不同構(gòu)造冷藏車廂體的冷卻性能模擬與對(duì)比

(1 天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院 天津 300222； 2 國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心 北京 100097；3 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯技術(shù)及應(yīng)用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 北京 100097；4 北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部 北京 100124)

冷鏈物流過(guò)程中，不同種類農(nóng)產(chǎn)品對(duì)溫濕度的需求各不相同，促使農(nóng)產(chǎn)品冷鏈供應(yīng)商在冷藏運(yùn)輸過(guò)程中優(yōu)先選擇特殊廂體構(gòu)造及溫濕度控制的冷藏車，如多溫區(qū)廂體、側(cè)通風(fēng)槽式廂體、地導(dǎo)軌式廂體等[1-5]。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)車廂的內(nèi)部冷卻性能的綜合性評(píng)估與分析等方面的研究不足，導(dǎo)致冷鏈供應(yīng)商選擇冷藏車廂還存在較大的盲目性。

堆碼有貨物的冷藏車廂內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且溫度梯度跨越尺度較大，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)需要投入大量的成本與人力物力，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備精度與數(shù)量的限制，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確性、擴(kuò)展應(yīng)用性較低。近年來(lái)，CFD(計(jì)算流體力學(xué)，computational fluid dynamics)數(shù)值模擬在農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流的研究上得到了廣泛應(yīng)用，利用CFD數(shù)值模擬不僅在宏觀上能獲得車廂內(nèi)部貨物溫度梯度的變化，且可對(duì)微觀層次的空氣流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行細(xì)節(jié)化描述，研究成果更具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。M.S.Oh等[6]利用CFD模擬普通級(jí)轎車駕駛室內(nèi)部氣流分布特性，基于氣流分布模擬結(jié)果對(duì)車室內(nèi)的通風(fēng)布局進(jìn)行合理優(yōu)化，結(jié)果表明合理的調(diào)節(jié)冷氣出風(fēng)口及優(yōu)化車室內(nèi)結(jié)構(gòu)，空調(diào)系統(tǒng)的能耗可降低20%左右。T. Defraeye等[7]采用兩種送風(fēng)方式對(duì)海運(yùn)冷藏集裝箱內(nèi)的柑橘溫度及氣流空間分布均勻性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：適當(dāng)?shù)脑黾佣汛a高度和托盤間隙，并選用垂直送風(fēng)方式會(huì)顯著提高貨物區(qū)的冷卻速率，但該研究中并未給出廂體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布，所以不能直觀的對(duì)其模擬的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估。翁衛(wèi)兵等[8-9]利用CFD數(shù)值模擬分別對(duì)冷藏車廂內(nèi)部的流場(chǎng)及溫度分布進(jìn)行了細(xì)節(jié)性的研究，且驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前相關(guān)研究大多針對(duì)特定廂體結(jié)構(gòu)，本文選取4輛運(yùn)輸環(huán)境條件(車廂內(nèi)的制冷溫度、濕度、送風(fēng)風(fēng)速、車廂外環(huán)境溫度、濕度)、運(yùn)輸時(shí)間及車廂容積均相同，但廂體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的冷藏車作為研究對(duì)象，以蘋果為實(shí)驗(yàn)材料，利用CFD模擬4輛車廂內(nèi)部貨物區(qū)的溫度分布情況，并對(duì)降溫過(guò)程溫度變化速率與均勻性等方面進(jìn)行了綜合性分析，目的是詳細(xì)了解地導(dǎo)軌、側(cè)通風(fēng)槽對(duì)廂體內(nèi)部貨物的溫度變化及均勻性的影響，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)不同冷鏈需求的廂體結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論參考與借鑒。

1 材料與方法

1.1 物理模型

本文所選車型皆為國(guó)標(biāo)C類冷藏車(冷藏溫控范圍為-20～12 ℃)，車廂尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為9 m×2.4 m×3.5 m，主要區(qū)別在于導(dǎo)軌及通風(fēng)槽的部署位置不同，具體如圖1所示。地導(dǎo)軌尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為8.9 m×0.03 m×0.03 m，間距0.3 m/個(gè)；側(cè)通風(fēng)槽尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為2.76 m×0.1 m×0.2 m，間距0.7 m/個(gè)，在車廂側(cè)壁居中安裝。4種車廂壁面厚度均為8 cm，廂體內(nèi)外表皮為玻璃鋼，中間填充物為PU聚氨酯。制冷機(jī)組均安置在各車廂的前上部居中，尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 m×0.6 m×0.2 m；板翅式蒸發(fā)器單元包括2個(gè)直徑為30 cm的塑料軸流式風(fēng)機(jī)。

