不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法与流程

1.本发明涉及食品冻藏领域，具体涉及不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法。


背景技术：

2.为了保证水产品、肉类等食品的品质，往往采用冻藏的方法，将冻藏食品放置于合适的低温环境中，使它们可以长时间保证高品质的状态，常用冷库、冻藏集装箱进行该操作。将冻藏食品放置于冷库、冻藏集装箱中时，存在多种不同的货物叠堆方式，不同的货物叠堆方式对冻藏的效果的影响是不同的，运用合适的货物叠堆方式，可以对冻藏食品的保存起到积极的作用。如果能提出一种用于分析不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法，则可以快速得出最合适的货物叠堆方式，对冻藏食品的冻藏是能起到积极作用的。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法，对不同的货物叠堆方式进行数值模拟，并从货物的降温效果、货物的冷却均匀性、流场的均匀性及制冷机组的能源利用率，共4个方面进行分析，从而对不同货物叠堆方式进行分析与评价。
4.为了实现上述目的，本发明一个实施方式提供了同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法，包括upt金字塔式货物堆、整齐货物堆、冷库及制冷机组；所述upt金字塔式货物堆包括第一upt金字塔式货物堆、第二upt金字塔式货物堆、第三upt金字塔式货物堆、第四upt金字塔式货物堆、第五upt金字塔式货物堆及第六upt金字塔式货物堆；所述整齐货物堆包括第一整齐货物堆、第二整齐货物堆、第三整齐货物堆、第四整齐货物堆、第五整齐货物堆及第六整齐货物堆；所述制冷机组包括第一制冷机组及第二制冷机组；第一upt金字塔式货物堆、第二upt金字塔式货物堆、第三upt金字塔式货物堆、第四upt金字塔式货物堆、第五upt金字塔式货物堆及第六upt金字塔式货物堆分别由6个货物叠堆成金字塔的样子，即在相邻两个货物上方放置一个货物，该货物位于下方两个货物的顶部中央；第一整齐货物堆、第二整齐货物堆、第三整齐货物堆、第四整齐货物堆、第五整齐货物堆及第六整齐货物堆分别由9个货物叠堆成长方体的样子；不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的过程如下所述：1）对不同的货物叠堆方式进行三维模型的绘制，并输出为x_t文件；2）将x_t文件导入workbench，对边界条件会涉及到的面进行选中与重命名，主要有inlet、outlet及冷库的外壁面；3）运用workbench自带的mesh功能对模型进行网格绘制；4）进入数值模拟的计算界面，按模型的计算要求对方程、材料、边界条件、算法及
文件保存形式进行调整，完成调整后进行计算；5）完成计算后，进入cfd
‑
post，对观测点和观测面进行选取与设置，并输出货物的最高温度、每个货物中心的温度、流场中的观测点的流速、流场平均温度、制冷机组的送风口的温度及制冷机组的回风口的温度；6）运用从cfd
‑
post中获取的数据计算货物温度变异系数（t
var
‑
t
）、速度不均匀系数（k
v
）及能量利用系数（η），并分析不同货物叠堆方式在货物的降温效果、货物的冷却均匀性、流场的均匀性及制冷机组的能源利用率，这4方面的差异。
5.优选地，该方法所选用的数值模拟软件为workbench。
6.可选地，绘制三维模型的软件可选用solidworks及autocad等绘图软件。
7.优选地，在数值模拟的计算界面里设置货物时，需设置成多孔介质。
8.优选地，第一制冷机组及第二制冷机组在进行数值模拟时隐去，不进行计算。
9.本发明提供了不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法，运用workbench软件对不同的货物叠堆方式进行数值模拟，根据模拟所得的数据计算货物温度变异系数（t
var
‑
t
）、速度不均匀系数（k
v
）及能量利用系数（η），对货物的降温效果、货物的冷却均匀性、流场的均匀性及制冷机组的能源利用率进行分析，从而比较不同货物叠堆方式对冻藏效果的影响，对货物叠堆方式的选取起到了积极的作用。
