流体机械

闭式食品冷藏柜内送风方式的优化设计研究

张天娇 , 王渭清 , 张华 , 刘业凤 , 豆斌林 , 赵博寒

流体机械 | 设计计算 2025,53(6): 67-73

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流体机械 |设计计算 2025 , 53 (6) : 67 -73

闭式食品冷藏柜内送风方式的优化设计研究

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张天娇（1993），女，博士，讲师，主要从事制冷与低碳热泵技术研究工作，通信地址：200093上海市杨浦区军工路516号上海理工大学能源与动力工程学院，E-mail：zhangtj@usst.edu.cn。

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张天娇, 王渭清, 张华, 刘业凤, 豆斌林, 赵博寒

作者信息

上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093

作者简介:

Research on optimal design of air supply mode in closed food refrigerated cabinet

Tianjiao ZHANG, Weiqing WANG, Hua ZHANG, Yefeng LIU, Binlin DOU, Bohan ZHAO

Affiliations

School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China

出版时间: 2025-06-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.06.009

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摘要

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针对食品冷藏柜中普遍存在的温度分布不均问题，采用孔板对搁架进行结构改造，以优化冷藏柜内部的气流组织。采用CFD方法建立了闭式食品冷藏柜的数学及物理模型，并对冷藏柜的温度分布展开了模拟研究，通过与试验数据进行对比，验证了模型的可靠性。在此基础上，进一步分析孔板的不同孔径（10，20，30 mm）和开孔率（6%，9%，12%）对冷藏柜内部温度场的影响。结果表明，当搁架孔径为30 mm、开孔率为9%时，冷藏柜内部温度场的均匀性最佳，食品冷藏效果最为理想；与未开孔的原始模型相比，开孔后的搁架能够促进层间的空气流动和热量交换，显著提高了冷藏柜内部温度场的均匀性。研究结果为冷藏设备的设计和优化提供了重要的理论依据和参考。

关键词

食品冷藏柜 / 送风方式 / 孔径 / 开孔率 / 温度场

Abstract

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Aiming at the common problem of nonuniformity of the temperature field within refrigerated cabinet，perforated plates were used to structurally modify the shelf to optimize the air flow organization inside the refrigerators.The mathematical and physical models of the closed food refrigerated cabinet were established using the method of CFD，and the temperature distribution of the refrigeration cabinet was simulated and studied.By comparing with the experimental data，the reliability of the model was verified.On this basis，the effect of different pore diameters（10，20，30 mm） and porosity rates（6%，9%，12%） were analyzed on the temperature field in the refrigerator.The results show that when the pore diameter is 30 mm and the porosity rate is 9%，the uniformity of the temperature field in the refrigerator is optimal.The food preservation performance is also ideal.Compared with the shelf without pore，the shelf with holes can promote air flow and heat exchange between different layers，significantly improving the uniformity of the temperature field inside the refrigerated cabinet.The research provides important theoretical basis and reference for the design and optimization of refrigeration equipment.

Key words

food refrigerated cabinet / air supply mode / pore diameter / porosity rate / temperature field

引用本文

张天娇, 王渭清, 张华, 刘业凤, 豆斌林, 赵博寒. 闭式食品冷藏柜内送风方式的优化设计研究. 流体机械, 2025 , 53 (6) : 67 -73 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.06.009

Tianjiao ZHANG, Weiqing WANG, Hua ZHANG, Yefeng LIU, Binlin DOU, Bohan ZHAO. Research on optimal design of air supply mode in closed food refrigerated cabinet[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (6) : 67 -73 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.06.009

正文

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0　引言

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温度均匀性是评价冷藏柜冷藏效果的重要指标，直接影响柜内食品的新鲜度和品质^［1］。然而，由于内部送风方式的不合理，冷藏柜内部普遍存在温度分布不均的问题，不仅削弱了冷藏柜的保鲜效果，更对食品的品质与安全构成了直接威胁。因此，通过优化冷藏柜的结构设计，进而改善柜内温度分布的均匀性，对于提高冷藏柜的保鲜能力尤为重要^［2-3］。