不同果蔬堆碼方式對(duì)廂體內(nèi)氣流空間分布有很大影響，研究顯示廂體兩側(cè)及中間留空、貨物與廂體頂部、前部和下部留有一定空隙對(duì)于溫度場(chǎng)分布的均勻性較好[10-13]。但考慮到實(shí)際工況下運(yùn)輸貨物的經(jīng)濟(jì)性與貨物堆碼的穩(wěn)定性等因素，并結(jié)合“開(kāi)利”集裝箱的裝載模式，本文選取貨物與廂體前部、側(cè)壁面稍微留有空隙，貨物自底向上逐層堆疊直至不能放置為止，選取煙臺(tái)水晶富士蘋果為實(shí)驗(yàn)材料，采用瓦楞紙箱包裝，尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為50 cm×30 cm×35 cm，開(kāi)孔率約為0.3。堆碼方式如圖2 所示。為清晰地顯示出溫度及風(fēng)速傳感器的具體監(jiān)測(cè)位置。沿x軸方向以1.8 m為間距，在廂體內(nèi)部設(shè)置4個(gè)虛擬平面(編號(hào)(1)～(4))。在每個(gè)截面上布置溫度傳感器20個(gè)，風(fēng)速儀7個(gè)(將每平面各風(fēng)速儀設(shè)定編號(hào)a～g)，安放位置如圖1(a)所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1)為便于計(jì)算，數(shù)值模型作如下假設(shè)：

(1)不考慮為固定傳感器所用鐵絲及傳感器本身對(duì)空氣流動(dòng)的影響。

(2)將廂體內(nèi)的氣體視為輻射透明介質(zhì)、不可壓縮，滿足Boussinesq假設(shè)且視為牛頓流體，廂體內(nèi)貨物視為多孔介質(zhì)區(qū)[14-15]。

1制冷機(jī)組單元; 2側(cè)通風(fēng)槽; 3地通風(fēng)導(dǎo)軌; 4風(fēng)速傳感器安放位置; 5溫度傳感器安放位置。圖1 4種冷藏車廂體內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure of four kinds of cold refrigerated compartment

圖2 冷藏車廂體貨物堆碼方式Fig.2 Cargo stack mode in refrigerated compartment

(3)廂體壁面絕熱性、封閉性良好，忽略漏氣及外部太陽(yáng)輻射[16]對(duì)廂體內(nèi)部環(huán)境的影響。

(4)忽略溫度變化對(duì)空氣和貨物熱物性參數(shù)的影響。

2)多孔介質(zhì)模型

多孔介質(zhì)模型是一種包含孔隙的固體基質(zhì)模型。若宏觀分析多孔介質(zhì)內(nèi)部的熱流效應(yīng)，通常認(rèn)為多孔介質(zhì)內(nèi)部充滿一種飽和牛頓流體，并進(jìn)一步假設(shè)多孔介質(zhì)與周圍的流體保持局部熱平衡，此工況下將多孔介質(zhì)定義為單相模型；若多孔介質(zhì)自身能產(chǎn)生熱量或內(nèi)部流體流速較高，則多孔介質(zhì)與周圍流體的局部熱平衡將被打破，多孔固體基質(zhì)與流體部分的能量平衡方程必須單獨(dú)計(jì)算，此工況下必須將多孔介質(zhì)定義為兩相模型[17]。本文考慮到呼吸熱對(duì)貨物降溫過(guò)程的影響，故將貨物區(qū)蘋果視為兩相多孔介質(zhì)模型?？赏ㄟ^(guò)加載動(dòng)量源項(xiàng)的方式在求解動(dòng)量守恒中體現(xiàn)多孔介質(zhì)模型，動(dòng)量源項(xiàng)方程如下：

