摘要：該文應用計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）技術(shù)，建立數(shù)學模型求解牛胴體預冷庫中的溫度場，模擬研究牛胴體預冷過程中溫度的時空分布。結(jié)果表明，牛胴體上部分比下部分降溫快，正對冷風機的牛胴體降溫速率明顯高于非正對冷風機的牛胴體；每個胴體平均溫度都低于7℃，時間為44h，胴體中心最高溫度低于7℃，需預冷72h左右；牛胴體溫度離散系數(shù)呈上凸曲線變化，峰值為0.5，且前兩排牛胴體溫度離散系數(shù)比后兩排先18h達到峰值。模擬結(jié)果可為合理掌控預冷時間減少能源消耗、提升預冷效果改善牛肉品質(zhì)提供參考，同時也為不同預冷需求的預冷庫結(jié)構(gòu)優(yōu)化、預冷設(shè)備合理分布提供理論參考與借鑒。
 

　　關(guān)鍵詞：計算流體動力學；預冷；牛胴體；溫度場；牛肉品質(zhì)
 

　　我國是牛肉生產(chǎn)和消費大國，2019年我國牛肉產(chǎn)量僅次于美國、巴西和歐盟；牛肉消費量位于世界第二位，僅次于美國。隨著人們生活水平的提高，牛肉需求量越來越大的同時，大家對牛肉品質(zhì)要求也隨之提高。牛胴體預冷排酸對牛肉品質(zhì)有重要意義。牛被宰殺后體溫升高，胴體中心溫度可達40℃，成為滋生細菌的溫床，低溫預冷能夠很好地抑制細菌生長繁殖，保持牛肉品質(zhì)。另外，牛在宰殺的時候，因為恐懼等因素，導致肉質(zhì)堅硬，干躁，缺少彈性，且肌肉中的糖元無氧酵解產(chǎn)生乳酸，不僅影響牛肉品質(zhì)，還不利于人體健康。低溫預冷排酸，可將乳酸分解成二氧化碳、水和酒精然后揮發(fā)。由于低溫預冷排酸經(jīng)歷了較為充分的解僵、成熟過程，不僅肉質(zhì)柔軟有彈性、味道鮮美，而且安全營養(yǎng)。因此，牛宰后胴體預冷排酸是生產(chǎn)高品質(zhì)牛肉的第一個環(huán)節(jié)也是必要環(huán)節(jié)，通過預冷改善牛肉品質(zhì)成為研究熱點。
 

　　然而，國內(nèi)預冷庫大多是根據(jù)經(jīng)驗來設(shè)計，導致預冷階段牛胴體溫度分布不均勻，浪費能源的同時還影響牛肉品質(zhì)。利用數(shù)值模擬技術(shù)研究牛肉胴體預冷庫溫度時空分布，使溫度場在預冷庫中分布更加均勻，對改善牛肉品質(zhì)具有重要意義。計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）是基于計算機技術(shù)的一種數(shù)值計算工具，用于求解流體的流動和換熱問題。CFD技術(shù)被國內(nèi)外研究者廣泛應用于研究低溫冷卻過程中的溫度場分布。
 

　　文獻分別模擬了蘋果、番茄、藍莓、莖狀蔬菜等冷卻時的溫度變化情況，為改善果蔬冷卻效果提供了參考。劉澤勤等以壓差原理的果蔬倉庫為研究對象，對穩(wěn)態(tài)下的庫內(nèi)溫度分布情況進行模擬仿真，討論了果蔬間距的改變對庫內(nèi)果蔬溫濕度的影響。趙春江等建立了求解短距離運輸?shù)睦洳剀囓噹麅?nèi)溫度場分布的計算模型，模擬分析了不同邊界條件和貨物不同堆棧方式對車廂內(nèi)溫度場分布的影響。趙時等建立了冷藏車廂的仿真模型，利用CFD技術(shù)研究梯級送風對空倉時冷藏車廂內(nèi)溫度場的影響。國內(nèi)雖然針對果蔬包裝箱、冷藏車、冷庫中溫度場的研究比較多，但目前利用CFD技術(shù)對牛胴體預冷庫研究的很少。而國外對于牛胴體預冷庫研究大多是一次預冷一個或幾個牛胴體，并沒有研究實際上的一次預冷幾十上百個胴體，無法體現(xiàn)預冷時溫度場的均勻性，在提高牛胴體預冷效果方面缺少實用價值。為此，本文以吊掛有76個牛胴體二分體的實際預冷庫為研究對象，利用CFD技術(shù)進行模擬計算，分析不同預冷時間不同位置的溫度分布，對比不同時間不同位置的降溫快慢、冷卻均勻性，客觀評價預冷效果。
 

