冷藏集裝箱內(nèi)溫度場的數(shù)值模擬與實驗

郭志鵬+闞安康+孟闖+陳超+楊帆

摘要：為更深入地了解貨物堆碼方式對集裝箱內(nèi)溫度場的影響，以下送風(fēng)20英尺機(jī)械式冷藏集裝箱為研究對象，通過建立3D紊流模型，對非穩(wěn)態(tài)下箱內(nèi)動態(tài)溫度分布情況進(jìn)行模擬.在裝載量不變的情況下，采用CFD模擬4種工況下的箱內(nèi)溫度分布情況.模擬結(jié)果表明：貨物左右對稱堆碼方式的溫度場分布情況優(yōu)于貨物整體堆碼方式的情況；合理地控制貨物堆碼高度及貨物與箱壁側(cè)面間隙可以有效防止湍流現(xiàn)象的發(fā)生；高溫區(qū)域主要出現(xiàn)在門端偏后處和集裝箱的拐角處.模擬結(jié)果與實驗結(jié)果有良好的一致性，對冷藏集裝箱內(nèi)貨物堆碼方式的選擇具有指導(dǎo)和借鑒意義.

關(guān)鍵詞： 數(shù)值模擬； 冷藏集裝箱； 溫度場； 堆碼方式

中圖分類號： U664.87

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： In order to understand the effect of cargo stacking modes on temperature field inside reefer containers， for a 20 ft mechanical reefer container with bottom air delivery units， a 3D turbulence model is established， and the dynamic temperature distribution inside the container under unsteady conditions is simulated. By CFD， the temperature distributions inside the container are simulated respectively for 4 working conditions， where the loading is constant. The simulation results show that， the temperature distribution with the leftright symmetrical stacking mode of cargoes is better than that with the whole stacking mode of cargoes， the reasonable cargo stacking height and the reasonable distance between the walls and the cargoes can effectively prevent the phenomenon of turbulence， and the high temperature areas are mainly located at back of the door and the container corners. The simulation results are well agreeable with the experimental results. It provides guidance and reference for the cargo stacking mode selection inside reefer containers.

Key words： numerical simulation； reefer container； temperature field； stacking mode

0 引 言

隨著社會和科技的發(fā)展，人們對食品營養(yǎng)價值的要求不斷提高，冷藏運(yùn)輸工具及技術(shù)也得以發(fā)展.[12]生鮮貨物需求量增加十分迅速，截至2015年年底已達(dá)到10 460萬t，接下來的十年，生鮮貨物的海運(yùn)量將會增加近一半.[3]國內(nèi)已形成順豐冷運(yùn)模式、京東商城模式、河南鮮易供應(yīng)鏈模式和九曳供應(yīng)鏈模式等4種第三方冷鏈物流模式，這為冷藏保溫車市場增長奠定了基礎(chǔ).[4]冷藏集裝箱具有可靠的制冷保溫功能、完善的自動控制功能、特殊的隔熱結(jié)構(gòu)以及良好的適用性和靈敏性，是其他運(yùn)輸工具難以取代的.

冷藏集裝箱內(nèi)溫度場分布是影響運(yùn)輸質(zhì)量的關(guān)鍵因素，合理的堆碼方式有利于貨物在運(yùn)輸途中的有效冷藏.CHOURASIA等[56]對冷藏集裝箱進(jìn)行了大量實驗，闡述了穩(wěn)態(tài)下箱內(nèi)空氣流動特性.ALPTEKIN等[7]通過設(shè)置3種幾何形狀的冷藏集裝箱，研究通風(fēng)槽冷藏集裝箱的氣流分布格局.文獻(xiàn)[811]采用CFD對20英尺冷藏集裝箱進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)由于貨物堆碼的長度、寬度和高度不同，冷藏集裝箱內(nèi)溫度場分布情況也不同.劉亞姣等[12]通過改變蔬菜之間的距離，發(fā)現(xiàn)隨著蔬菜之間距離的增大，蔬菜間隙內(nèi)空氣流通量也增大，蔬菜的呼吸熱能夠更快地被吸收和轉(zhuǎn)移，箱內(nèi)溫度場分布更加均勻.

目前，對冷藏集裝箱內(nèi)溫度場的研究大多采用2D模擬.AGARO等[13]對冰箱進(jìn)行了2D模擬和3D模擬，發(fā)現(xiàn)3D模擬結(jié)果更接近實驗結(jié)果，這主要是因為2D模擬忽略了側(cè)壁熱邊界對流體帶來的二次渦流的影響.這個結(jié)論也適用于冷藏集裝箱內(nèi)溫度場的研究，尤其是適用于模擬非穩(wěn)態(tài)工況.國內(nèi)對冷藏集裝箱內(nèi)流體的模擬局限于穩(wěn)態(tài)工況下的箱內(nèi)空氣流動和溫度分布，缺少對箱內(nèi)溫度動態(tài)變化的描述.本文模擬非穩(wěn)態(tài)下冷藏集裝箱內(nèi)空氣的動態(tài)降溫過程，為研究貨物堆碼方式對箱內(nèi)溫度場分布的影響提供更全面的理論分析.

