

連續(xù)100

x動(dòng)量

y動(dòng)量

能量0

湍能0

湍能耗散率0

表2非紊流流體的控制方程組方程

連續(xù)100

x動(dòng)量

y動(dòng)量

能量0

上兩表中，，，其余常數(shù)如下表3所示。

表3雙流體模型的常數(shù)表

0.091.441.921.01.30.951.0

2.2兩流體的質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換關(guān)系

雙流體模型成功的關(guān)鍵在于兩種流體的質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換關(guān)系，從簡(jiǎn)單實(shí)用的角度出發(fā)，本文采用范維澄推薦的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[13]:

2.2.1質(zhì)量交換

，其中為混合長(zhǎng)度，下同。

2.2.2動(dòng)量交換

；

。

2.2.3能量交換

。

2.3邊界條件的設(shè)置

2.3.1風(fēng)幕出風(fēng)口

分別取內(nèi)外風(fēng)幕速度、溫度為測(cè)定值，其紊流容積分?jǐn)?shù)。

2.3.2環(huán)境空氣

取溫度為環(huán)境溫度設(shè)定值，相對(duì)壓力取為0，其非紊流容積分?jǐn)?shù)。

2.3.3風(fēng)幕回風(fēng)口

取背壓為-4Pa。

2.3.4壁面

對(duì)紊流流體采用壁面函數(shù)法（wallfunction）

2.4混合物參量計(jì)算

采用雙流體模型分別計(jì)算出兩種流體的參數(shù)分布后，可以采用時(shí)間平均來(lái)計(jì)算各狀態(tài)參量的平均分布。

任一參量（速度、溫度等）與兩流體對(duì)應(yīng)值和的關(guān)系式是：

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1容積分?jǐn)?shù)

圖1紊流流體容積分?jǐn)?shù)

圖1是紊流流體容積分?jǐn)?shù)分布圖，從圖上可以看出，紊流區(qū)域主要集中在陳列柜內(nèi)部，在陳列柜外側(cè)有少量溢出，而陳列柜外的廣大計(jì)算區(qū)域完全處于非紊流狀態(tài)。這說(shuō)明采用雙流體模型計(jì)算陳列柜風(fēng)幕是符合物理機(jī)理的。

3.2速度場(chǎng)

圖2陳列柜速度場(chǎng)

圖2是陳列柜速度場(chǎng)分布圖?？梢钥闯觯捎陲L(fēng)幕的卷吸作用，外界環(huán)境的熱空氣有向陳列柜流動(dòng)的跡象，這也是陳列柜熱負(fù)荷的主要來(lái)源；而風(fēng)幕流出的冷空氣也在回風(fēng)口附近溢出陳列柜外，造成了陳列柜冷量的損失，這是陳列柜設(shè)計(jì)時(shí)需要加以考慮的地方。

3.3溫度場(chǎng)

圖3陳列柜溫度場(chǎng)

圖3是陳列柜溫度場(chǎng)分布圖?？梢钥闯?，陳列柜外的熱空氣的溫度基本穩(wěn)定在環(huán)境溫度左右（25℃）。而由于風(fēng)幕的遮擋作用，陳列柜內(nèi)溫度依然較低。從陳列柜內(nèi)到柜外，其溫度有很大的升高，特別是風(fēng)幕流經(jīng)的地方，溫度梯度極大。

4計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

為了考察雙流體模型用于陳列柜風(fēng)幕的可行性，特取實(shí)際測(cè)試的三層擱架外側(cè)的溫度場(chǎng)與計(jì)算模擬值進(jìn)行對(duì)比分析。其結(jié)果如圖4～6所示。

圖4第一層擱架外層溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較

圖5第二層擱架外層溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較

圖6第三層擱架外層溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較

圖4～6表明，雙流體模型的模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果溫度值是比較符合的，特別是在風(fēng)幕流動(dòng)區(qū)域內(nèi)（圖中0.5m～0.66m之間），兩者之間符合得非常好。

