1、本科毕业论文（20 届）冷藏集装箱内气体流场分析及优化设计所在学院 专业班级 建筑环境与设备工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文 目录2目 录摘 要 .1一 绪论 .11.1 FLUENT 的优点 .11.2 FLUENT 同传统的 CFD 计算方法相比，具有以下的优点 .2二 冷藏集装箱内不同吹风方向的气体流场分析及优化设计 .42.1 冷藏集装箱不同吹风口的物理数学模型建立及求解 .42.1.1 以冷藏集装箱内吹风口水平吹为例详解 Gambit 与 Fluent 的步骤 .42.1.2 冷藏集装箱内吹风口水平吹的物理模型简化 .152.1.3 冷藏集装箱内吹
2、风口竖直吹的物理模型简化 .152.2 两种不同吹风口位置的气体流场的数值结果分析 .162.2.1 速度场分析 .162.2.2 温度场分析 .172.2.3 压力场分析 .182.3 本章小结 .19三 冷藏集装箱内不同吹风口个数的气体流场分析及优化设计 .203.1.冷藏集装箱内不同吹风口个数的物理数学模型简化 .203.1.1 冷藏集装箱内只有箱体前部一个吹风口的模型简化 .203.1.2 冷藏集装箱内箱体前后各有一个吹风口的模型简化 .203.2 冷藏集装箱内不同吹风口个数的数值结果分析 .213.2.1 速度场分析 .213.2.2 温度场分析 .213.2.3 压力场分析 .22
3、3.3 本章小结 .23四 冷藏集装箱内不同吹风速度的气体流场分析及优化设计 .244.1 冷藏集装箱内不同吹风口速度的物理数学模型简化 .24本科毕业论文 目录34.1.1 冷藏集装箱内吹风口风速为 3m/s 时的模型简化 .244.1.2 冷藏集装箱内吹风口风速为 6m/s 时的模型简化 .244.1.3 冷藏集装箱内吹风口风速为 9m/s 时的模型简化 .244.1.4 冷藏集装箱内吹风口风速为 12m/s 时的模型简化 .254.2 冷藏集装箱内不同吹风口风速的数值结果分析 .254.2.1 速度场分析 .254.2.2 温度场分析 .274.2.3 压力场分析 .294.3 本章小结
4、 .30五 冷藏集装箱内单一货物不同位置摆放的气体流场分析及优化设计 .315.1 冷藏集装箱内单一货物不同位置摆放的模型简化 .315.1.1 冷藏集装箱内单一货物放在箱体前部 .315.1.2 冷藏集装箱内单一货物放在箱体中部 .315.1.3 冷藏集装箱内单一货物放在箱体后部 .325.2 冷藏集装箱内单一货物不同位置摆放的数值结果分析 .325.2.1 速度场分析 .325.2.2 温度场分析 .335.2.3 压力场分析 .355.3 本章小结 .36六 冷藏集装箱内多货物不同摆放方式时的气体流场分析及优化设计 .376.1 冷藏箱内多货物不同位置摆放的模型建立 .376.1.1 冷
5、藏箱内多货物按小中大摆放的模型简化 .376.1.2 冷藏箱内多货物按小大中摆放的模型简化 .376.1.3 冷藏箱内多货物按中大小摆放的模型简化 .376.1.4 冷藏箱内多货物按中小大摆放的模型简化 .386.1.5 冷藏箱内多货物按大中小摆放的模型简化 .38本科毕业论文 目录46.1.6 冷藏箱内多货物按大小中摆放的模型简化 .396.2 冷藏箱内多货物不同位置摆放的数值结果分析 .396.2.1 速度场分析 .396.2.2 温度场分析 .426.2.3 压力场分析 .446.3 本章小结 .47七总结 .487.1 设计总结 .487.2 设计所感 .48参考文献 .1本科毕业论文
6、 摘要1摘 要近年来，数值计算技术在食品、制冷等工程实际中得到了广泛的应用，并取得了相当满意的效果，然而文献检索发现，将数值计算应用于冷藏车库方面的研究却是很少。瞿晓华等人利用 CFD 技术对一小型装配式冷库流场进行数值模拟，分析了流场形态及各种设计参数对冷藏库内流场的影响。研究表明数值模拟在冷藏库流场优化设计中应用切实可行而且优势显著；王剑锋等人对分别属于两个冷库的流场进行了二维模拟研究，并对气流组织进行了对比分析，指出冷库流场存在一个中心大回流，流场的主流有靠近边界流动的趋势，无论是水平还是垂直速度均呈现两边大、中间小的格局；胡浩等人建立了水果气调库库内气体流动、传热和传质的非稳态数学模型
7、，还根据水果的呼吸原理建立了货物区的传热、传质控制方程，采用 SIMPLE 算法和整体求解的解法对水果气调库的降温、降氧等非稳态过程进行了数值模拟，但最后的计算没有作进一步的验证研究。总之，数值计算在冷库中的应用不多，且基本上处于模型设计的阶段。 本论文对冷藏车库各种不同状态和情况进行模拟，其中模拟计算主要利用商用 CFD 软件FLUENT 来得到二维流场结果，对模拟结果与实测值进行了比较，取得了较好的一致性，误差在允许范围内，表明了数值模拟在冷藏库气体流场设计中应用的可行性。通过本文的研究，期望对冷藏车库的流场设计和改造具有一定的参考价值。关键词 CAMBIT FLUENT 速度矢量图 温度
8、场 压力场本科毕业论文 摘要2Reefer container gas flow field analysis and optimization design Abstract In recent years, numerical computing technology in food, refrigerating engineering practice a wide range of applications, and obtained the quite satisfactory effect, however, literature retrieval found that will
