CFD程序效率案例研究：在食品运输车冷藏室中进行数值模拟的能力外文翻译资料

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CFD程序效率案例研究：在食品运输车冷藏室中进行数值模拟的能力

佩德罗·迪尼斯·加斯帕尔，R.A.皮塔马

贝拉地区大学，鲁阿丰特-杜拉梅罗–伊迪菲西奥1号，6201-001科维良

瓜尔达理工学院，弗朗西斯科·萨卡内罗博士，n.50，6300-559瓜尔达

摘要：本文的目的是描述先进计算机软件包（CFD）对一般制冷工程问题进行数值模拟的能力。以易腐食品运输车冷藏室为例，研究了具有热浮力效应和温度分布的三维紊流流场模型。用PHOENICS、FLUENT和CFX三个商业程序和一个学术程序进行了数值计算，并与实验数据进行了比较。分析了数值结果的有效性，讨论了各代码的建模能力、使用简便性和用户界面。

关键词：计算流体力学、PHOENICS、FLUENT、CFX

制冷类别：建模技术

1.介绍

以渐进的方式介绍工程领域中各种各样的研究已经开始支持项目，通过计算流体动力学（CFD）代码获得的数值预测。然而，这些数值预测与物理模型定义的某些不确定性结果相关，和/或与用于模拟物理现象的数学和数值模型的规范和简化相关。尽管复杂模拟模型的开发可能是劳动密集型的，并且需要大量的计算工作，并且在建立可靠性和准确性之前对计算结果的信任度不合适，但CFD商业代码在几何创建方面取得的重大进展，CAD/CAE软件包与CFD程序之间的数据传输，网格工具的改进，以及对特定物理现象的数值稳健性和验证良好的物理模型的提高，使得它们在设计阶段成为理想。通用程序的推广使CFD在许多实际工程中得到了应用。这些代码在数学建模、数值技术和结果表示方面更为用户友好，是比较和评估其潜力所必需的。因此，本工作的范围是评估三种最广泛使用的CFD商业代码（PHOENICS、FLUENT和CFX）的效率。将数值计算结果与理论计算结果进行了比较，并将不同的数值计算结果与由量纲分析和相似性建立的简化物理模型的实验结果进行了比较。以食品运输车冷藏室内的非等温湍流为例进行了分析。

• 1. CFD在制冷领域的应用

制冷领域已经开展了一些数值研究，以评估气流和传热，为本研究提供参考。文[1]综述了CFD在食品加工行业中的应用，包括干燥、杀菌、制冷和混合。本文还对食品加工业中常用的一些商业代码进行了总结和描述。文[2]介绍了用有限差分法、有限元法和有限体积法（这是CFD分析的基础公式）建立的描述食品工业加热/冷却过程的模型。在制冷过程中，[3-4]利用PHOENICS程序分别建立了封闭式冷藏陈列柜和装有产品箱的冷藏室的计算模型。这些数值研究的目的是为了改进性能。同样，在[5–7]中，我们介绍了如何使用FLUENT代码来模拟制冷设备。具体来说，研究的目标是通过减少环境空气的夹带来改善能源性能。此外，通过评估冷冻室和冷藏室内的空气循环，保持所需的温度分布，防止蒸发器区域结冰，优化了冰箱和冷冻室的新型无霜范围。此外，CFX代码也被用于预测制冷领域的现象，如[8–9]所示。这些计算模型分别有助于半封闭区域制冷陈列柜的设计和狭缝射流冲击冷却的模拟。CFD在制冷领域的应用越来越多，它利用了其它商业CFD程序（如[10-11]），并由作者自行开发了CFD程序（如[12-13]）。本文得到了文献[13]对冷藏运输舱内冷空气循环的评价研究的支持。在这项研究中，发展了两种方法，一种是实验法，另一种是计算法（CLIMA 3D程序），用于模拟包括自然对流和强迫对流在内的冷藏室内的非等温湍流流动。本文是文献[14-15]工作的一个扩展，因为在这些研究中只对强迫对流情况下的数值预测和CFD程序效率的评估进行了比较。本文的研究目的与上述相同，但对于食品仓采用共晶板自然对流制冷的情况，得到了数值预测。

2.实验模型

实验验证了用CLIMA三维程序开发的初始计算模型。在[13]开展的这些实验和数值研究的支持下，为评估商业规范特性和数值结果而开展的案例研究包括利用共晶板通过自然对流制冷的食品卡车室。简化的物理实验室模型是通过量纲分析和相似性开发的（图1）。

图1-物理简化模型。

应用白金汉pi;方法，通过量纲分析，得到简化物理模型与原型的相似性。最相关变量的标度因子：长度；时间和温度分别为2,5；2,5和1,0。该实验（简化）模型由一个1,52times;0,66times;0,76m3的盒子和6mm厚的有机玻璃墙组成。整个模型用100毫米厚的聚苯乙烯泡沫塑料绝缘。使用探针定位系统在几个空间位置进行温度和速度测量。空气温度的测量是通过使用热电偶（T型，200微米线径）的数据采集系统完成的。用热线风速计测量空气速度量级，实验装置的完整描述见[13]。