(1)

(3)質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程

基于連續(xù)性方程、Reynolds時(shí)均Navier-Stokes方程，建立廂體三維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)和多孔介質(zhì)區(qū)的控制方程[19-21]。

(1)連續(xù)性方程

(2)

(2)動(dòng)量守恒方程

(3)

(3)能量方程

多孔介質(zhì)模型固體區(qū)：

εkf2Tf+Afshfs(Ts-Tf)+εqf

(4)

多孔介質(zhì)模型流體區(qū)：

(5)

式中：ρf為蘋果的密度，kg/m3;vi為i方向上速度的分量;i分別取x、y、z，m/s;p為壓力，Pa;τij中i、j的取值為1～3，分別代表x、y、z方向的分量，當(dāng)i=j時(shí)，則為正應(yīng)力分量，當(dāng)i≠j時(shí)，則為切應(yīng)力分量；f為流體力，N/m3；cf為流體比熱容，J/(kg·K)；cp為固體比熱容，J/(kg·K)；Ts為初始固體體積平均溫度，K；Tf為初始流體體積平均溫度，K；T為溫度，K；t為時(shí)間，s；ks為流體的熱導(dǎo)率，W/(m·K)；kf為貨物的熱導(dǎo)率，W/(m·K)；Afs為固體與流體的接觸面積，m2；hfs為固體與流體表面的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；qf為流體熱源項(xiàng)，W/m3；qs為固體熱源項(xiàng)，W/m3。

4)貨物區(qū)呼吸熱及熱物性參數(shù)

研究表明，采后農(nóng)產(chǎn)品的熱源主要有呼吸熱、蒸騰熱、農(nóng)產(chǎn)品間的對(duì)流傳熱，以及冷凝時(shí)釋放的熱量。其中，呼吸熱對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的影響最為顯著[16]。本文中僅考慮將蘋果的呼吸熱作為主要熱源。計(jì)算呼吸熱[14]為6.2 W/m3，采用Hot Disk測(cè)得蘋果熱導(dǎo)率0.537 W/(m·K)。依據(jù)文獻(xiàn)[22-23]及計(jì)算得出的各物性參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 各物質(zhì)的物性參數(shù)

1.3 物理模型與數(shù)值方法

1)網(wǎng)格劃分

利用 ICEM CFD 15.0軟件對(duì)4種車廂進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方法，最大網(wǎng)格尺寸不超過(guò)5 cm，將貨物區(qū)邊界層、冷氣流入口處、出口處均進(jìn)行局部加密。由于本文均采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分，故利用正交性(orthogonal quality)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行檢測(cè)[23]，正交性指標(biāo)從0～1，趨于0則說(shuō)明網(wǎng)格的質(zhì)量較差。結(jié)果表明4種廂體網(wǎng)格的正交性良好，均大于0.8。無(wú)導(dǎo)軌型、側(cè)導(dǎo)軌型、地導(dǎo)軌型、側(cè)地導(dǎo)軌型廂體模型網(wǎng)格數(shù)量分別為1 192 298、1 298 974、1 332 660、1 446 418。圖3所示為地導(dǎo)軌型廂體網(wǎng)格型。

圖3 地導(dǎo)軌型廂體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)劃分Fig.3 Mesh structure of Ground-guide rail compartment

2)邊界條件

(1)入口邊界。將制冷機(jī)組單元的出風(fēng)口作為速度進(jìn)口(velocity-inlet)，風(fēng)速為7.6 m/s，冷藏車廂體內(nèi)部初始環(huán)境溫度為3 ℃(276.15 K)，相對(duì)濕度為80%左右。利用UDF(user-defined function)對(duì)冷氣出風(fēng)口溫度進(jìn)行初始化定義，溫降方程如下：

T=Tini-bt

(6)

式中：T為實(shí)際模擬計(jì)算溫度，K；Tini為貨物區(qū)初始溫度，K；t為模擬的流場(chǎng)所經(jīng)歷的時(shí)間，s；b為無(wú)量綱系數(shù)。當(dāng)制冷溫度為3 ℃時(shí)，b=0.095[22]。