9、 numerical calculation used in refrigeration garage aspects of the research is very little. QuXiaoHua CFD technology as of a small fabricated refrigerator flow field, a numerical simulation analysis on flow form and various design parameters Chambers of refrigeration, the influence of flow. Research
10、 shows that numerical simulation in cold storage flow field application of feasible optimum design and advantage notable; WangJianFeng respectively as belonging to two cold storage structure of two-dimensional flow field, and the simulation study compares the airflow organization, and points out tha
11、t there exists a refrigerator flow field backflow, center flow field of the boundary flow of mainstream have, both horizontal or vertical trend on both sides are significantly, speed among small pattern; HuHao established fruit gas-conditioning storage as the gas flow, heat transfer and Chambers pas
12、s, the unsteady mathematical model according to the principle of the fruit of established goods breathing heat transfer, mass transfer control equation, using SIMPLE algorithm for solving the solution and the whole fruit gas-conditioning storage temperature, oxygen-consumed etc unsteady process was
13、simulated, but the final calculation made no further validation studies. Anyhow, the application of numerical calculation in the refrigerator is not much, and basically at model design stage. This thesis of refrigeration, all sorts of different status and situation garage simulated, including simula
14、tion mainly using commercial CFD software FLUENT 2d flow field to get the results of the simulation results were compared with the measured, and achieved good consistency, error within permitted, showed numerical simulation in cold storage gas flow field design the feasibility of application. The re
15、search in this paper, expect the flow field of frozen garage designed and renovated to have the certain reference value. 本科毕业论文 摘要3Key Words Gambit Fluent Velocity vector diagram Temperature field pressure field 本科毕业论文 正文1一 绪论在 CFD 软件中， Fluent 软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。Fluent 的软件设计基于“CFD 计算机软件群的概念” ，针
16、对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。由于囊括了 Fluent Dynamical International 比利时 Poly Flow 和 Fluent Dynamical International(FID)的全部技术力量(前者是公认的在黏弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司,后者是基于有限元方法 CFD 软件方面领先的公司 1)。FLUENT 软件的结构由前处理、求解器及后处理三大模块组成。FLUENT 软件中采用GAMBIT 作为专用的前处理软件，使网格可以有多种形状。对二维流动可以生成三角形和矩形网格：对于三维流动，可以生
