封闭式风冷型冷冻陈列柜内温度场分析
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２ ０ １ ４年６月 第３３卷第２期（总１２６期） 制 冷
文章编号：文章编号：ＩＳＳＮ１００５—９１８０（２０１４）０２—０２３一Ｏ５
封闭式风冷型冷冻陈列柜内温度场分析
瞿星辉 ，潘晓涛 ，欧凌涛 ，方凯
（１．广东工业大学材料与能源学院，广州５１０００６；２．广东星星制冷设备有限公司，佛山５２８１３５）
［摘要］ 冷冻陈列柜中的食物保存质量直接依赖于柜内的温度分布，冷冻陈列柜的耗电量也同柜内温度 场密切相关。建立三维非稳态模型，编译ＵＤＦ（Ｕｓｅｒ—Ｄｅｆｉｎｅｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）程序，利用有限容积法数值模拟 了封闭式风冷型冷冻陈列柜内温度场的变化情况，同时与以往研究进行对比和实验研究。结果表明：该模 型与实际情况更加吻合，便于更加清楚的掌握柜内温度的分布情况，对在此基础上优化设计具有现实意 义。 ［关键词］封闭式；风冷型；温度场；三维非稳态；ＵＤＦ程序 ［中图分类号］ＴＢ６５７．１ ［文献标示码］Ａ ｄｏｉ：１０．３６９６／Ｊ．ＩＳＳＮ．１００５—９１８０．２０１４．０２．００５
Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄ Ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ Ｃｌｏｓｅｄ ａｎｄ
Ａｉｒ Ｃｏｏｌｅｄ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｃａｂｉｎｅｔ
ＱＵ Ｘｉｎｇｈｕｉ ，ＰＡＮ Ｘｉａｏｔａｏ ，ＯＵ Ｌｉｎｇｔａｏ ，ＦＡＮＧ Ｋａｉ
（１．Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０００６； ２．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｘｉｎｇ Ｘｉｎｇ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＣＯ．，Ｌｔｄ，Ｆｏｓｈａｎ ５２８１３５） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｃａｂｉｎｅｔ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｆｏｏｄ ｉｎ ｉｔ．Ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｈａｓ ａ ｃｌｏｓｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｄ ａｎｄ ａｉｒ ｃｏｏｌｅｄ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｃａｂｉｎｅｔ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｖｏｌｕｍｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ａｎ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｔｈｒｅｅ— ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｃｏｍｐｉｌｉｎｇ ＵＤＦ（Ｕｓｅｒ—Ｄｅｆｉｎｅｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｐｒｅ— ｖｉｏｕｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｍｏｒｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｒｅａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅａｓｙ ｔｏ ｃｌｅａｒｌｙ ｍａｓｔｅｒ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｄ ａｎｄ ａｉｒ ｃｏｏｌｅｄ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｅｄ ｄｉｓ— ｐｌａｙ ｃａｂｉｎｅｔ．Ｉｔ ｈａｓ ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｄ；Ａｉｒ ｃｏｏｌｅｄ；Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ；Ａｎ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ；ＵＤＦ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ
１ 引言
根据柜门的结构不同，冷冻陈列柜可分为封
闭式和敞开式两种。封闭式冷冻陈列柜的四周全 封闭，柜门由玻璃制成，将柜内食品与外界隔
开；敞开式冷冻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。陈
列柜的能量消耗是巨大的。据不完全统计，陈列 柜消耗的电能占整个超市耗电的２／３左右 Ｊ。从
节约能源的角度考虑，对陈列柜的研究成为日益
重视的问题。
在陈列柜方面，很多学者作了大量的研究工
收稿日期：２０１３—１２—２ 基金项目：佛山市三水区产学研项目（２０１ ｌＣ０５） 作者简介：瞿星辉（１９８８一），男，硕士研究生，主要研究方向：制冷与流体分析。Ｅｍａｉ
ｌ：ｋｕａｎｚｅｄｅｚｈｏｎｇ＠１２６．ｃｏｍ ２４ Ｎｏ．２，２０１４， Ｖｏ１．３３（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１２６）
作，冯欣等人采用雷诺应力模型对某卧式超市陈列 柜的风幕进行了ＣＦＤ仿真计算和实验验证，证明