(2)出口邊界。將2個(gè)塑料軸流式風(fēng)機(jī)定義為出口流動(dòng)界面(outflow)。

(3)壁面邊界。將廂體壁面設(shè)置為壁面(wall)，不考慮外界輻射對(duì)廂體壁面的影響。

(4)貨物區(qū)。貨物區(qū)視為多孔介質(zhì)，貨物在裝載到車廂之前經(jīng)過(guò)預(yù)冷，初始溫度為13 ℃(286.15 K)。

3)數(shù)值模擬方法

利用FLUENT 15.0求解器對(duì)4種廂體的三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬實(shí)際冷藏運(yùn)輸時(shí)間為180 min。相關(guān)研究指出在冷藏公路運(yùn)輸車廂、海運(yùn)集裝箱等有限封閉的區(qū)域內(nèi)，剪切應(yīng)力(SSTk-ω)湍流模型在溫度、速度模擬值與實(shí)測(cè)值都具有最好的一致性[15,25-27]，因此本文選用剪切應(yīng)力(SSTk-ω)湍流模型，并采用基于壓力的分離式求解器。流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法采用基于壓力修正的PISO(pressure implicit with splitting operators)算法，動(dòng)量、能量、湍動(dòng)能、耗散率的離散格式設(shè)置為二階迎風(fēng)。

4)實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

本研究所用實(shí)驗(yàn)器材有：探針式無(wú)線溫度傳感器，量程為-35～900 ℃，測(cè)量精度為±0.75 ℃，存儲(chǔ)溫度為-40～70 ℃，并配有終端設(shè)備可以接收、保存溫度數(shù)據(jù)。風(fēng)速儀TES-1341，參數(shù)為0～30 m/s，測(cè)量精度為±3%。熱導(dǎo)率分析儀Hot Disk TPS2500S,熱導(dǎo)率系數(shù)范圍：0.005～500 W/(m5K)，溫度范圍：10～1 000 K，測(cè)量精度：±3%。數(shù)值模擬所用計(jì)算機(jī)硬件參數(shù)：Intel(R) Core(TM)2處理器(2.66 GHz主頻率)、4 GB物理內(nèi)存。

5)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(1)本文進(jìn)行了簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)，僅對(duì)無(wú)導(dǎo)軌型、地導(dǎo)軌型廂體的溫度實(shí)驗(yàn)值與模擬值驗(yàn)證。按圖1(a)所示布置溫度傳感器，并設(shè)置每隔1 min記錄一次貨物區(qū)的溫度。

(2)采用均方根誤差(root-mean-square-error，RMSE)和平均誤差(mean-error，ME)判定實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間的關(guān)系，計(jì)算方法如下：

(7)

(8)

式中：tt為實(shí)驗(yàn)值，℃；ts為模擬值，℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種廂體內(nèi)部貨物區(qū)的溫度分布

為便于4種廂體內(nèi)部貨物區(qū)溫度分布特點(diǎn)的對(duì)比分析，按圖1中笛卡爾坐標(biāo)系，圖4、圖5分別給出了4種廂體z=1.5 m貨物溫度分布側(cè)視圖、y=0.3、1.5、2.7 m截面貨物溫度分布俯視圖。綜合對(duì)比圖4(a)、4(b)與4(c)，貨物區(qū)局部最高溫度分別為7.66、7.01、7.31 ℃，可以看出不同廂體內(nèi)溫度的差異主要?dú)w結(jié)于側(cè)通風(fēng)槽、地導(dǎo)軌的安裝。輔助通風(fēng)結(jié)構(gòu)的安裝使得貨物與冷空氣的熱交換面積增大，同時(shí)促進(jìn)了空氣流通及循環(huán)。通過(guò)對(duì)比圖4(a)、4(b)及圖5(a)、5(b)，加載側(cè)通風(fēng)槽后貨物區(qū)溫度降幅明顯增大，特別是廂體尾部貨物溫度有進(jìn)一步降低，同時(shí)高溫區(qū)域面積縮小，整體溫度均勻性得到提升。對(duì)比圖4(a)、4(c)及圖5(a)、5(b)，可以明顯看出加載地導(dǎo)軌更有益于廂體中下部貨物的冷卻，這主要是地導(dǎo)軌的加裝促進(jìn)了冷空氣從貼近廂體底面的地導(dǎo)軌空隙處直接返回至制冷機(jī)組，完成冷空氣流通循環(huán)，然而在貨物區(qū)后部仍呈現(xiàn)局部高溫?？梢钥闯鲭m然貨物總體的冷卻性能無(wú)明顯提高，但在溫度均勻性、局部高溫區(qū)域面積上均有所改善與縮小。綜合對(duì)比圖4(b)、4(c)及圖5(b)、5(c)，可以看出加裝側(cè)通風(fēng)槽比加載地導(dǎo)軌在貨物的冷卻及溫度均勻性方面增強(qiáng)效果顯著，在貼近廂體壁面附近，側(cè)通風(fēng)槽型廂體內(nèi)貨物區(qū)的溫度降幅程度明顯高于地導(dǎo)軌型廂體。圖4(d)、圖5(d)中貨物最高溫度為6.89 ℃，在貨物區(qū)溫度分布、整體的溫度下降程度上與前3種車廂比較，可以直觀的看出同時(shí)加裝側(cè)通風(fēng)槽、地導(dǎo)軌對(duì)于提高車廂內(nèi)貨物區(qū)溫度均勻性的效果最佳。

