随着社会经济水平的提高,人们对于食品的品质、风味等要求与日俱增。而速冻食品行业的快速发展对速冻装备提出了更高的要求,射流冲击技术因具有独特的流体动力学和传热学特性,是一种强化传热技术,目前该技术在食品加工及贮藏领域已开始应用。而充分运用了射流冲击技术的上下冲击式速冻机,因其传热系数高、冻结速度快等特点也深受食品冷加工企业欢迎。但该设备的换热强度与换热均匀性依然可以进一步提高。本文以实际的上下冲击式速冻机构建模型,在此基础上运用实验来验证模型准确性;以上下喷嘴的出口风速及横流风速的大小和不均匀性、钢带表面的换热强度和不均匀性等一系列指标来衡量流体在静压腔内部的流动特性与换热特性,通过数值模拟技术不断优化速冻机设计,包括改进静压腔尺寸,改变静压腔入口压力、喷嘴尺寸,在静压腔中安装不同类型、尺寸、数量的导流板和对导流板进行不同程度的开孔等。其具体内容如下:1.上下冲击式速冻机静压腔尺寸优化。以静压腔尺寸为4000 mm×1500 mm×2000 mm的实体速冻机为基础,保证入口压力为190 Pa、入口流量为2.64 m³/s不变,通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）与实验对比发现模型的误差不超过15%,入口流量误差仅为1.5%。并进一步提出了4000 mm×1500mm×1500 mm、4000 mm×2000 mm×1500 mm、4000 mm×2000 mm×2000 mm、4000 mm×2500 mm×1500 mm、4000 mm×2500 mm×2000 mm等5种不同的静压腔尺寸。,通过数值模拟来计算静压腔尺寸变化对于速冻机内部流场的改变。结果发现在静压腔入口流量相同、压力不变的情况下,几种尺寸条件下的风速虽有变化但变化幅度不大。另外,静压腔尺寸为4000 mm×2000 mm×2000 mm的换热强度虽然比4000 mm×1500 mm×2000 mm的换热强度高,但其均匀性较差,不足以成为优选设计。4000 mm×2500 mm×1500 mm与4000 mm×2500 mm×2000 mm的钢带表面Nu达到177.76和177.39,比原有尺寸下钢带表面Nu高约6.81%和6.59%,且均匀性也是最佳的。结合上述因素,4000 mm×2500 mm×1500 mm和4000mm×2500 mm×2000 mm无论是出口风速还是换热强度及均匀性均为6种尺寸中最优的设计。2.三种喷嘴尺寸的分析比较。以尺寸为4000 mm×2500 mm×1500 mm的条缝喷嘴型的上下冲击式速冻机静压腔为研究对象,利用CFD数值模拟和实地测试,对比了3种尺寸的喷嘴结构分别在不同压力（190,170,160 Pa）条件下内部流场及换热特性的区别。结果表明:条缝喷嘴T₀在190 Pa条件下的出口风速、Nu、均匀性比在170 Pa条件下的理想,同时横流风速也低。条缝喷嘴T₁在170 Pa条件下的出口风速、Nu、均匀性比在160 Pa条件下的理想,但横流风速反而增加。条缝喷嘴T₂与T₀在同一入口压力下相比,只有横流风速较低。在换热强度方面,当入口压力为190 Pa时,条缝喷嘴T₁所对应的钢带表面的局部Nu最大,而T₀与T₁的平均Nu相差不大。在换热均匀性方面,条缝喷嘴T₀在入口压力为190 Pa时的不均匀度最低,换热最均匀。故当空气的质量流量相同时,入口压力为190 Pa时所对应的条缝喷嘴T₀能更好地提升换热效率,有利于提升食品的冻结速率。3.冲击式速冻机静压腔内置不同类型导流板后流场的研究。对速冻机静压腔进行了优化设计,保证静压腔入口压力为190 Pa、静压腔尺寸为4000 mm×2500mm×1500 mm、条缝喷嘴为T₀,通过在静压腔内部增加不同类型的导流板（弧形导流板和长方形导流板）,在保证添加导流板的初始位置与导流板长度、厚度不变的前提下,通过改变长方形导流板的宽度和弧形导流板的曲率半径来对比静压腔内部流场变化。经CFD研究发现:除长为600 mm、宽为50 mm的长方形导流板以外,其余类型导流板的上下喷嘴出口风速极差均小于静压腔内无导流板时的风速极差,并且长方形导流板的风速极差随宽度增加而减少,弧形导流板的风速极差随曲率半径的增加而增加。所有弧形导流板条件下钢带表面的平均Nu均比长方形导流板条件下高,最高可增加约1倍,同时,静压腔中添加长为600 mm、曲率半径为50 mm和100 mm的弧形导流板时钢带表面的换热均匀性相对较好。综上所述,长为600 mm、曲率半径为50 mm弧形导流板在风速极差、换热强度、换热均匀性方面都是较优的选择。4.静压腔内置导流板数目和圆心角的优化设计。在上述条件的速冻机腔体中配置曲率半径为50 mm、圆心角为π/6的弧形导流板,研究导流板数目从2片分别增加到3片、4片,圆心角从π/6分别增加到π/4、π/3对静压腔内流场的影响。通过对喷嘴正下方钢带换热及横流风速等方面的研究发现:改变导流板的数量及圆心角度数均有利于优化流场及换热,3块导流板在圆心角为π/4时喷嘴正下方钢带表面局部Nu最大,平均Nu也最高。横流风速在导流板为4块、圆心角为π/6时最小,且风速分布均匀性最好。但导流板为3块时,横流风速与4块时的横流风速相差较小。综合上述因素,3块导流板在圆心角为π/4时静压腔换热最好、横流风速较低。5.静压腔内置导流板开孔率的优化设计。在上述条件的静压腔中安装3块圆心角为π/4、曲率半径为50 mm的弧形导流板,并设置静压腔入口压力为190 Pa后,与优化前的入口压力为170 Pa、尺寸为4000 mm×1500 mm×2000 mm的初始无导流板静压腔进行流场及换热特性方面的对比,发现Nu提升了152.36,但换热均匀性也随之降低。为改善设备在流场及换热特性方面的不足,根据导流板穿孔有助于流体流动的特性,将弧形导流板的穿孔率分别设置为30%、40%、50%后安装在静压腔中,发现与初始状态下的无导流板静压腔相比,穿孔导流板可以提高换热均匀性和换热强度。而与无孔导流板相比,40%与50%穿孔率的导流板在换热均匀性上提高,换热强度变大,其中50%穿孔率的优化效果最佳。