附图说明
10.图1为本发明不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的upt金字塔叠堆方式的立体示意图，包括1.1
‑
第一upt金字塔式货物堆、1.2
‑
第二upt金字塔式货物堆、1.3
‑
第三upt金字塔式货物堆、1.4
‑
第四upt金字塔式货物堆、1.5
‑
第五upt金字塔式货物堆及1.6
‑
第六upt金字塔式货物堆。
11.图2为本发明不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的整齐叠堆方式的立体示意图，包括2.1
‑
第一整齐货物堆、2.2
‑
第二整齐货物堆、2.3
‑
第三整齐货物堆、2.4
‑
第四整齐货物堆、2.5
‑
第五整齐货物堆及2.6
‑
第六整齐货物堆。
12.图3为本发明不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的upt金字塔叠堆方式的堆放位置的俯视剖视示意图，包括1.1
‑
第一upt金字塔式货物堆、1.2
‑
第二upt金字塔式货物堆、1.3
‑
第三upt金字塔式货物堆、1.4
‑
第四upt金字塔式货物堆、1.5
‑
第五upt金字塔式货物堆、1.6
‑
第六upt金字塔式货物堆、3
‑
冷库、4.1
‑
第一制冷机组及4.2
‑
第二制冷机组。
13.图4为本发明不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的整齐叠堆方式的堆放位置的俯视剖视示意图，包括2.1
‑
第一整齐货物堆、2.2
‑
第二整齐货物堆、2.3
‑
第三整齐货物堆、2.4
‑
第四整齐货物堆、2.5
‑
第五整齐货物堆、2.6
‑
第六整齐货物堆、3
‑
冷库、4.1
‑
第一制冷机组及4.2
‑
第二制冷机组。
14.图5为本发明不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的货物温度变异系数的变化示意图。
15.图6为本发明不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的流场速度不均匀系数的变化示意图。
16.图7为本发明不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的流速测点位置的俯
视剖视示意图，包括3
‑
冷库、4.1
‑
第一制冷机组及4.2
‑
第二制冷机组。
17.图8为本发明不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的能量利用系数的变化示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图，以具体实施例为例，详细说明本发明的实施方式。
19.实施方式中的货物选用竹荚鱼，每条鱼长18cm，用竹制箱子装，经过参数拟合，每个货物的密度为1020kg/m3、比热容为1400j/(kg
·
k)、导热系数为0.4w/(m
·
k)，尺寸为1100
×
1300
×
700mm，货物的入库温度为261.15k，第一upt金字塔式货物堆1.1、第二upt金字塔式货物堆1.2、第三upt金字塔式货物堆1.3、第四upt金字塔式货物堆1.4、第五upt金字塔式货物堆1.5、第六upt金字塔式货物堆1.6、第一整齐货物堆2.1、第二整齐货物堆2.2、第三整齐货物堆2.3、第四整齐货物堆2.4、第五整齐货物堆2.5及第六整齐货物堆2.6均由相同的货物叠堆而成。
20.如图1所示，本发明一个实施例提供的不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的upt金字塔叠堆方式的立体图，包括第一upt金字塔式货物堆1.1、第二upt金字塔式货物堆1.2、第三upt金字塔式货物堆1.3、第四upt金字塔式货物堆1.4、第五upt金字塔式货物堆1.5及第六upt金字塔式货物堆1.6；第一upt金字塔式货物堆1.1、第二upt金字塔式货物堆1.2、第三upt金字塔式货物堆1.3、第四upt金字塔式货物堆1.4、第五upt金字塔式货物堆1.5及第六upt金字塔式货物堆1.6分别由6个货物叠堆成金字塔的样子，即在相邻两个货物上方放置一个货物，该货物位于下方两个货物的顶部中央。