针对冷藏柜内温度均匀性问题，国内外学者进行了大量试验和模拟研究。张敏等^［4］以陈列冷藏柜作为研究对象，发现后送风前回风方式相比前送风前回风方式，解决了陈列柜内上层搁架空间温度升高的问题，使陈列柜内的整体温度均匀性提高，且陈列柜上下层温差减小，仅为1.4 ℃，提高陈列柜的冷藏效果。徐冠衣^［5］对轴流风机的挡板角度进行了研究，发现当挡板角度为30°时，冷藏柜内部气流组织相对合理，高温区域面积相对较小，热环境性能最为理想。白连社等^［6］使用CFD软件对冰箱冷藏柜进行建模仿真，对冰箱冷藏柜的风道系统、风口位置及内部结构做出优化改进，这些改进很大程度上提高了冰箱冷藏柜内部温度分布均匀性，有助于冰箱冷藏柜食物贮存及冰箱能耗的降低。邸倩倩等^［7］研究发现冷藏柜保温盖的启闭状态对柜内温度场具有明显影响，保温盖开启时柜内顶层食品温度较高，而闭合状态可以使冷藏柜内温度稳定在-1.5 ℃左右。WU等^［8］发现通过改变空气通道和安装额外的蜂窝整流器，可以减少冰箱内部的热负荷，使每个搁架都可以满足食物的存放温度。SUN等^［9-10］发现在搁架上安装导风条可以有效降低柜内食品温度，提高冷柜内温度分布的均匀性。XIA等^［11］对开放式冷藏柜搁架作了开孔处理，并通过研究确定了开放式冷藏柜搁架的最佳孔径比为25%，相对于无开孔设计的搁架，冷柜内最高温度由10.9 ℃降至6.5 ℃，温差由7.4 ℃降至5.4 ℃，冷藏柜内的温度分布明显改善。

综上所述，国内外学者从多个方面去优化冷藏柜的结构设计，如调整送回风方式、改善风道系统、添加相变材料、安装辅助部件等，多侧重于开放式食品冷藏柜，而对于结构设计过程中对放置食品的搁架的优化研究尚不充分，通过结构优化温度场均匀性仍有改善空间。实际情况下，搁架对冷藏柜内气流组织具有明显影响，采用孔板代替原有搁架是一种理想的优化设计方法。但由于搁架面积较大，孔板的开孔方式直接影响冷藏柜上部区域的气流组织进入中下层区域的流量，进而决定了冷藏柜内部气流组织的分布和温度场的均匀性。

本研究以商用闭式冷藏柜为研究对象，采用孔板对柜内气流组织和温度场进行优化，采用CFD数值模拟与试验验证相结合的方法，综合对比分析以得到最优的孔板结构设计方案。

1　模型的建立

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1.1　物理模型

以某型号食品冷藏柜为研究对象，如图1所示，内部几何尺寸为830 mm×830 mm×620 mm，壁厚为20 mm。在高度方向，冷藏柜分为上、中、下三层，每层间隔200 mm。该食品冷藏柜采用下送风下回风方式，送、回风口均位于冷柜下层，尺寸为760 mm×50 mm。气流由送风口进入冷藏柜内部，通过叶栅控制送风角度，使空气向上流动，与内部进行热量交换后从对侧回风口流出，完成一次循环过程。

目前，比较常见的孔板开孔方式为集中式开孔和均匀开孔。集中式开孔指的是在搁架的特定局部区域内集中的开孔，而其他区域则保持不变。该方法常用于一些拥有特殊内部结构的冷柜。相比较而言，均匀开孔是在孔板表面均匀地分布孔洞，开孔直径和孔间距保持一致。均匀分布的孔洞有助于介质之间的热量交换，提高换热效率，同时为流体提供稳定的流动路径，减少流动阻力，提高温度场均匀性。综合考虑，本研究采用叉排圆形孔的均匀开孔方式。

1.2　数学模型

为了简化计算，本研究对上述物理模型做出如下假设：（1）冷藏柜内部空间与外界没有能量和质量交换；（2）冷藏柜内部换热为稳态换热过程；（3）冷藏柜内空气流动传热过程符合Boussinesq假设^［12］，即忽略流体的黏性耗散；（4）冷藏柜内空气属于不可压缩流体，其密度为常数；（5）空气在内壁面上的流动为无滑移边界条件。根据以上假设，冷藏柜内部流场计算选用稳定性较好的标准

k - ε

模型^［13］，描述该模型的控制方程式如下。

连续性方程：

d i v (U) = 0

（1）

动量方程：

∂ u ∂ t + d i v u U = d i v ν g r a d u - ∂ p ∂ x

（2）

∂ v ∂ t + d i v v U = d i v ν g r a d v - ∂ p ∂ y

（3）

∂ w ∂ t + d i v w U = d i v ν g r a d w - ∂ p ∂ z

（4）

能量方程：

∂ T ∂ t + d i v U T = d i v λ ρ c p g r a d T

（5）

标准

k - ε

方程：

∂ ∂ t ρ k + ∂ ∂ x i ρ k u i = ∂ ∂ x j μ + μ t σ k ∂ k ∂ x j [+ G k + G b - ρ ε - Y M + S k]

（6）

∂ ∂ t ρ ε + ∂ ∂ x i ρ ε u i = ∂ ∂ x j μ + μ t σ ε ∂ ε ∂ x j + C 1 ε ε k G k + C 3 ε G b - C 2 ε ρ ε 2 k + S ε

