基于有限元分析的医药冷库温度场仿真研究.pdf
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1、基于有限元分析的医药冷库温度场仿真研究陈玲玲龚 虎杨红艳曾 嵘张翔宇兰凌波(成都市计量检定测试院;成都市市场监督管理局计量处)摘要:本文采用有限元分析方法对成都市计量检定测试院的医药冷库建立了物理模型,研究了不同制冷风机风速对冷库内气流组织分布和温度场的影响,并通过实验测量数据验证仿真结果的准确性。实验证明:当制冷风机风速为 ,时,冷库内的气流组织分布相似,其流场速度分布会随风速增大而增大,且在一定风速范围内,制冷效果明显增强。关键词:有限元分析;仿真计算;气流组织分布;温度场 :,:,:;引言药品是一种特殊的商品,在生产、经营全过程中,由于内外因素的作用,随时有可能出现质量问题,因此,应采取
2、严格的管理控制措施,从根本上保证药品质量。根据 药品经营质量管理规范、,为提高冷链药品质量安全,需采用合适的技术手段对药品冷库内的温度场分布进行预测和优化。传统的实验方法虽然数据准确,但时间较长、成本较高,无法得到整个冷库的气流组织和温度场分布情况,且测试的结果只适用特定情况下的药品冷库系统,具有一定的局限性。计算流体力学()是基于计算机技术的一种数值计算工具,用于求解各种流体的流动和换热问题,其中有限元分析法()是一种数值求解方法。相对于传统的实验方法,它可根据要求,灵活改变模型和条件,既简单方便,又可节约大量的实验时间和成本。据研究报道,制冷风机的风速、风向、制冷风机的位置等因素均会影响冷
3、库温度均匀性,通过对药品冷库内气流组织和温度场的数值模拟,可优化降低温度不均匀性,提高制冷系统的效率,避免冷库建成后修改及使用不合理造成的成本增加,具有理论和现实意义。本文利用有限元分析方法,对医药冷库内的气流组织分布和温度场进行分析,设计不同制冷风机风速,分析不同情况下冷库内部的气流组织分布情况与温度场变化,找出最适宜的风速条件,为医药冷 计量与测试技术 年第 卷第 期库的设计和使用提供参考。实验测量 医药冷库实体简介本文研究对象为成都市计量检定测试院建的医药冷库,冷库为长方体,内部尺寸()(长 宽 高),门尺寸()(宽 高),厚 ,库体采用 厚双面彩钢聚氨酯保温板,制冷风机外部尺寸()(长
4、 宽 高),吊顶安装,出风口尺寸 ,回风口尺寸()(长 宽),回风口与壁面距离 。实验测量仪器()无线温湿度记录仪采用 型无线温湿度记录仪测量冷库温度数据,仪器测量范围(),测量不确定度 ,无线温湿度记录仪经法定计量机构校准。()风速仪采用 型风速仪测量冷库风速数据,仪器测量范围(),测量不确定度(),风速仪经法定计量机构校准。测量方法冷库内温度测点的布置方式为均匀布点,温度测点分为、下、中上三层,距离地面高度分别为 、和 ,三层温度测点的水平相对位置一样,在水平面上的位置参数如图 所示。?图 温度测点水平布置图()按该方法测量冷库出风速度为 ,温度控制范围为()时的温度数据,验证了仿真计算模
5、型在三维稳态冷库仿真中的准确性。有限元分析方法 物理模型对 中医药冷库实体进行简化,建立冷库的物理模型,如图 所示。?图 物理模型 模型假设由于采用制冷风机强制空气循环,流场雷诺数约为 (数量级),冷库内的流态属于有限大空间湍流流动换热。因此,为了模型能更好的收敛和仿真计算结果的准确性,进行以下假设:()冷库内空气不可压缩,且符合 假设;()库门封闭良好,与外界空气不发生质交换;()库内远离壁面处的气流场为湍流;()库外环境温度恒定 ;()不考虑库内湿度变化。本文采用 模型并联立流体连续性方程、动量方程、能量方程得到数学模型,并根据实际条件确定相关系数和初始值,用 算法求解速度场、温度场。边界
6、条件与初始条件制冷风机出风口的入口风速分别为 、,对于稳态数值仿真,入口温度定值 ,所有域的初始温度 ,冷风机回风口为开放边界条件。()冷库的壁面为第三类热边界条件,保温材料的导热系数 (),且壁面光滑,无滑移,垂直壁面与环境间的对流换热系数为竖直壁面的自然对流;顶部壁面与环境间的对流换热系数为水平板上侧的自然对流,由内部程序自动计算对流换热系数。()地面为第二类热边界条件,热流密度 。()气流入口和出口的湍流条件默认为指定湍流长度和强度。陈玲玲等:基于有限元分析的医药冷库温度场仿真研究 计算结果及分析本文对不同制冷风机风速下的气流组织分布和温度场进行仿真研究。仿真结果可为医药冷库日常使用中的
7、制冷风机风速设置及节能降耗提供理论指导。库内气流组织分布特性不同制冷风机风速会影响冷库内的气流组织分布及冷量分配,进而影响储存药品的品质及冷库耗电量,因此对不同制冷风机风速的气流组织分布的仿真研究具有重要意义。不同制冷风机风速下医药冷库内部气流组织分布情况如图 所示。?图 速度流线图由图可知,在不同制冷风机风速情况下,冷库内的流场具有相似性。气流从制冷风机出来后,紧靠冷库顶面沿主流方向向前流动,但由于空气粘滞力的作用,气流速度沿流动方向会逐渐降低。当气流到达对侧冷库壁面时,多数气流会沿壁面向下流动,再沿底面回流至制冷风机回风口,且分布整体呈回字形;而部分气流通过两侧斜向下流动,与主流气流相遇形
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