在擱架外側(cè)，計(jì)算模擬值存在普遍偏高的現(xiàn)象，除了考慮試驗(yàn)測(cè)試值受測(cè)試環(huán)境風(fēng)速的影響外，有兩個(gè)因素必須加以考慮：一是雙流體模型所依賴的K—e模型在考慮非紊流流體下的修正問(wèn)題。按照Malin的觀點(diǎn)，需要在K方程和方程的源項(xiàng)中各加上一項(xiàng)“附加源項(xiàng)”，否則紊流的擴(kuò)散會(huì)被低估[10]；二是在計(jì)算兩種流體的質(zhì)量轉(zhuǎn)換時(shí)，只考慮流體2（非紊流流體）轉(zhuǎn)化為流體1（紊流流體），而沒(méi)有考慮流體1（紊流流體）轉(zhuǎn)化為流體2（非紊流流體）。因此需要對(duì)前述的質(zhì)量交換關(guān)系式進(jìn)行修正[13]。

5總結(jié)

本文采用雙流體模型對(duì)立式陳列柜的風(fēng)幕進(jìn)行了數(shù)值模擬，其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比較吻合，說(shuō)明雙流體模型是陳列柜風(fēng)幕模擬的一種有價(jià)值的模型。同時(shí)指出了雙流體模型在陳列柜風(fēng)幕數(shù)值模擬上存在的不足，提出了其改進(jìn)的方向。

參考文獻(xiàn)

[1]余克志,丁國(guó)良,陳天及.立式陳列柜空氣流動(dòng)與熱濕交換的整體模型[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,39(2):220-224.

[2]穆景陽(yáng),陳江平,婁駿,等.臥式超市陳列柜風(fēng)幕系統(tǒng)數(shù)值分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2001,22(3):313-315.

[3]劉東毓,吳業(yè)正,程松.陳列柜內(nèi)空氣流動(dòng)與換熱的研究[J].制冷學(xué)報(bào),2000,(1):51-55.

[4]孟祥兆,俞炳豐,王灃浩.立式多擱架陳列柜風(fēng)幕及柜內(nèi)空氣流動(dòng)和換熱的數(shù)學(xué)模型的研究[J].流體機(jī)械,2001,29(2):50-52.

[5]D.Stribling,S.A.Tassou,D.Marriott.Atwo-dimensionedcomputationalfluiddynamicmodelofarefrigerateddisplaycase[J].ASHRAETransactions,1997,103(1):88-94.

[6]穆景陽(yáng),馮欣,陳江平.開(kāi)式陳列柜風(fēng)幕系統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)設(shè)計(jì)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2001,35(8):1224-1227.

[7]馮欣,陳江平,穆景陽(yáng).立式陳列柜雙層風(fēng)幕的CFD優(yōu)化[J].制冷學(xué)報(bào),2001,(2):32-36.

[8]陳江平,馮欣,穆景陽(yáng).吹吸式非等溫雙層空氣幕紊流特性數(shù)值分析[J].制冷學(xué)報(bào),2001,(4):16-20.

[9]D.B.Spalding.Two-fluidmodelsofturbulence[C].NASALangleyWorkshoponTheoreticalApproachestoTurbulence,Hampton,Virginia,1984.

[10]M.R.Malin,D.B.Spalding.ATwoEquationModelofTurbulenceanditsApplicationtoHeatedPlanejetsandwakes[J].PhysicochemicalHydrodynamics,1984,5:339-362.

[11]JOIlegbusi,D.B.Spalding.Atwo-fluidmodelofturbulenceanditsapplicationtonear-wallflows[J].IJPhysicochemicalHydrodynamics,1987,9:127-160.

[12]JOIlegbusi,D.B.Spalding.Applicationofatwo-fluidmodelofturbulencetoturbulentflowsinconduitsandshearlayers[J].IJPhysicochemicalHydrodynamics,1987,9:161-181.

[13]范維澄.湍流的雙流體模型及其改進(jìn)[J].中國(guó)科學(xué)A輯,1987(7):705-710.

[14]陽(yáng)昌陸,倪浩清.紊浮力回流的雙流體模型[J].水利學(xué)報(bào),1989(1):18-27.