环境空气的卷吸是风幕热负荷的主要来源 ］。Ｋｅ
Ｚｈｉｙｕ等人利用混合模型（层流与紊流混合）对立
式陈列柜风幕进行模拟，证明运用混合模型较ｋ— ｓ模型能更准确的预测柜内温度场的变化情况Ｌ３］。
这些研究都是对敞开式陈列柜进行的，对大型封闭
式陈列柜研究较少，而大型封闭式陈列柜存在容积
大、内部温度均匀性差的突出问题，而温度均匀性
对于保鲜性能有着重要的影响，温度分布特性是评 价陈列柜性能的优劣的重要指标。本文针对上述问
题对封闭式风冷型冷冻陈列柜内的温度场进行分
析。
２模型建立
２．１物理模型
本文采用广东星星制冷设备有限公司提供的
Ｄ７６８ＢＭＦ２双门封闭式立式冷冻陈列柜作为研究对 象，外形尺寸：１２５０×６６５×２０４０；容积：７６８Ｌ；
冷却方式：风冷；性能：一２３～一１５℃；双中空电 加热除雾玻璃门，具有良好的保温效果，其结构简
图如图１。以柜内的空气作为研究对象，取内壁为
边界，初值与边界条件通过实验来获得，物理模型
如图２所示。
２．２模型假设
由于模型的复杂性，对柜内空气的流动和换热
进行如下假设： （１）忽略冷冻陈列柜内相变过程，认为冷冻
陈列柜内的空气是干空气且为牛顿流体； （２）空气流动的形式为非稳态、紊流（标准ｋ
一￡模型）；
（３）在柜内表面的空气满足无滑动的边界条
件； （４）满足Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设，即：流体中的粘性
耗散忽略不计；除密度外，其它物性为常数；对密 度仅考虑动量方程中与体积力有关的项，其余各项
中的密度作为常数处理［４—６］；
（５）在本文所研究的问题中，冷冻陈列柜内
的空气流动速度比较低，压力变化小，因此可以忽 略压缩性的影响。把柜内的空气作为不可压缩流体
处理，所以密度变量仅与温度有关，即Ｐ＝ Ｔ）； （６）计算时通过实验获取各壁面温度，所以 图１ 封闭式风冷型冷冻陈列柜结构简图 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ａｎ ｃｌｏｓｅｄ ａｎｄ ａｉｒ ｃｏｏｌｅｄ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｃａｂｉｎｅｔ （１．ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ２．ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ ３．ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ ４．ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ５．ｆａｎ ６．ｇｌａｓｓ ｄｏｏｒ ７．ｆａｎ）
ｗａｌｌ ｇｌａｓｓ ｃｌｏｏｒ
图２物理模型 Ｆｉｇ．２ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ
边界条件为第一类边界条件。
２．３控制方程 柜内的空气流动遵守质量守衡定律、动量守
衡定律、能量守衡定律［７］，无量纲控制方程
为： ‘
质量守恒方程：
２ ０ １ ４年６月 第３３卷第２期（总１２６期） 制 冷
Ｏ ｐ＋ 些 ＋ ＋ ：０ ｆ １） ａ ｔ ｄ ｄ Ｙ ｄ 动量守恒方程：
ｘ方向的动量方程
塑（ ２＋ （ ２＋ ！ ２＋ ！ 些 ２ ： ａ ｔ ａ ｘ ａ Ｙ ａ ｚ
０（ ）＋ （ ）＋ （ ）一
（２） Ｙ方向的动量方程
鱼（ ２＋ 【 ！＋鱼！ ２ ＋鱼—（ ２ ａ ｔ ａ ａ Ｙ ａ
（ ）＋ （ ）＋ （ ）一ａＯ ｐｙ 合函数）一Ｗｉｎ—ＴＣ编程（获得．Ｃ文件）一导
入ＦＬＵＥＮＴ（作进风口温度边界条件）。ＵＤＦ程
序如下：
＃ｉｎｃｌｕｄｅ”ｕｄｆ．ｈ”
ＤＥＦＩＮＥ—ＰＲＯＦＩＬＥ（ｕｎｓｔｅａｄｙ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，
ｔｈｒｅａｄ，ｔｉｍｅ）
｛ｆａｃｅ—ｔ ｆ；
ｂｅｇｉｎ—ｆ ｌｏｏｐ（ｆ，ｔｈｒｅａｄ）
｛
ｒｅａｌ ｔ＝ＲＰ—Ｇｅｔ—Ｒｅａｌ（”ｆｌｏｗ一
（３）
ｚ方向的动量方程
（ ！＋鱼（ ２＋ （ ＋ ： ０ ｔ ａ ｘ ａ Ｙ ａ ｚ
（ ）＋ （ ）＋ （ ）一 一Ｐｇ
（４） 能量守恒方程：
ｉ色 ２＋ ｉ ）＋坌ｉ ２＋鱼（ ２ ： ａ ｔ ａ ａ Ｙ ａ
（ ）＋ （ ）＋ （ ）＋Ｓ ８ ｘ、ｃ ｎ ａ ｘ ８ Ｙ、ｃ ａ Ｙ。０ ｚ、Ｃｐ ａ ｚ
（５）
其中：／／，、 、 分别为 、Ｙ、 方向速度分量。 Ｐ、ｔ、 、ｇ、Ｓ 、 、Ｐ、Ｔ分别为密度、时间、动 力粘度、重力加速度、粘性耗散项、流体传热系
数、压强、温度。
３ 数值计算
３．１ ＵＤＦ程序
ＵＤＦ程序是Ｕｓｅｒ—Ｄｅｆｉｎｅｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ的简称，
意为用户自定义函数。它是一个在Ｃ语言基础上 扩展了ＦＬＵＥＮＴ特定功能后的编程接口。借助
ＵＤＦ，用户可以使用Ｃ语言编写扩展ＦＬＵＥＮＴ的程 序代码，然后动态加载到ＦＬＵＥＮＴ环境中，供
ＦＬＵＥＮＴ使用。
为了更好的与实际情况吻合，本文通过编写
ＵＤＦ程序作为进风口温度边界条件。步骤为：实
验数据（原始数据） ｍａｔｌａｂ数据拟合（获取拟 Ｆ—ＰＲＯＦＩＬＥ（ｆ，ｔｈｒｅａｄ，ｔｉｍｅ）＝
３．８０３ ０．０００００ｌ￥ｔ￥ｔ一０．０２６４ｌ ｔ＋２４．６ｌ＋
２７３； ｝
ｅｎｄ—ｆ—ｌｏｏｐ（ｆ，ｔｈｒｅａｄ）
｝
３．２测试点布置
为了验证模型的可靠性，选取冷冻陈列柜内具
有代表性的点进行计算与实验，测试点布置如图
３。
图３测试点位置 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｓｔ ｐｏｉｎｔｓ
原点为Ｏ点，单位为ｍｍ，
左上点Ａ（２４５，１００，１１００）、
中问点Ｂ（２４５，５５０，７００）、
右下点Ｃ（２４５，１０００，１００）、
底板中央Ｄ（２４５，５５０，７０）、
进风口Ｅ（３０，８２５，１２００）、
回风口Ｆ（３１９，６２５，１２５０）。
