通風(fēng)風(fēng)速對(duì)氣調(diào)運(yùn)輸車廂換氣性能影響的數(shù)值模擬

王昱+郭嘉明+呂恩利+陸華忠

摘要：維持車廂內(nèi)適宜的氧氣體積分?jǐn)?shù)是保障果蔬運(yùn)輸品質(zhì)的重要因素之一。為分析果蔬氣調(diào)保鮮運(yùn)輸換氣性能，以果蔬氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車車廂為研究對(duì)象，以荔枝作為貨物，建立二維紊流數(shù)值計(jì)算模型?；贔LUENT軟件，結(jié)合有孔介質(zhì)模型，采用SIMPLE算法，對(duì)不同通風(fēng)風(fēng)速下的換氣性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，獲得了車廂內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化和溫度分布規(guī)律。研究結(jié)果表明，提高通風(fēng)風(fēng)速可以縮短換氣時(shí)間，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，進(jìn)一步提高通風(fēng)風(fēng)速對(duì)換氣時(shí)間的影響減小；通風(fēng)風(fēng)速越大，空氣平均溫度遞增速度越快，但溫度遞增減緩越早；縮短換氣時(shí)間，可以減小換氣對(duì)車廂內(nèi)空氣和貨物溫度的影響。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，氧氣體積分?jǐn)?shù)模擬值與試驗(yàn)值偏差不超過0.2%，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好。該研究揭示了果蔬氣調(diào)保鮮運(yùn)輸廂體的換氣性能，對(duì)氣調(diào)保鮮運(yùn)輸裝備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：氣調(diào)；運(yùn)輸；換氣；氧氣體積分?jǐn)?shù)

中圖分類號(hào)： U492.3+36.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）07-0207-04

維持車廂內(nèi)適宜的氧氣體積分?jǐn)?shù)是保障果蔬氣調(diào)運(yùn)輸品質(zhì)的重要因素之一[1-3]。氧氣體積分?jǐn)?shù)過低可能會(huì)導(dǎo)致果蔬進(jìn)行無氧呼吸，易產(chǎn)生腐爛變質(zhì)[4-6]。因此，在保鮮環(huán)境中氧氣體積分?jǐn)?shù)過低時(shí)，需通過換氣將氧氣體積分?jǐn)?shù)升高?？s短廂體換氣時(shí)間，同時(shí)提高廂內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布均勻性，對(duì)氣調(diào)保鮮運(yùn)輸裝備的節(jié)能和保障運(yùn)輸品質(zhì)有重要影響。通風(fēng)風(fēng)速是影響換氣過程的重要因素之一，但對(duì)其影響機(jī)制尚不了解。以上問題，可以通過試驗(yàn)研究進(jìn)行解決，但試驗(yàn)研究成本高、難度大，傳感器精度也對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大的影響，并且難以獲得整個(gè)廂體的流場(chǎng)分布特性。相比于試驗(yàn)方法，計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法具有研究成本較低、研究結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用到冷鏈設(shè)備流場(chǎng)的研究中。

盧立新等采用RNG k-ε湍流模型研究了抽氣方式和充氣壓力對(duì)盒式氣調(diào)包裝氣體置換性能的影響[7]；劉琳等、Defraeye 等、陳秀勤等都對(duì)包裝內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究[8-10]。Ho等結(jié)合三維和二維模型，研究了冷庫內(nèi)冷風(fēng)機(jī)高度以及出口風(fēng)速對(duì)制冷過程的影響，證明二維模型同樣可以表征庫內(nèi)流場(chǎng)特性[11]；Delele等采用數(shù)值模擬方法對(duì)葡萄冷庫預(yù)冷特性進(jìn)行了研究，獲得了包裝形式、堆碼方式等因素對(duì)葡萄溫度變化和水分蒸發(fā)的影響規(guī)律[12]；Ambaw等對(duì)冷藏庫內(nèi)流場(chǎng)分布特性進(jìn)行了研究[13]。韓佳偉等對(duì)不同節(jié)能模式對(duì)節(jié)能效果以及溫度場(chǎng)分布的影響進(jìn)行了數(shù)值分析[14]；郭嘉明等研究了不同堆碼方式對(duì)冷藏廂體內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響[15-16]。呂恩利等對(duì)廂體的降氧過程進(jìn)行了研究[17-18]，但暫未發(fā)現(xiàn)對(duì)氣調(diào)保鮮運(yùn)輸廂體換氣特性進(jìn)行研究的相關(guān)文獻(xiàn)。本試驗(yàn)以果蔬氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車車廂為研究對(duì)象，結(jié)合有孔介質(zhì)模型，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)車廂的換氣性能進(jìn)行研究。研究結(jié)果對(duì)于氣調(diào)保鮮運(yùn)輸廂體換氣性能優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