1 物理模型建立

1.1 物理模型

以上海海事大學(xué)冷藏集裝箱實驗室的標(biāo)準(zhǔn)20英尺機(jī)械制冷冷藏集裝箱為研究對象，見圖1.箱體內(nèi)部尺寸（長×寬×高）為5 440 mm×2 280 mm×2 310 mm；箱體送風(fēng)方式為下送風(fēng)上回風(fēng)，送風(fēng)口尺寸為2 260 mm×30 mm，回風(fēng)口尺寸為1 840 mm×130 mm；箱內(nèi)冷藏貨物呈規(guī)則立方體結(jié)構(gòu)，在箱內(nèi)對稱分布.圖1中，a為貨物與箱側(cè)壁之間的距離，b為前后兩組貨物之間的距離，c為左右兩組貨物之間的距離.

共研究4種不同貨物堆碼方式（即工況1～4）對箱內(nèi)溫度場分布的影響，相關(guān)參數(shù)見表1.

建立機(jī)械式冷藏集裝箱等比例物理模型，采用kε方程，對冷藏集裝箱運(yùn)輸中的換熱過程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述.為便于計算，假設(shè)：（1）箱內(nèi)空氣為不可壓縮流體， 定壓比熱容為定值，且空氣密度變化僅對浮升力產(chǎn)生影響；（2）箱內(nèi)空氣滿足Boussinesq假設(shè)，即流體的黏性耗散忽略不計，除密度外，其他物性都為常數(shù)，對密度僅考慮動量方程中與體積有關(guān)的項，其余各項中的密度作為常數(shù)處理；（3）箱內(nèi)貨物為固體，無內(nèi)熱源，不考慮箱體與貨物壁面間的熱輻射；（4）箱內(nèi)氣密性良好且不考慮門封處的漏熱；（5）對T型槽進(jìn)行簡化，忽略T型槽導(dǎo)流和T型槽粗糙度對流體的影響；（6）冷藏集裝箱的送、回風(fēng)口上有格柵，在計算過程中忽略格柵對送風(fēng)、回風(fēng)的影響，送風(fēng)口尺寸按2 280 mm×30 mm計算，回風(fēng)口尺寸按2 280 mm×130 mm計算.

簡化的冷藏集裝箱計算物理模型見圖2.

單獨(dú)分析該模型各區(qū)域內(nèi)部以及區(qū)域與區(qū)域之間換熱方式.各區(qū)域熱量傳遞形式見表2，各材料物理性質(zhì)見表3.

從FLUENT的模擬結(jié)果可以看出：工況1～4的溫度波動范圍分別為273.2～279.8 K，273.2～280.4 K，273.2～280.7 K和273.2～279.0 K.在這4種工況中，工況4的箱內(nèi)溫度梯度最小，這是因為工況4中貨物與貨物之間多了1條間隙，提高了貨物與空氣對流換熱的速度，使得箱內(nèi)整體溫度場得到改善.從工況1和2還可以發(fā)現(xiàn)，回風(fēng)口出現(xiàn)了較明顯的低溫區(qū)域，這是因為在送風(fēng)口處有一部分冷流直接進(jìn)入回風(fēng)口區(qū)域，在回風(fēng)口附近進(jìn)行換熱.

對比工況1～3可以發(fā)現(xiàn)，在一定區(qū)域內(nèi)，隨著貨物堆碼寬度的增大和高度的降低，箱內(nèi)溫度場分布均勻度基本不變.增大貨物堆碼寬度會減少貨物與箱壁的間隙，增大氣流隔阻，降低側(cè)面換熱效果，而同時降低貨物堆碼的高度有利于空氣的回流，提高回流換熱效果.

對比工況1， 2， 4可以發(fā)現(xiàn)，箱內(nèi)靠門端附近都出現(xiàn)了大小不等的局部高溫區(qū)，說明該區(qū)域產(chǎn)生了湍流，工況1的湍流區(qū)域溫度為277.5～278.0 K，工況2的為277.0～277.5 K，工況4較前面兩種工況的湍流區(qū)域更大、溫度更高（278.0～278.3 K）.這是因為工況4中的貨物與箱壁的側(cè)面間隙僅為300 mm，兩側(cè)對流換熱效果差，外界環(huán)境通過箱壁傳給貨物的熱量明顯集聚，形成局部高溫區(qū).工況2和3的側(cè)面間隙盡管比工況4的小，但是沒有出現(xiàn)湍流，這是因為它們的貨物堆碼高度較低，有利于側(cè)壁間隙的空氣換熱，同時提高空氣回流，能夠有效防止湍流的產(chǎn)生.