3.数学模型

描述冷藏食品仓内气流和传热分布的数学方程均基于质量、动量和热能守恒的三维方程（如[13]）。这些不可压缩流体平均流动的控制方程可以用方程1中关于因变量phi;（连续性方程为1，动量和能量方程分别为u、v、w和T）的一般形式来表示。

在这个方程中，uj表示每个笛卡尔方向上的平均速度，Gamma;phi;表示扩散系数，Sphi;是一般的源项。采用Buossinesq近似来考虑区域内的浮力驱动流。这个力在动量方程中被当作一个源项。空气被认为是一种理想气体，其中状态方程关系到物质在平衡气相状态下的性质。虽然流动以自然对流为主，但采用标准的双方程k-ε湍流模型来封闭方程组。该湍流模型基于涡密度/涡扩散系数的概念，涉及两个附加的湍流动能（k）及其耗散率（ε）偏微分方程的求解。[16]对此模型进行了详细分析。由于壁面的阻尼效应，湍流量的输运方程在壁面附近不适用。因此，另一种方法是通过代数关系、所谓的动量和热流的对数律或壁函数，将粘性效应和靠近固体表面的陡峭因变量梯度联系起来，以计算平行于边界分量的速度和通过边界的热流。壁面函数和湍流模型的描述和实现细节见[17]。

所有计算代码都依赖于有限体积法来离散一般偏微分方程组（等式1）。如[18]所述，该方法的应用将方程转换为有限的数值可解代数方程组。方程在网格上的控制体积（V.C.）上的积分得到了有限差分方程。由于物理域的对称性，计算模型具有简化的几何结构，如图2所示。将四分之一的物理域离散为13times;11times;9v.C.，形成一个速度节点偏离标量节点的正交均匀交错网格。进行了网格依赖性测试，结果表明此网格和双精度网格之间的差异不显著。

图2-计算模型几何

计算模型中施加的边界条件见表1

利用商业规范建立的计算模型，对实验测量得到的平均热流值公式的壁面能量采用了一种默认的边界条件。计算模型的一个主要差异依赖于这种边界条件。在学术规范（CLIMA 3D）中，传热模型是基于Fourier定律计算壁面热流和牛顿定律计算对周围空气的对流热流。首先，根据实验结果计算了外对流换热系数。然后，假设传热是一维的，根据总传热系数和壁面附近温度值与25℃环境空气温度值之间的差值来计算，总传热系数由传导阻力和对流阻力组成。第一种是基于组成墙体的几种材料的热导率和厚度的知识。另一种是基于固定的外对流换热系数和通过壁面函数计算的内对流换热系数。因此，从本规范到商业规范，通过墙体的热流将有所不同，因为在这些规范上，通过墙体的平均热流值是固定的。这种数学传热模型方法没有在商业代码计算模型上实现，因为它将非常耗时，这是通过开发学术代码证明的。此外，该方法不适用于商业代码开发的计算模型，因为该工作的目标之一是评估它们在基于默认建模工具的情况下获得数值预测的方便性和快速性。此外，由于该方法是非可编译的，因此不能应用于程序PHOENICS中的传热建模。

在定义了边界条件后，建立了用于离散一般输运方程中所有因变量的对流项的格式。所采用的方案因表3所示的每个计算模型而异，这取决于所创建的计算模型的可用性和一致性。有关控制体积法离散化方案的详细信息，请参见[19]。

由[18]提出的通过流场方程数值积分的全局过程进行压力-速度耦合的方法也不同于表4所示的每个计算模型。

求解代数方程的迭代过程因代码而异，如表5所示。

在迭代计算过程中，采用线性松弛法减小因变量的高变差。在表6中显示了用于所有计算模型的几个标量和向量变量的线性松弛因子的值。

通过分析平均场变量的绝对残差之和进行收敛监测。迭代过程一直运行到满足规范化残差（lambda;le;5.10-3）的规定收敛准则。

4. CFD代码特性

这些计算模型是为了预测上述缩尺模型中的速度场和温度场而建立的。所有被测试的CFD代码都表明所有热流体问题都受上述守恒原理的约束。对于自编程序代码（CLIMA 3D），为求解揭示的数学模型所描述的所有数值技术都是用FORTRAN语言编程的。在接下来的几行中，将介绍并比较每个代码的一般特性。揭示（表7）测试代码的版本和获取日期有很大不同是很重要的。

每一个代码都被授权到一个硬件和软件平台：带有Windows NT操作系统的PC类型。乍一看，代码之间最显著的区别在于它的结构。这些代码由不同的互连模块（几何和网格生成器、预处理器、解算器和后处理器）构成。在表8中总结了作者个人的意见，考虑到比较潜在的商业代码。