圖4 4種廂體內(nèi)部貨物區(qū)溫度分布Fig.4 Temperature distribution in the cargo area of four kinds of compartments

圖6 4種廂體貨物區(qū)各溫度梯度塊所占比重Fig.6 The proportion of each temperature gradient block in four kinds of compartments

對(duì)無(wú)導(dǎo)軌型、側(cè)通風(fēng)槽型、地導(dǎo)軌型、側(cè)-地導(dǎo)軌型車廂貨物溫度分布進(jìn)行進(jìn)一步分析，如圖6所示，將不同溫度的貨物分為3個(gè)溫度區(qū)間，在3～4.5 ℃范圍內(nèi)4種廂體的貨物塊所占比重分別為52.54%、59.26%、53.44%、62.06%。在4.5～6 ℃范圍內(nèi)分別為31.8%、34.7%、33.81%、33.02%。6 ℃以上分別為15.66%、6.04%、12.75%、4.92%?？梢钥闯?，側(cè)-地導(dǎo)軌型廂體對(duì)降低貨物溫度的優(yōu)勢(shì)顯著，側(cè)通風(fēng)槽型廂體稍弱于前者，但兩種廂體的各溫度梯度的貨物占比相差不大且各降溫貨物占比均優(yōu)于無(wú)導(dǎo)軌型、地導(dǎo)軌型廂體。無(wú)導(dǎo)軌型與地導(dǎo)軌型廂體各溫度范圍內(nèi)的貨物降溫差異不明顯。6 ℃以上貨物均占總體貨物的1/10以上，表明這兩種廂體對(duì)貨物降溫能力較差。綜合圖4～圖6可知，在降低貨物溫度及減小局部高溫貨物方面，車廂同時(shí)安裝側(cè)通風(fēng)槽及地導(dǎo)軌的效果最好，單獨(dú)安裝側(cè)通風(fēng)槽的作用明顯優(yōu)于單獨(dú)安裝地導(dǎo)軌。

2.2 冷卻時(shí)間

以貨物區(qū)平均溫度降低至4 ℃時(shí)(貨物區(qū)的目標(biāo)溫度值)所需冷卻時(shí)長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比不同廂體冷卻速率。圖7所示為4種廂體貨物區(qū)溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程。經(jīng)過(guò)180 min冷卻，無(wú)導(dǎo)軌型、側(cè)通風(fēng)槽型、地導(dǎo)軌型、側(cè)-地導(dǎo)軌型廂體貨物區(qū)的體積平均溫度分別為5.0、4.6、4.9、4.3 ℃。另外，側(cè)通風(fēng)槽型與側(cè)-地導(dǎo)軌型廂體在冷卻時(shí)間上大體相同，冷卻180 min后貨物區(qū)溫度基本達(dá)到要求，但地導(dǎo)軌及無(wú)導(dǎo)軌型廂體貨物平均溫度仍相對(duì)較高。因此，在冷卻速率上，側(cè)通風(fēng)槽型與側(cè)-地導(dǎo)軌型廂體具有相近的冷卻速率，其次為地導(dǎo)軌型，無(wú)導(dǎo)軌型廂體最小。