21.如图2所示，本发明一个实施例提供的不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的整齐叠堆方式的立体图，包括第一整齐货物堆2.1、第二整齐货物堆2.2、第三整齐货物堆2.3、第四整齐货物堆2.4、第五整齐货物堆2.5及第六整齐货物堆2.6；第一整齐货物堆2.1、第二整齐货物堆2.2、第三整齐货物堆2.3、第四整齐货物堆2.4、第五整齐货物堆2.5及第六整齐货物堆2.6分别由9个货物叠堆成长方体的样子，货物的层数为3层。
22.如图3所示，本发明一个实施例提供的不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的upt金字塔叠堆方式的堆放位置的俯视剖视图，包括第一upt金字塔式货物堆1.1、第二upt金字塔式货物堆1.2、第三upt金字塔式货物堆1.3、第四upt金字塔式货物堆1.4、第五upt金字塔式货物堆1.5、第六upt金字塔式货物堆1.6、冷库3、第一制冷机组4.1及第二制冷机组4.2；冷库3的外壳尺寸为5300
×
9000
×
3000mm，外墙体的厚度为150mm，外墙体用聚氨酯进行制作，冷库3外的环境温度为293.15k；第一制冷机组4.1及第二制冷机组4.2的尺寸均为400
×
1000
×
500mm，安装于冷库3的顶部，与内侧壁面紧贴；将冷库3上下左右四面墙分别命名为a墙、b墙、c墙及d墙；第一制冷机组4.1与第二制冷机组4.2之间的距离为2.23m；第一制冷机组4.1与c墙之间的距离等于0.5m；第二制冷机组4.2与c墙之间的距离等于0.5m；第一制冷机组4.1与b墙之间的距离等于2.23m；第一upt金字塔式货物堆1.1、第二upt金字塔式货物堆1.2、第三upt金字塔式货物堆1.3、第四upt金字塔式货物堆1.4、第五upt金字塔式货物堆1.5、第六upt金字塔式货物堆1.6与d墙之间的距离均等于0.4m；第一upt金字塔式货物堆1.1与b墙直接的距离等于0.2m；第一upt金字塔式货物堆1.1与第二upt金字塔式货物堆1.2之间的距离等于0.1m；第二upt金字塔式货物堆1.2与第三upt金字塔式货物堆1.3
之间的距离等于0.1m；第三upt金字塔式货物堆1.3与第四upt金字塔式货物堆1.4之间的距离等于0.1m；第四upt金字塔式货物堆1.4与第五upt金字塔式货物堆1.5之间的距离等于0.1m；第五upt金字塔式货物堆1.5与第六upt金字塔式货物堆1.6之间的距离等于0.1m。
23.第一制冷机组4.1与第二制冷机组4.2正对着d墙的面均为制冷机组的送风口；第一制冷机组4.1与第二制冷机组4.2正对着c墙的面均为制冷机组的回风口；第一制冷机组4.1与第二制冷机组4.2的送风风速为13m/s，送风温度为255.15k。
24.如图4所示，本发明一个实施例提供的不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的整齐叠堆的堆放位置的俯视剖视图，包括第一整齐货物堆2.1、第二整齐货物堆2.2、第三整齐货物堆2.3、第四整齐货物堆2.4、第五整齐货物堆2.5、第六整齐货物堆2.6、冷库3、第一制冷机组4.1及第二制冷机组4.2；第一整齐货物堆2.1、第二整齐货物堆2.2、第三整齐货物堆2.3、第四整齐货物堆2.4、第五整齐货物堆2.5、第六整齐货物堆2.6与d墙之间的距离均等于0.4m；第一整齐货物堆2.1与b墙直接的距离等于0.2m；第一整齐货物堆2.1与第二整齐货物堆2.2之间的距离等于0.1m；第二整齐货物堆2.2与第三整齐货物堆2.3之间的距离等于0.1m；第三整齐货物堆2.3与第四整齐货物堆2.4之间的距离等于0.1m；第四整齐货物堆2.4与第五整齐货物堆2.5之间的距离等于0.1m；第五整齐货物堆2.5与第六整齐货物堆2.6之间的距离等于0.1m。