橫截面X=2.62，1.31，0，-1.31，-2.62 m處溫度等值線云圖的模擬結(jié)果見圖4.

從圖4可以看出：受外界環(huán)境向箱體傳熱的影響，箱內(nèi)近壁處的溫度最高，箱體內(nèi)部溫度最低；箱內(nèi)高溫區(qū)域主要出現(xiàn)在門端附近和箱上拐角處.門端附近高溫是由湍流效應(yīng)引起的，對貨物的影響較大；箱上拐角處高溫是由于邊角處的空氣循環(huán)不暢，形成了換熱死角.拐角處離貨物較遠(yuǎn)，對貨物影響較小，但當(dāng)裝載貨物較多時該處高溫區(qū)域也不容忽視.

選取Y=0～1.2 m（側(cè)面到對稱面）方向上各縱截面的最大溫差和平均溫度值，對這4種不同堆碼方式進(jìn)行比較，見圖5和6.

從圖5可以看出：在工況1～3中，從側(cè)面到對稱面各截面的溫差波動范圍由外向內(nèi)先逐漸變小，然后在靠近中心位置處變大，這是因為流體在箱體中部對流換熱不均勻，即該區(qū)域流體較為紊亂，致使在靠近中心處溫度不均勻度變大；在工況4中，貨物中間留有一定間隔，能夠有效地改善箱體中心處的換熱不均勻問題.從圖6可以看出：受箱壁傳熱的影響，在靠近壁面處平均溫度最高，從壁面到對稱面的平均溫度逐漸降低；工況4的箱內(nèi)平均溫度最低，換熱效果明顯優(yōu)于其他3種工況.

3 實驗方法

為驗證模擬結(jié)果，對工況4進(jìn)行實驗.選擇的溫度傳感器為T型熱電偶（正極材質(zhì)是純銅，負(fù)極材質(zhì)是銅鎳合金），測量精度為±0.1 ℃.在箱內(nèi)近壁面100 mm處，沿箱體長度方向選取3個截面（X=-2.62，0，2.62 m），在每個截面上均勻布置5個測點(diǎn)，見圖7.實驗中溫度測量系統(tǒng)采用安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集儀，設(shè)定每1 min采集1次數(shù)據(jù).從模擬結(jié)果中選取位于3個截面中心的測點(diǎn)5，10，15的溫度數(shù)據(jù)，與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，見圖8.

從圖8可以看出，模擬值與實驗值整體趨勢是一致的，隨著時間的推移，溫度逐漸降低并趨于穩(wěn)定.考慮到冷藏集裝箱的氣密性和熱電偶誤差的影響，模擬值與實驗值最大偏差控制在2%內(nèi)為可接受范圍.另外，由圖8可以看出，模擬值比實驗值更先趨于穩(wěn)定，這是因為在建模過程中忽略了T型槽粗糙度對送風(fēng)阻力的影響，使模擬的冷空氣流速比實際的更快.在穩(wěn)態(tài)部分，模擬值與實驗值的差值相對較小，靠近門端位置的差值較大是由于T型槽影響了冷空氣流勢.由以上分析可知，本文建立的模型是合理的，能真實描述冷藏集裝箱內(nèi)溫度場的分布情況.

4 結(jié) 論

為改善冷藏集裝箱的運(yùn)輸品質(zhì)，在裝載量不變的情況下，綜合考慮運(yùn)輸過程中空氣對流換熱和外界對箱體傳熱的影響，采用兩方程標(biāo)準(zhǔn)紊流模型和CFD工具對載貨冷藏集裝箱內(nèi)溫度場分布進(jìn)行模擬，得到結(jié)論：（1）貨物堆碼時應(yīng)綜合考慮貨物與箱壁的側(cè)面間隙和貨物高度，防止湍流所引發(fā)的局部高溫，避免貨損；（2）貨物中間留有一定間隔可以有效提高換熱效果，使箱內(nèi)溫度整體均勻度提高，但因受到裝載量的限制，故在實際冷藏運(yùn)輸中，應(yīng)該綜合考慮裝載量和溫度場的均勻性，選擇合適的堆碼方式；（3）高溫區(qū)域主要出現(xiàn)在門端附近和箱上拐角處，相比于拐角處的高溫區(qū)域，門端附近（產(chǎn)生湍流效應(yīng)）的高溫對貨物的影響最大；（4）數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，最大偏差控制在2%以內(nèi)，對選擇合理的貨物堆碼方式以期有效改善貨物運(yùn)輸質(zhì)量有一定的參考意義.

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（編輯 趙勉）