圖7 不同廂體冷卻時(shí)間對(duì)比Fig.7 Comparison of cooling time of different compartment

2.3 冷卻均勻性

本研究引入溫度變異系數(shù)Tvar-t來(lái)確定4種廂體內(nèi)貨物區(qū)的冷卻均勻性[20,24]。溫度變異系數(shù)實(shí)際上表示某一時(shí)刻監(jiān)控點(diǎn)溫度與該時(shí)刻監(jiān)控點(diǎn)平均溫度的離散程度，溫度變異系數(shù)越大，說(shuō)明離散程度高，冷卻均勻程度低；溫度變異系數(shù)小，離散程度低，則冷卻均勻程度高[15]。計(jì)算式為：

(9)

式中：Tvar-t為t時(shí)刻的溫度變異系數(shù)，K;Tave-t為t時(shí)刻的溫度監(jiān)控點(diǎn)的平均值，K;Ti-t為t時(shí)刻第i個(gè)溫度監(jiān)控點(diǎn)的溫度，K;n為溫度監(jiān)控點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

4種廂體內(nèi)貨物區(qū)的溫度均勻性Tvar-t隨時(shí)間的變化如圖8所示。由圖8可以看出，所有類型廂體內(nèi)部貨物區(qū)溫度均勻性都呈現(xiàn)一種先增大后減小的趨勢(shì)，且在30～50 min左右均已達(dá)到峰值，峰值時(shí)間段內(nèi)貨物區(qū)整體溫度離散程度最大，冷卻均勻性最低。無(wú)導(dǎo)軌型廂體在冷卻100 min前的時(shí)間段內(nèi)，溫度變異系數(shù)比其他3種廂體都低，隨后溫度變異系數(shù)值基本保持穩(wěn)定且高于3種廂體，這可能主要由于無(wú)導(dǎo)軌型廂體整個(gè)貨物區(qū)溫度變化最慢，貨物區(qū)溫度降溫過(guò)程較為均勻一致，而另外幾種廂體，由于加載側(cè)通風(fēng)槽、地導(dǎo)軌或兩者同時(shí)加載會(huì)導(dǎo)致廂體內(nèi)部貨物區(qū)局部溫度變化增大，導(dǎo)致整體貨物區(qū)溫度變化存在較大的差異性，使冷卻前100 min內(nèi)整體貨物區(qū)的溫度均勻性較差。隨著進(jìn)一步冷卻，由于無(wú)導(dǎo)軌型車廂內(nèi)外圍貨物與內(nèi)部貨物溫度變化存在較大差異，使整體溫度變異系數(shù)高于其他3種類型的廂體?？梢钥闯觯鋮s150 min以后，側(cè)-地導(dǎo)軌型廂體溫度變異系數(shù)值最低，側(cè)通風(fēng)槽型車廂的系數(shù)值略高，但與前者相差不到0.005，其次為地導(dǎo)軌型與無(wú)導(dǎo)軌型廂體。綜上所述，對(duì)4種車廂從貨物區(qū)溫度分布、冷卻速率及冷卻均勻性3方面的分析比較來(lái)看，廂體內(nèi)同時(shí)加載側(cè)通風(fēng)槽、地導(dǎo)軌對(duì)于車廂的冷卻性能提升效果最佳，但與單獨(dú)加裝側(cè)通風(fēng)槽相比，其改善程度有限，而且同時(shí)加載兩種輔助通風(fēng)結(jié)構(gòu)在一定程度上占用廂體容積、增加生產(chǎn)成本及生產(chǎn)周期。對(duì)比側(cè)通風(fēng)槽與地導(dǎo)軌，加裝側(cè)面通風(fēng)槽對(duì)廂體整體的冷卻性能有明顯的改善作用，提升幅度較大。單獨(dú)加裝地導(dǎo)軌對(duì)于車廂冷卻綜合性能并無(wú)顯著提高，但在單一方面，如溫度分布、冷卻均勻性均有一定程度的優(yōu)化作用。因此，針對(duì)某些特定環(huán)境及車輛使用需求，可以根據(jù)各輔助通風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)廂體性能增強(qiáng)的特點(diǎn)選擇加裝，以滿足經(jīng)濟(jì)性、適用性及合理性等要求。