（7）

式中，U为流体速度；u，v，w分别为x，y，z方向的速度分量；p为流体静压；ρ为流体密度；μ为动力黏度；μ_t为湍流黏度；

σ k

，

σ ε

分别为k和ε对应的普朗特数；

G k

为平均速度梯度产生的湍流动能；

G b

为浮力产生的湍流动能；

Y M

为可压流体中脉动扩张值；

C 1 ε

，

C 2 ε

，

C 3 ε

为常数。本研究中取值如下：C_1ε=1.42，C_2ε=1.68，C_3ε=1；S_k和S_ε为用户自定义源相，本研究中均取值为0。

2　网格划分与求解

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采用非结构六面体网格对模型进行划分，并在近壁面处对网格进行加密处理。模型中，气流入口采用速度入口边界条件。气流出口采用压力出口边界条件，压力设定0 Pa。壁面采用无滑移壁面边界条件，表示流体粘附在壁面上，且与壁面无渗透和滑移现象发生，同时壁面采用第三类边界条件，壁面温度设置为28 ℃，与环境温度相同，传热系数根据各壁面材料选取。离散求解中，压力和速度耦合采用压力隐式计算格式（PISO），动量方程对流项采用二阶迎风离散格式，采用PRESTO！格式对界面压力进行插值。计算过程为稳态过程，操作压力为标准大气压。

为了保证模拟结果的可靠性，需要进行网格无关性验证。本研究选择11种网格模型进行数值计算，网格数量从18.9万依次增大到118.9万。模型中设置监测点，通过分析监测点压力的变化来考查网格的无关性。模拟结果如图2所示，当网格数量低于27.1万时，压力随网格数的增加变化较为明显；当网格数量大于27.1万时，压力逐渐趋于平稳，表明继续加密网格对数值模拟影响不大。综合考虑求解精度和计算耗时等因素，选取总网格数为27.1万的网格划分方法。

3　模型可靠性验证

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为了验证模型的可靠性，对冷藏柜内部的温度场进行试验测试。图3为冷藏柜实物，为了便于观察内部的温度场变化，每一层沿对角线设置3个温度传感器，分别位于柜体的前、中、后部，用于与模拟结果进行对比分析，冷藏柜内部监测点布置如图4所示。本试验涉及的主要仪器有热电偶、手持式风速仪和数据采集器等。其中，热电偶的测量精度为±0.75%，风速仪的测量精度为±3%，数据采集器的采集精度为0.05%。所有温度数据均为热电偶直接测量获得，误差即为热电偶的实际测量误差。将冷藏柜置于焓差室中进行试验，使其始终处于恒温恒湿的环境。试验时，冷藏柜内部温度设置为28 ℃，送风速度3 m/s；同时，焓差室内环境温度设置为28 ℃，湿度60%，风速0.3 m/s，以减少环境对试验结果的影响。

为了定量分析冷藏柜内部温度场，在模型的中心平面（即xz平面上）设置9个温度监测点，这9个点在平面上均匀分布，且相邻点之间的距离相等，以便准确地反映整个温度场的温度分布情况，监测点的位置如图5所示。

试验结果如图6所示，各测点模拟值与试验值的变化趋势相近，二者最大误差为18.3%，且仅有两个监测点的误差超过10%。总体而言，数值模拟与试验吻合较好，说明该模型可以较好地反映冷藏柜内部的温度场，可用于后续的模拟分析。

4　模拟结果分析

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本研究利用温度标准差对冷藏柜温度场的均匀性进行评估，公式如下：

σ T = 1 N ∑ i = 1 N T i - T m 2

（8）

式中，σ_T为温度值的标准差，℃；N为所采集数据的数量；T_i为测得温度，℃；T_m为温度的平均值，℃。

温度标准差可以较好反映截面温度场的离散程度，数值越小说明温度场均匀性越好；反之，温度场均匀性越差。

4.1　孔径对冷藏柜内部温度场的影响

孔径的大小对冷藏柜内部的气流组织有明显影响。孔径过小，则冷藏柜上层区域的气流无法很好流向中下层，出现部分区域温度过高或过低的情况，使冷柜内部温度分布不均匀；而孔径过大虽然可以促进冷柜内部气流流动，但需要考虑放置食品的尺寸，避免出现孔径与食品尺寸不适配的问题。根据实际经验，在孔板开孔率为12%的条件下，将开孔直径分别设置为10，20，30 mm。为了更详细地对比不同孔径下温度场的差异，图7示出了xz平面的温度分布云图。在xz平面上，两侧流体区域温度较中间偏高，这与送风口尺寸和冷藏柜内部结构有一定关系。从图可见，孔径为30 mm的冷藏柜整体温度均匀性较好，这是由于气流是通过沉降的方式从冷藏柜上层区域流入中下层区域，当隔板相同开孔率时，孔径越大，上层气流进入中下层的阻力越小，使冷藏柜温度场更加均匀。