1物理模型

果蔬氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車，簡(jiǎn)稱氣調(diào)車，主要由汽車底盤和氣調(diào)車廂組成，具有溫度、濕度、氣體成分調(diào)節(jié)等功能[1]。車廂材料為聚氨酯加不銹鋼板。其中，車廂內(nèi)氣流由風(fēng)機(jī)帶動(dòng)，循環(huán)形式為順時(shí)針方式。本試驗(yàn)主要研究氣調(diào)車車廂的換氣性能，即車廂內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)從3%升至5%的過程。進(jìn)氣閥位于廂體迎風(fēng)面，由2個(gè)通徑為5 cm的電磁閥組成；排氣閥處于車廂后部廂門下方，離廂體底部距離為25 cm，由4個(gè)通徑為5 cm的電磁閥組成。換氣原理為：當(dāng)車廂內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)過低時(shí)，車廂內(nèi)外存在氧氣體積分?jǐn)?shù)差或內(nèi)外壓差時(shí)，產(chǎn)生空氣交換而實(shí)現(xiàn)換氣。車廂總體尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為 400 cm×180 cm×180 cm。將氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車簡(jiǎn)化成二維形式，如圖1所示。該模型中，車廂總體尺寸（長(zhǎng)×高）為 400 cm×180 cm；風(fēng)機(jī)區(qū)域尺寸（長(zhǎng)×高）為10 cm×15 cm；單排貨物尺寸（長(zhǎng)×高）為80 cm×160 cm。為模擬氣調(diào)車跑動(dòng)時(shí)的換氣過程，對(duì)模型添加遠(yuǎn)場(chǎng)。通過風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速改變通風(fēng)風(fēng)速。

運(yùn)用AutoCAD軟件進(jìn)行二維建模，設(shè)置遠(yuǎn)場(chǎng)尺寸（長(zhǎng)×高）為1 500 cm×650 cm，運(yùn)用ICEMCFD對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格類型為三角形/四邊形網(wǎng)格。同時(shí)，將風(fēng)機(jī)以及進(jìn)排氣閥等位置進(jìn)行局部加密。本試驗(yàn)共涉及1個(gè)網(wǎng)格模型，網(wǎng)格數(shù)量約為230 000。網(wǎng)格最大單元為5.0 cm，最小尺寸為0.1 cm。網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

2數(shù)學(xué)模型

為方便計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行如下假設(shè)[7-15]：（1）貨物為有孔介質(zhì)模型，由于換氣時(shí)間較短，忽略荔枝貨物呼吸作用對(duì)廂體內(nèi)溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響；（2）廂體密封性良好，不存在漏氣現(xiàn)象；（3）廂體內(nèi)氣體為不可壓縮氣體，符合Boussinesq假設(shè)[19]；（4）廂體內(nèi)氣體為牛頓流體；（5）廂體內(nèi)部氣體成分為H2O、O2和N2，忽略其他氣體對(duì)換氣性能的影響；（6）忽略蒸發(fā)器、加濕裝置、回風(fēng)道等設(shè)備對(duì)換氣性能的影響。

本試驗(yàn)采用工業(yè)上廣泛應(yīng)用的k-ε模型、組分傳輸模型以及比較成熟的SIMPLE算法對(duì)果蔬氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車換氣過程進(jìn)行仿真計(jì)算。采用有限體積法中的控制方程，包括質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒等方程[20]。

2.1質(zhì)量守恒方程

2.2動(dòng)量守恒方程

2.3能量方程

2.4組分傳遞方程

3邊界條件設(shè)置及求解

對(duì)廂體模型進(jìn)行雷諾數(shù)求解，根據(jù)雷諾數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式（8）[21]求得所有模型的雷諾數(shù)Re均達(dá)到了103以上，屬于高雷諾數(shù)紊流模型[22]。

式中：U為速度特征尺度，m/s；L為長(zhǎng)度特征尺度，m；γ為運(yùn)動(dòng)學(xué)黏性系數(shù)。

3.1入口條件

該模型具有2個(gè)入口，分別是遠(yuǎn)場(chǎng)入口和風(fēng)機(jī)出口。其中遠(yuǎn)場(chǎng)入口設(shè)置為速度入口條件，設(shè)置入口風(fēng)速為45 km/h。為實(shí)現(xiàn)廂內(nèi)空氣循環(huán)，將風(fēng)機(jī)入口設(shè)置為風(fēng)機(jī)邊界條件，入口風(fēng)速分別設(shè)為2、4、6、8 m/s，通過三維至二維轉(zhuǎn)換[23]，壓降分別為0.13、0.36、0.80、1.41 Pa。輸入紊流參數(shù)為湍流強(qiáng)度I和水力直徑DH。I，按式（9）[21]求出。