25.不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的具体操作流程如下所述：1）通过solidworks2014，运用拉伸与切除的命令分别绘制货物、冷库3、第一制冷机组4.1及第二制冷机组4.2的零件图；根据图3及图4，将零件图进行组装，形成运用upt金字塔叠堆方式的模型及运用整齐叠堆方式的模型；将这两个模型输出为x_t文件；2）打开workbench18.0，创建fluid flow (fluent)的模块；右击fluid flow (fluent)的模块上的geometry，插入运用upt金字塔叠堆方式的模型输出为x_t文件，并点击进入design modeler；点击generate，使模型显现；点击design modeler的菜单栏里的tools，在下拉框中选中fill，将extraction type修改为by caps，点击generate，创建流体域；选中第一制冷机组4.1、第二制冷机组4.2及冷库3的外墙体，并点击右键，点击suppress body，隐去第一制冷机组4.1、第二制冷机组4.2及冷库3的外墙体；将与第一制冷机组4.1及第二制冷机组4.2的送风口对应的流体域的面选中，重命名为inlet，点击generate；将与第一制冷机组4.1及第二制冷机组4.2的回风口对应的流体域的面选中，重命名为outlet，点击generate；点击流体域与冷库3的外墙体对应的面选中，重命名为wb，点击generate；选中全部的货物，单击右键，点击from new part，将货物之间进行连接，保证传热能正常进行；3）退出design modeler，点击fluid flow (fluent)的模块的mesh，进入网格绘制界面；右击左边工具栏的mesh，点击insert里的method，选中整个模型，选择网格自动绘制，再次右击左边工具栏的mesh，点击generate mesh；右击左边工具栏的mesh，点击insert里的sizing，选中整个模型，将单个网格的尺寸修改为100mm，再次右击左边工具栏的mesh，点击update；4）退出mesh，点击fluid flow (fluent)的模块的solution，进入数值模拟的计算界面；点击general，将time下面的选项改为transient，在gravity上打钩，输入重力加速度9.81m/s2，即输入y=
‑
9.81 m/s2；点击models，点击energy，在energy equation上打钩，点击viscous models，选择k
‑
ε模型，并调节为realizable形式；点击materials，将fluid里的
air改为incompressible
‑
ideal
‑
gas，在solid中新建货物的属性；将货物进行多孔介质设置，点击cell zone conditions，将全部solid都改为fluid，双击货物，在porous zone上打钩，并输入porosity=0.3（水产品的孔隙率），将relative viscosity下的那栏改为brinkman；点击boundary conditions，点击inlet，设置velocity magnitude为13m/s、temperature为255.15k，将outlet改为outflow边界条件，点击wb，传热方式选择convention，heat transfer coefficient设置为0.022w/(m2·
k)，该值为聚氨酯的传热系数，free stream temperature设置为293.15k，wall thickness设置为0.15m；点击methods,scheme设置为simple，gradient设置为green
‑
gauss cell based，pressure设置为standard，momentum设置为first order upwind,turbulent kinteic energy设置为first order upwind,turbulent dissipation rate设置为first order upwind,energy设置为first order upwind；点击calculation activities中的autosave，设置每计算1个步长保存1次文件；点击initialization，初始化模型；点击run calculation,time step size设置为1800，number of time steps设置为48；点击calculation，进行计算；5）完成计算后，退出solution，点击results，进入cfd
‑