17、成四面等网格；结合具体计算，还可以生成混合网格，其体、六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算，还可以生成混合网格，其自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格 2。FLUENT 软件的求解模块是其核心部分，该模块的数学模型是以纳维斯托克斯方程组与各种湍流模型为主体，在加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面模型以及非牛顿流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输运方程与关系式。采用的是有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都优于传统编程中使用的有限差分法。采用压力校正法作为低速不可压流动计算方法，而可压缩流动采用耦合法。此外，FL
18、UENT 软件采用的二阶上风格式是 Barth 与 Jerpersen 针对非结构网格提出的多维梯度重构法，较成功的用于非结构网格的二阶上风格式，能较好的处理畸变网格的计算，使其在技术上处于领先 3。1.1 FLUENT 的优点(1)功能强，适用面广。包括各种优化物理模型，如：计算流体流动和热传导模型( 包括自然对流、定常和非定常流动层流，湍流，紊流，不可压缩和可压缩流动，周期流，旋转流及时间相关流等) ，辐射模型，相变模型，离散相变模型，多相流模型及化学组分输运和反本科毕业论文 正文2应流模型等。对每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速
19、度、稳定性和精度等方面达到最佳。(2)高效，省时。Fluent 将不同领域的计算软件组合起来，成为 CFD 计算机软件群，软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。(3)建立了污染物生成模型。包括 NOX 和 ROX(烟尘) 生成模型。其中 NOX 模型能够模拟热力型、快速型、燃料型及由于燃烧系统里回燃导致的 NOX 的消耗。而 ROX 的生成是通过使用两个经验模型进行近似模拟，且只使用于紊流 4。1.2 FLUENT 同传统的 CFD 计算方法相比，具
20、有以下的优点1、稳定性好，FLUENT 经过大量算例考核，同实验符合较好。2、适用范围广，FLUENT 含有多种传热燃烧模型及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域 53、精度提高，可达二阶精度 6。FLUENT 是目前国际上比较流行的商用 CFD 软件包，在美国的市场占有率为 60%。举凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、井下分析、喷
21、射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、管道流动等等。1.3 CFD 技术的应用展望1 加强 CFD 技术在建筑设计界的推广和普及从上世纪 70 年代末起，我国开始着手 CFD 技术的研究，20 多年来，已在应用方面取得了许多成就。但是，与国外的暖通空调界相比，尚存在着较大的差距。特别是在建筑设计企业，CFD 技术的应用还处于起步阶段,真正把 CFD 技术与实际工程的空调、通风设计结合的本科毕业论文 正文3案例还很少，真正掌握 CFD 技术的暖通设计人员数量有限，影响了 C F D 技术优化空调、通风设计作用的发挥，不利于解决现代建筑空调、通风设计中存在的问题。因此，应积极培训建筑设计企业的
22、设计人员,使更多的人掌握 CFD 技术，以使其在建筑设计企业中得到推广和普及 7。2 加强对 CFD 软件计算结果的验证随着计算机技术的发展，国内已有多种版本的 CFD 商用软件，大量文献刊登了研究人员采用CFD 软件模拟空调、通风工程室内热环境的计算结果。但是,对这些工程运行中的实测数据尚缺乏相关报道。没有实测数据与计算结果对比，就很难说明 CFD 软件运算的准确性，更难以发现软件本身或研究人员在使用中的问题。因此，应加强对 CFD 模拟工程进行数据实测，并按照工程类型，建立模拟工程实测数据库，为其他研究人员的计算结果提供校验数据 8。3.加强 CFD 软件自身的完善目前，暖通空调领域面临许
23、多新的研究课题，如热负荷计算动态模拟、背景送风和个人送风结合提高室内空气品质、空调系统由稳态调节向动态过程转化等。如不加强 CFD 软件自身的研究，使其逐步完善，就无法满足暖通空调领域新课题的需要，因此，应从 CFD 算法和其通用性方面进行研究，一方面加强 CFD 算法方面的理论研究，提高其计算精度，一方面统一与 CFD，相关联的数据库，加强与 CAD 数据的连接，提高其通用性。只有这样，才能使CFD 软件自身不断完善,在暖通空调领域发挥更大的作用 9。我国在暖通空调领域 CFD 技术的应用已经取得了一定的成果，但是要达到国际应用水平，真正让 CFD 技术在建筑设计领域得到广泛应用，还有很长一段路要走 10。