式中：ReDH為以水力直徑求出的雷諾數(shù)。

3.2出口條件

該模型具有2個(gè)出口，分別為遠(yuǎn)場(chǎng)出口和風(fēng)機(jī)入口，遠(yuǎn)場(chǎng)出口設(shè)為壓力出口條件，風(fēng)機(jī)入口設(shè)置為風(fēng)機(jī)邊界條件。

3.3進(jìn)、排氣閥

為真實(shí)模擬進(jìn)、排氣閥的開啟與關(guān)閉，在穩(wěn)態(tài)模擬即初始化過程中將其設(shè)為壁面邊界條件，在瞬態(tài)求解過程中設(shè)置為內(nèi)部面。

3.4貨物

假設(shè)車廂內(nèi)貨物為荔枝。為考慮貨物對(duì)換氣性能的影響，將貨物設(shè)置為有孔介質(zhì)，開孔率為0.3。黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)根據(jù)式（4）、（5）求得。因換氣時(shí)間較短，忽略貨物呼吸對(duì)換氣過程的影響。

模型中具體物性參數(shù)如表2所示。由于車廂材料采用聚氨酯加不銹鋼板材料，其物性參數(shù)按比例[24]求得。

3.5求解

先采用穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行求解，待車廂內(nèi)外流場(chǎng)穩(wěn)定后，初始化車廂外溫度為303.15 K，廂內(nèi)溫度為278.15 K，氧氣體積分?jǐn)?shù)為3%。運(yùn)用瞬態(tài)求解器進(jìn)行求解，添加浮升力影響因素，設(shè)置環(huán)境重力加速度為9.8 m/s2。實(shí)際換氣時(shí)，若只取一位置的傳感器讀數(shù)作為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)閉換氣閥后，廂體內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)可能會(huì)由于傳感器響應(yīng)時(shí)間等因素導(dǎo)致超調(diào)現(xiàn)象，因此本試驗(yàn)采用廂體氧氣體積分?jǐn)?shù)平均值作為控制標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)車廂內(nèi)平均氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，停止運(yùn)算。

4模擬結(jié)果與分析

4.1通風(fēng)風(fēng)速對(duì)換氣時(shí)間的影響

通過對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行處理，得到了通風(fēng)風(fēng)速對(duì)換氣時(shí)間的影響情況，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，通風(fēng)風(fēng)速越大，換氣時(shí)間越短，即增大通風(fēng)風(fēng)速有利于促進(jìn)換氣。當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為2、4、6、8 m/s時(shí)，車廂內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)從3%升至5%分別需要約260、195、140、110 s。這可能是由于當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速增大后，促進(jìn)了車廂內(nèi)空氣的流動(dòng)，加快了車廂內(nèi)外空氣的交換。同時(shí)，隨著通風(fēng)風(fēng)速的增大，相同間隔風(fēng)速之間的換氣時(shí)間差異趨于減小。因此，當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速增大到一定值時(shí)，進(jìn)一步提高通風(fēng)風(fēng)速對(duì)換氣時(shí)間影響減小，但會(huì)提高風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而增加換氣能耗[26]。

4.2通風(fēng)風(fēng)速對(duì)換氣過程中車廂內(nèi)溫度變化的影響

不同通風(fēng)風(fēng)速對(duì)換氣過程中車廂內(nèi)空氣平均溫度變化的影響如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著換氣過程的進(jìn)行，車廂內(nèi)空氣平均溫度呈先快速遞增后減緩的趨勢(shì)。其中，通風(fēng)風(fēng)速越大，空氣平均溫度遞增速度越快，但溫度遞增減緩越早。當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為2、4、6、8 m/s，換氣結(jié)束時(shí)，車廂內(nèi)的空氣平均溫度分別從278.15 K升至約279.56、279.42、279.29、279.14 K。提高通風(fēng)風(fēng)速不僅促進(jìn)了車廂內(nèi)外空氣交換，加快廂內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)上升，同時(shí)也促進(jìn)了廂內(nèi)空氣的熱交換，縮短熱交換時(shí)間。提高通風(fēng)風(fēng)速可以縮短換氣時(shí)間，從而減小換氣對(duì)車廂內(nèi)空氣溫度的影響。