　　1 材料與方法

　　1.1 物理模型

　　預冷庫物理模型根據(jù)實地測量北京某畜牧有限公司牛肉胴體預冷庫得出。牛胴體二分體模型參考實際尺寸并做適當簡化，應用3dmax進行三維建模繪制。預冷庫空間尺寸（長×寬×高）為1.6m×5.25m×3.8m，4個冷風機空間尺寸（長×寬×高）都為1.6m×0.6m×0.65m，風機距天花板0.35m，距墻壁0.6m。預冷庫進風口為圓形，位于冷風機前部，直徑0.5m，風速6m/s，溫度－5℃。預冷庫出風口為圓形，位于冷風機背面，直徑0.5m。本次模擬實驗一次性預冷76個二分體。4根吊掛軌道，每根吊軌吊掛19個二分體。吊軌間距1m，相鄰吊鉤間距0.8m。牛胴體二分體長2.3m、寬0.75m、厚0.35m。預冷庫三維圖（省略了吊掛牛胴體的吊鉤）及牛胴體二分體模型如圖1所示。

圖1 預冷庫結(jié)構(gòu)示意圖

　　1.2 網(wǎng)格劃分

　　本文采用軟件ICEM CFD 15.0進行網(wǎng)格劃分，整個預冷庫及內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分。全局網(wǎng)格最大尺寸不超過0.2m，壁面及牛胴體最大網(wǎng)格尺寸不超過0.1m。網(wǎng)格數(shù)量為1 621 719個單元，劃分結(jié)果如圖2所示。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如果質(zhì)量太差，在Fluent軟件計算過程中容易導致計算發(fā)散或者收斂困難。網(wǎng)格質(zhì)量正交性指標分布從0到1，越接近0網(wǎng)格質(zhì)量越差。利用mesh quality對網(wǎng)格的正交性進行質(zhì)量檢測，結(jié)果表明網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.35，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.77，表示網(wǎng)格質(zhì)量良好。

a-預冷庫整體網(wǎng)絡(luò)；b-牛胴體網(wǎng)絡(luò)

圖2 網(wǎng)格劃分

　　1.3 數(shù)學模型

　　建立數(shù)學模型求解牛胴體二分體預冷過程的溫度場分布情況時，為了達到預期效果的同時盡量減少計算時間，研究對實際模型進行簡化，做出如下假設(shè)：空氣為不可壓縮氣體且符合Boussinesq假設(shè)；預冷庫內(nèi)管道、鐵架等對流場的影響忽略不計；冷風機內(nèi)部溫度場變化對整個預冷庫內(nèi)溫度場無影響；忽略墻壁與外界的熱交換；全部牛二分體胴體是同時進入預冷庫的；牛胴體的物理參數(shù)不隨溫度的變化而改變，忽略牛胴體預冷時的重量損失。

　　預冷庫中空氣、牛胴體的具體熱物理性能參數(shù)如表1所示。

 

　　圖5顯示的是不同時間下胴體表面的溫度分布云圖，可以看出，正對風機的牛胴體，降溫速率明顯高于非正對風機的牛胴體。在條件允許范圍內(nèi)，建議定時改變風機吹風方向，或者定時調(diào)換正對風機與非正對風機牛胴體的位置，使牛胴體冷卻更均勻。