图8示出了不同孔径下xz平面各监测点的温度。

从监测点数据来看，搁架孔径为10 mm的冷藏柜监测点平均温度为1.06 ℃，最大温差为8.08 ℃，标准差为1.50 ℃；搁架孔径为20 mm的冷藏柜监测点平均温度为1.20 ℃，最大温差为8.05 ℃，标准差为1.44 ℃；搁架孔径为30 mm的冷藏柜监测点平均温度为0.39 ℃，最大温差为5.99 ℃，标准差为1.34 ℃。因此，在开孔率为12％时，搁架开孔直径为30 mm下，冷藏柜温度场均匀性较好。

4.2　开孔率对冷藏柜内部温度场的影响

孔板的开孔率是指开孔面积与孔板面积之比。通过对孔板开孔率的优化，使冷藏柜气流组织分布更加的均匀，提高温度场的均匀性。开孔率较小，优化冷柜内部温度场的作用较差，而较大的开孔率会降低支撑食品的能力。在孔板开孔率分析中，开孔直径选择30 mm。在CFD数值模拟过程中将孔板开孔率分别设置为6%，9%，12%三组，通过对比三个方向截面的温度云图，得到最优孔板开孔率参数。

图9示出了在30 mm的搁架开孔直径情况下，搁架开孔率分别为6%，9%，12%时，冷藏柜内部xz平面温度分布云图。由图可知，不同开孔率下的温度云图基本相近，说明增大开孔率对于冷藏柜内部气流组织流动性没有较大提升，但开孔率增加会增大气流组织从上层区域进入中下层的阻力，降低空气的流动效率，未能显著改变柜内温度场的均匀性。

图10示出了xz平面截面各监测点温度折线图。

3组温度折线趋势相同。从监测点数据来看，孔板开孔率为6%的冷藏柜监测点整体平均温度为0.44 ℃，最大温差为7.82 ℃，温度标准差为1.82 ℃；孔板开孔率为9%的冷藏柜监测点整体平均温度0.29 ℃，最大温差为5.96 ℃，温度标准差为1.50 ℃；孔板开孔率为12%的冷藏柜监测点整体平均温度为0.39 ℃，最大温差为5.99 ℃，温度标准差为1.79 ℃。三者对比而言，孔板开孔率为9%的冷藏柜平均温度在合理区间，最大温差和温度标准差较小，可见整体的温度场均匀性较好，冷藏效果较好。

4.3　优化效果分析

图11为未做开孔处理的原始模型与孔径为30 mm、开孔率为9%的开孔模型的xz平面温度分布云图。从图中可以看出，当搁架未开孔时，冷柜内部温度场不均匀。因为搁架的存在，阻碍上层区域温度较低的气流组织进入中下层区域，使冷藏柜内部空气换热不充分，中下层区域的温度场整体要比上层区域高2~4 ℃。相比而言，搁架开孔后，可以促进不同层之间的空气流动和热量交换，可显著提升冷藏柜内部温度场均匀性。

图12示出了搁架开孔与未开孔2种情况下，xz平面监测点的温度折线图。

如图所示，2条温度折线趋势大致相同，但搁架未开孔时冷藏柜监测点整体平均温度为-0.63 ℃，最大温差为4.71 ℃，温度标准差为1.90 ℃；搁架开孔时冷藏柜监测点整体平均温度为0.42 ℃，最大温差为3.90 ℃，温度标准差为1.29 ℃。通过对比发现，搁架开孔后冷藏柜内的最大温差和温度标准差均有明显的下降，其中，最大温差降低了17%，温度标准差降低了32%，说明搁架开孔方式对冷藏柜内部温度场的均匀性具有明显的改善作用。

5　结论

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（1）在搁架开孔率相同情况下，开孔直径越大，上层气流组织进入中下层的阻力越小，使整体冷柜温度场更加均匀。在对比分析后得出在搁架开孔直径为30 mm时，柜内温度场均匀性较好。

（2）搁架开孔率对冷藏柜温度场的影响较小，通过综合对比分析，得出开孔率为9%时，孔板结构设计更为合理。

（3）与未做开孔处理的原始搁架相比，搁架开孔后可以促进不同层之间的空气流动和热量交换，显著提升冷藏柜内部温度场的均匀性。

参考文献

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文献

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2025年第53卷第6期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.06.009

接收时间：2024-10-16
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-06-30

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收稿日期：2024-10-16
修回日期：2025-03-05

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上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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