每个代码包含[14]中详细披露的代码PHOENICS和FLUENT以及[15]中的代码FLUENT和CFX的一些特殊性。此外，在这些参考中公开了每个代码中包含的上述模块的特性的比较。此外，每个代码都可以在各自的用户手册中找到所有规范问题的详细信息。

5.结果与讨论

为了评估程序的模拟能力并验证数值结果，下面给出了空气速度量级和无量纲温度的实验结果和数值结果的比较。在图3中给出了两个平面交叉点的震级速度剖面的一个例子。

图3——速度量级剖面

实验数据与不同速度数值剖面的对比显示了相似的趋势。与实验数据更接近的数值结果是用学术程序CLIMA 3D得到的结果，用商业程序sub-or-over得到的数值速度预测预测了这种现象。

图4给出了两个平面交叉点的温度分布。

图4-无量纲温度分布

通过实验数据与温度预测结果的对比分析，CLIMA 3D程序能够更准确地预测区域内的温度分布。用商用程序得到的数值结果非常相似，但都低于预测温度。用CFX、FLUENT和PHOENICS程序计算得到的温度场数值预报偏差分别增大。这种差异肯定是由于不列颠哥伦比亚省强加在墙上的。表9给出了速度量级（E（U）=Uexp–Unum |）和无量纲温度（E（T*）=| Texp*–Tnum*|）的平均绝对误差。

一般来说，通过不同程序得到的数值剖面的计算结果与实验数据有着共同的定性一致性。用不同程序得到的数值预报的定量偏差，在某些点上相互之间以及与实验结果之间都显示出相当大的价值。这些差异是由于所创建网格的类型和细化，以及代码所使用的数学和数值模型造成的。在这种特殊情况下，主要的偏差源是由于施加在墙壁上的边界条件。综上所述，将实验数据与不同程序的数值结果进行了比较，结果表明，用CLIMA-3D程序得到了最真实的数值预报结果，而商用程序CFX、PHOENICS和FLUENT分别随程序的增加而增大精确的震级速度。另一方面，CFX程序、FLUENT程序和PHOENICS程序分别对温度场进行了精度较高的预测。因此，CFX程序以更高的精度预测了物理现象。一般来说，与CFD程序无关，数值预测显示速度比温度更符合。速度预测的一些有效性可以归因于尽管使用了代码，但开发的计算模型。由于不同的传热模拟方法，温度的数值与实验值之间的偏差对降低结果的可信度是很重要的。然而，给出的平均误差表明了数学模型的重要性。在图5-6中给出了用CFX程序得到的速度量级和温度场的预测。

图5——速度量级场。[米/秒]

图6——温度场。[开式温度]

作为本文的目标之一，比较商业代码对一个简单而常见的物理现象产生预测的能力，这些误差是没有意义的，因为如果使用所有的潜力，当然预测会更精确，但是计算模型的发展会更费时。一般来说，商用CFD程序对数学模型和数值模型使用相同的条件。尽管如此，每个代码都有不同的数学模型，这些模型取决于物理现象的类型，并且包含不同的数值技术。所有模型获得的误差应归因于网格类型（质量和精细化）、数学模型（考虑简化）和数值模型。在这种特殊的物理现象模拟中，误差本质上应归因于壁面所考虑的边界条件类型。

6.结论

本研究的主要目的是探讨学术自编程式与商业程式模拟冷藏室物理现象的差异。CLIMA 3D是专门为此开发的，它包含了一个更完整的数学模型。由于数值模拟的目的是预测运输车辆进入食品室的气流和传热，因此通过量纲分析建立了一个实验模型，以验证预测的正确性，并对物理现象有更深入的了解。同时开发了商业代码PHOENICS、FLUENT和CFX的数值模型。其目的是将这些数值预测结果与实验结果进行比较。此外，对编码进行了比较和评价。为预测一种物理现象而开发一个类似CLIMA 3D的孤立代码是复杂和耗时的，这可以证明优先使用商业代码是合理的。然而，用该程序得到的数值结果与实验数据更为接近。与现行商业规范相比，它们在结构、计算方法和使用方便性等方面都存在差异。PHOENICS代码拥有更多的数学模型和验证案例。同时，对结构化计算网格的构造也提出了更高的要求。CFX代码具有更高的后处理能力，因为它具有更高的通用性和用户程序接口的简单性。同时，随着现象复杂性的增加，具有更高的收敛速度。但是，考虑到所有的特性，代码FLUENT似乎是最平衡的。然而，这些程序得到的所有数值预测都是不可信的。如果问题的定义、描述这一现象所考虑的数学和数值模型的规格说明和可能的简化不精确，就会看到这一点。因此，用户的CFD经验仍然是保证数值预测真实性的基础和决定性因素。

参考文献

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