　　2.2 預冷時間

　　依據(jù)《牛羊屠宰與分割車間設(shè)計規(guī)范》（GB 51225-2017），牛胴體冷卻后中心溫度不應高于7℃。所以當胴體中心平均溫度達到7℃時，胴體基本達到預期預冷溫度，所用時間為預冷時間。圖6是所有牛胴體表面和胴體內(nèi)部平均溫度隨預冷時間變化的曲線。由圖6可知，所有胴體表面平均溫度達到7℃需要18h。所有胴體內(nèi)部平均溫度達到7℃，需要40h。通過2.1節(jié)圖3的溫度云圖可知，要使胴體中心最高溫度低于7℃，則需要72h左右。

 

　　圖7是預冷庫中平均溫度低于7℃的牛胴體個數(shù)隨預冷時間增長而增加的曲線。從圖7可看出，預冷28h后開始有1個胴體平均溫度低于7℃，從30h到44h，平均溫度低于7℃胴體個數(shù)呈線性增長趨勢。38h后超過一半胴體平均溫度低于7℃，這是通常所說的二分之一預冷時間。42h后有超過八分之七的胴體平均溫度低于7℃，這是通常所說的八分之七預冷時間。44h后每個胴體平均溫度都低于7℃。因為28h后陸續(xù)有胴體平均溫度低于7℃，建議在28h后，將先預冷好的牛胴體陸續(xù)移出預冷庫進行下一步加工處理。
 

　　2.3 冷卻均勻性

　　溫度離散系數(shù)用來評估冷卻均勻性，溫度離散系數(shù)越大，冷庫內(nèi)牛胴體溫度數(shù)據(jù)離散程度越大，溫度分布越不均勻；反之，溫度離散系數(shù)越小，冷庫內(nèi)牛胴體溫度數(shù)據(jù)離散程度越小，溫度分布越均勻。采用熱力學溫度計算溫度離散系數(shù)，計算如公式（1）所示：

　　式中：Cv為溫度離散系數(shù)，%；n為牛胴體數(shù)量；Tave為n個牛胴體的平均溫度；Ti為牛胴體i的平均溫度。
 

　　以離冷風機由近到遠分成第1排、第2排、第3排、第4排牛胴體，圖8是4排牛胴體和所有牛胴體的溫度離散系數(shù)曲線圖。從圖8可以看出，各排和整體溫度離散系數(shù)都是先升高再降低。當溫度離散系數(shù)達到峰值后，隨著冷卻時間的增加，預冷庫內(nèi)胴體間溫度差異性越來越小，溫度離散系數(shù)越來越小。整體溫度離散系數(shù)峰值為0.5，各排牛胴體溫度離散系數(shù)變化趨勢相近，但后兩排比前兩排晚18h達到峰值。前兩排在12h達到峰值，后兩排在30h分別達到峰值。這可能是因為前兩排牛胴體離冷風機近，牛胴體降溫相對快于后兩排，隨著溫度的降低，前兩排胴體間溫度差異先減小，溫度離散系數(shù)先降低。

　　3 結(jié)論

　　風機朝一個方向吹風，導致牛胴體上部分比下部分降溫快，非正對冷風機的牛胴體冷卻效果不如正對冷風機的牛胴體。在條件允許范圍內(nèi)，建議改進風機，讓風機朝不同方向發(fā)散吹風或定時改變風機吹風方向，或者定時調(diào)換正對風機與非正對風機牛胴體的位置，減少牛胴體溫度離散系數(shù)，使牛胴體冷卻更均勻。
 

　　冷卻28h后，開始有牛胴體平均溫度低于7℃；44h后，每個胴體平均溫度都低于7℃；要使胴體中心最高溫度低于7℃，則需要72h左右。建議在28h后，將先預冷好的牛胴體陸續(xù)移出預冷庫進行下一步加工處理。
 

　　對于不同冷庫大小、不同初始溫度、不同預冷胴體大小及個數(shù)，可參考本研究，適當選擇風機（包括風機個數(shù)、風速、送風溫度等），適當調(diào)整預冷時間。