圖8 4種廂體溫度變異系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.8 Temperature variation coefficient of 4 compartment changes with time

3 模型驗(yàn)證

圖9、圖10所示分別為無(wú)導(dǎo)軌型與地導(dǎo)軌型兩種廂體內(nèi)部溫度與風(fēng)速實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與與模擬值對(duì)比。在同一位置，溫度最大均方根誤差分別為0.221 ℃、0.198 ℃，最大平均相對(duì)誤差分別為18.35%、16.91%。風(fēng)速的模擬值與實(shí)測(cè)值之間的最大偏差為0.3 m/s。圖10中地導(dǎo)軌型車廂風(fēng)速監(jiān)測(cè)(3)b點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)定義位置如圖1所示)與無(wú)導(dǎo)軌型車廂風(fēng)速監(jiān)測(cè)(3)f點(diǎn)風(fēng)速振幅明顯，可能是因?yàn)閮杀O(jiān)測(cè)點(diǎn)位于廂體側(cè)壁與貨物之間的縫隙處，使冷風(fēng)低速、不穩(wěn)定的流過(guò)該點(diǎn)從而導(dǎo)致風(fēng)速發(fā)生強(qiáng)烈的波動(dòng)所致，但總體來(lái)看，基本在0.04 m/s、0.035 m/s上下波動(dòng)。整體而言，實(shí)驗(yàn)值與模擬值具有較好的一致性，存在較小偏差的原因可能主要與外界環(huán)境的干擾、所用實(shí)驗(yàn)材料的物性特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)儀器的誤差、測(cè)量?jī)x器體積對(duì)環(huán)境造成的影響以及本研究對(duì)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化等因素有關(guān)。

圖9 實(shí)驗(yàn)值與模擬值溫度對(duì)比Fig.9 Comparison of experimental and simulated temperature

圖10 車廂內(nèi)風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比Fig.10 Comparison of experimental and simulated values of wind speed in refrigerated trucks

4 結(jié)論

本文利用CFD數(shù)值模擬對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的4種廂體建立三維模型，基于相同的條件(車廂內(nèi)部初始溫度13 ℃、相對(duì)濕度80%；貨物經(jīng)過(guò)預(yù)冷，初始溫度13 ℃；制冷單元冷氣出風(fēng)速度7.6 m/s)求解，得出廂體內(nèi)部的流場(chǎng)特性并對(duì)冷卻速率與冷卻均勻性進(jìn)行了細(xì)節(jié)性的比較分析。同時(shí)，對(duì)無(wú)導(dǎo)軌型、地導(dǎo)軌型2種廂體進(jìn)行冷藏運(yùn)輸過(guò)程車廂內(nèi)風(fēng)速變化、貨物溫度變化的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)論如下：

1)基于貨物區(qū)溫度均勻性、冷卻速率、冷卻均勻性3方面的研究表明，廂體內(nèi)同時(shí)加裝側(cè)通風(fēng)槽、地導(dǎo)軌對(duì)于廂體的冷卻性能效果最佳，但與單獨(dú)加裝側(cè)通風(fēng)槽相比，廂體內(nèi)部冷卻性能并無(wú)明顯提升，并且減少了單次運(yùn)輸?shù)妮d貨量,同時(shí)增加了廂體制造成本與生產(chǎn)周期。因此，在不過(guò)高追求車廂冷卻性能情況下，建議優(yōu)先單獨(dú)加裝側(cè)通風(fēng)槽、其次再選取安裝地導(dǎo)軌以滿足特定需求。

2)針對(duì)無(wú)導(dǎo)軌型、地導(dǎo)軌型廂體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)值與模擬值比較驗(yàn)證，得出貨物區(qū)溫度最大平均誤差分別為18.35%、16.91%，最大均方根誤差分別為0.221 ℃、0.198 ℃。風(fēng)速模擬值與實(shí)測(cè)值的最大偏差為0.3 m/s。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)均證明了本研究利用CFD模擬的合理性與準(zhǔn)確性。

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