post，在location中点击point/plane，设置观测点/面，并通过calculators输出观测点/面的参数，参数有货物的最高温度、每个货物中心的温度、流场中的观测点的流速、流场平均温度、制冷机组的送风口的温度及制冷机组的回风口的温度；6）运用从cfd
‑
post中获取的数据计算货物温度变异系数（t
var
‑
t
）、速度不均匀系数（k
v
）及能量利用系数（η），并分析不同货物叠堆方式在货物的降温效果、货物的冷却均匀性、流场的均匀性及制冷机组的能源利用率，这4方面的差异；货物温度变异系数（t
var
‑
t
）的计算公式为，其中，是每个货物中心点的温度，是每个货物中心点的温度的平均值，n是货物的数量；速度不均匀系数（k
v
），计算公式为，其中，是测点的流速，是测点的流速的平均值，n是测点数量；能量利用系数（η）的计算公式为，其中，是第一制冷机组4.1和第二制冷机组4.2的回风口的温度的平均值，是是第一制冷机组4.1和第二制冷机组4.2的送风口的温度的平均值，是冷库3内的低温环境的平均温度；7）对整齐叠堆方式的模型重复上述操作。
26.通过数值模拟得出，经过24h的降温时间，运用upt金字塔叠堆方式，货物的最高温度可从261.15k下降至258.33k，运用整齐叠堆方式，货物的最高温度可从261.15k下降至258.47k，可见运用upt金字塔叠堆方式，货物在相同时间内下的温度的幅度更大，降温效果更好。
27.如图5所示，本发明一个实施例提供的不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的货物温度变异系数的变化图；货物温度变异系数（t
var
‑
t
）越小，则货物的降温均匀性越好；选取每个货物的中心点为观测点，通过cfd
‑
post进行测点温度的采集，并进行计算；运用upt金字塔叠堆方式，t
var
‑
t
的最大值等于1.10
×
10
‑3，运用整齐叠堆方式，t
var
‑
t
的最大
值等于1.07
×
10
‑3，运用这两种叠堆方式，货物温度变异系数的变化曲线均呈现先上升、后下降的趋势，且最后趋于平稳时的值相近；通过对t
var
‑
t
的最大值及货物温度变异系数的变化曲线的分析，可以发现运用upt金字塔叠堆方式与运用整齐叠堆方式，货物的降温均匀性无明显差异。
28.如图6所示，本发明一个实施例提供的不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的流场速度不均匀系数的变化示意图；速度不均匀系数（k
v
）越小，则流场的均匀性越好；选取离冷库3底面内侧0.35m、1.05m及1.75m的截面，选取的测点位置如图7所示，每个截面上6个测点，共18个测点，通过cfd
‑
post进行测点流速的采集，并进行计算；运用upt金字塔叠堆方式，k
v
的最大值等于1.23，运用整齐叠堆方式，k
v
的最大值等于0.77，运用这两种叠堆方式，货物温度变异系数的变化曲线均呈现先上升、后下降的趋势，运用upt金字塔叠堆方式时，k
v
最后趋近0.64，运用整齐叠堆方式时，k
v
最后趋近0.53，可以发现运用整齐叠堆方式的k
v
较小，因此可获得更加均匀的流场。
29.如图8所示，本发明一个实施例提供的不同货物叠堆方式对冻藏效果影响的分析方法的能量利用系数的变化图；能量利用系数（η）越大，则第一制冷机组4.1及第二制冷机组4.2的能源利用率越高；通过cfd
‑
post进行第一制冷机组4.1和第二制冷机组4.2的回风口的温度、第一制冷机组4.1和第二制冷机组4.2的送风口的温度及冷库3内的低温环境的平均温度的采集，并进行计算；运用upt金字塔叠堆方式，η的最大值等于2.33，运用整齐叠堆方式，η的最大值等于2.00，运用这两种叠堆方式，货物温度变异系数的变化曲线均呈现先上升、后下降的趋势，运用upt金字塔叠堆方式时，η最后趋近0.79，运用整齐叠堆方式时，η最后趋近0.89，可以发现，虽然运用upt金字塔叠堆方式，η的峰值更大，但运用整齐叠堆方式获得的最终趋近值η较大，因此，若冻藏时间较短，则运用upt金字塔叠堆方式可使第一制冷机组4.1和第二制冷机组4.2的能源利用率提升，若需要进行冻藏，运用整齐叠堆方式则第一制冷机组4.1和第二制冷机组4.2可以获得更大能源利用率。
30.上述实施例仅例示性说明本发明的设计原理及用途作用，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。