4.3通風(fēng)風(fēng)速對(duì)車廂內(nèi)溫度分布的影響

不同通風(fēng)風(fēng)速下，換氣結(jié)束后，車廂內(nèi)的溫度分布情況如圖5所示。

從圖5可以看出，在換氣過程中，車廂內(nèi)溫度分布呈上部和后部區(qū)域高，前部和底部區(qū)域低分布。這是由于氣調(diào)運(yùn)輸車在運(yùn)輸過程中換氣，廂外空氣從進(jìn)氣閥進(jìn)入車廂后，在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下到達(dá)車廂后部，部分從車廂后部的排氣閥排出，所以大部分高溫空氣集中在車廂上部和后部區(qū)域。同時(shí)，可以看出，由于通風(fēng)風(fēng)速的提高，促進(jìn)空氣的熱交換，從而使得高溫空氣區(qū)域面積減小。同時(shí)，由于在通風(fēng)風(fēng)速較高時(shí)，空氣沿車廂壁面流動(dòng)速度和比例增大，促進(jìn)了空氣與車廂的熱交換，但降低了與貨物的交換。此外，縮短換氣時(shí)間也可以降低換氣過程對(duì)貨物溫度的影響。因此，從圖5可以看出，當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速較小時(shí)，對(duì)貨物的影響深度[27]較大。綜上分析，提高通風(fēng)風(fēng)速，可以縮短換氣時(shí)間，從而降低換氣過程對(duì)貨物溫度變化的影響。

4.4試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，采用氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，氣調(diào)車處于靜止?fàn)顟B(tài)，車廂空載。為更加準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)廂體內(nèi)平均氧氣體積分?jǐn)?shù)，在廂體內(nèi)后部和前部各放置1個(gè)氧氣體積分?jǐn)?shù)傳感器（型號(hào)：EC810；量程：0～25%；精度：±1%），廂內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)取2個(gè)傳感器讀數(shù)平均值。傳感器具體位置如圖1所示，連接數(shù)據(jù)記錄儀，每隔1 min記錄1次數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)，室外氣溫為（28±1）℃，相對(duì)濕度為（70±5）%。進(jìn)行液氮充注后，待廂體氧氣體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在（3±0.1）%，溫度為（5±1）℃，開啟進(jìn)、排氣閥和風(fēng)機(jī)，并采用無紙記錄儀記錄廂內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)傳感器讀數(shù)的變化。待2個(gè)傳感器氧氣體積分?jǐn)?shù)平均值達(dá)到5%時(shí)，關(guān)閉相關(guān)調(diào)節(jié)設(shè)備。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得廂體內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)隨換氣時(shí)間的變化情況并與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

從圖6可以看出，試驗(yàn)和模擬研究中車廂換氣所需時(shí)間較吻合，皆為18 min左右，證明了模型的準(zhǔn)確性。產(chǎn)生偏差的原因可能是模型簡(jiǎn)化策略和傳感器精度問題導(dǎo)致的?；诖四Ｐ涂梢愿淖兡繕?biāo)參數(shù)水平研究保鮮廂體換氣性能，具有一定的準(zhǔn)確性[11]。

5結(jié)論與討論

本試驗(yàn)以果蔬氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車車廂為研究對(duì)象，通過改變通風(fēng)風(fēng)速，對(duì)換氣性能進(jìn)行模擬。對(duì)不同風(fēng)速下的換氣時(shí)間及換氣對(duì)車廂內(nèi)溫度變化和分布的影響進(jìn)行了分析。最后，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，得出了以下結(jié)論：（1）提高通風(fēng)風(fēng)速可以縮短換氣時(shí)間，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，進(jìn)一步提高通風(fēng)風(fēng)速對(duì)換氣時(shí)間的影響減?。唬?）換氣過程中，通風(fēng)風(fēng)速越大，空氣平均溫度遞增速度越快，但溫度遞增減緩越早；（3）縮短換氣時(shí)間，可以減小換氣對(duì)車廂內(nèi)空氣和貨物溫度的影響；（4）本研究將數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合。通過分析，同一換氣時(shí)間，氧氣體積分?jǐn)?shù)模擬值與試驗(yàn)值差異不大于0.2%，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較吻合，證明了模型的準(zhǔn)確性，為氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車的換氣性能優(yōu)化研究提供了參考。

值得討論的是車廂內(nèi)外溫差、貨物堆碼方式也可能會(huì)對(duì)研究結(jié)果造成一定的影響，筆者所在課題組將對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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