太陽(yáng)輻射下送風(fēng)速度對(duì)冷藏集裝箱溫度的影響

摘" 要：為深入研究不同因素對(duì)冷藏集裝箱溫度場(chǎng)的影響狀況，以20ft冷藏集裝箱為研究對(duì)象，通過CFD建立K-ε模型對(duì)箱內(nèi)溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分布情況進(jìn)行仿真模擬，研究太陽(yáng)輻射和不同送風(fēng)速度對(duì)集裝箱內(nèi)部溫度流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明：太陽(yáng)輻射會(huì)影響冷藏集裝箱的溫度分布均勻性；冷藏集裝箱的降溫速度會(huì)隨著送風(fēng)速度的增大而加快，但是風(fēng)速過大會(huì)形成局部湍流，不利于箱內(nèi)整體溫度的穩(wěn)定；高溫區(qū)域主要出現(xiàn)在箱體前部的頂角和底角處，且頂角的降溫速度快于底角；在集裝箱制冷前期，由于太陽(yáng)輻射和壁面?zhèn)鳠?，集裝箱溫度會(huì)略微上升。

" 關(guān)鍵詞：太陽(yáng)輻射；送風(fēng)速度；冷藏集裝箱；溫度場(chǎng)；仿真模擬

" 中圖分類號(hào)：F253.9" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2025.07.012

Abstract： In order to deeply study the influence of different factors on the temperature field of refrigerated containers， taking 20ft refrigerated containers as the research object， the K-ε model was established by CFD to simulate the dynamic distribution of the temperature field in the container， and the influence of solar radiation and different air supply velocities on the temperature flow field inside the container was studied. The results show that solar radiation will affect the uniformity of temperature distribution of refrigerated containers; the cooling speed of refrigerated containers will accelerate with the increase of air supply speed， but excessive wind speed will form local turbulence， which is not conducive to the stability of the overall temperature in the box; the high temperature area mainly appears in the top and bottom corners of the front of the box， and the cooling speed of the top corner is faster than the bottom corner; in the early stage of container refrigeration， due to solar radiation and wall heat transfer， the container temperature will rise slightly.

Key words： solar radiation; air supply speed; reefer containers; temperature field; simulation

0" 引" 言

" 隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)生鮮農(nóng)產(chǎn)品的需求日益提高，根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒[1]顯示，我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量逐漸增大，2017—2022年我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量日益增高，這也刺激了冷鏈?zhǔn)袌?chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。截至2021年，我國(guó)冷鏈物流總額超過8萬(wàn)億元。但是，就目前幾種運(yùn)輸方式而言，只有公路冷鏈運(yùn)輸?shù)玫搅擞行Ю煤涂焖侔l(fā)展，而從貨物的運(yùn)量、運(yùn)距以及運(yùn)價(jià)來(lái)看，鐵路冷鏈物流更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景，但其在冷鏈運(yùn)輸結(jié)構(gòu)市場(chǎng)規(guī)模中仍然占比是最少的，沒有發(fā)揮出鐵路冷鏈物流自身的優(yōu)勢(shì)。此外，就地域分布而言，冷鏈企業(yè)呈現(xiàn)“東多西少”分布不均的局勢(shì)，冷鏈企業(yè)主要集中在沿海地帶和一線發(fā)達(dá)城市，但承擔(dān)了全國(guó)大部分生鮮農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)交易的中西部地區(qū)冷鏈資源匱乏，發(fā)展相對(duì)滯后。因此，提高西北地區(qū)鐵路冷鏈物流運(yùn)輸量至關(guān)重要，即研究如何提高鐵路冷鏈占比最大的冷藏集裝箱的市場(chǎng)運(yùn)輸量[2]。

" 鑒于問題的重大意義，何遠(yuǎn)新等[3-4]分析了40ft冷藏集裝箱不同風(fēng)道長(zhǎng)度條件下車內(nèi)的溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)；賈發(fā)銅等[5]綜述了貨物堆碼、送風(fēng)速度、送回風(fēng)形式、風(fēng)機(jī)位置等因素對(duì)冷藏集裝箱溫度分布的影響；闞安康等[6]結(jié)合模擬仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證研究了船舶冷藏集裝箱艙室內(nèi)的通風(fēng)方式；于永順等[7]基于CFD模擬了差壓式送風(fēng)方式下冷庫(kù)內(nèi)流場(chǎng)分布的特征；Castelein et al.[8]全面概述了冷藏集裝箱行業(yè)，以及冷藏集裝箱最重要的特征和未來(lái)趨勢(shì)，并對(duì)冷藏集裝箱和集裝箱物流兩方面的學(xué)術(shù)研究進(jìn)行了系統(tǒng)綜述；方文康等[9]基于Fluent軟件，模擬仿真了保溫包裝箱溫度場(chǎng)的多溫區(qū)；郭志鵬等[10]結(jié)合模擬仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證研究了冷藏集裝箱內(nèi)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律；柴琳等[11]研究了不同預(yù)冷風(fēng)速下蒜薹多孔介質(zhì)孔隙率的變化；劉恩海等[12]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同蔬菜的真空預(yù)冷效果，并研究了鮮切生姜的預(yù)冷保鮮；王威等[13]以機(jī)械式冷藏集裝箱和番茄為研究對(duì)象，模擬研究了不同送風(fēng)速度下冷藏集裝箱內(nèi)果蔬水分耗散的分布規(guī)律；李鋒等[14]采用熱平衡法對(duì)比分析了三種不同工況下箱體的傳熱系數(shù)和漏熱率，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)工況下測(cè)得的傳熱系數(shù)和漏熱率較為穩(wěn)定，而非穩(wěn)態(tài)工況下對(duì)集裝箱熱工性能的測(cè)試也具有一定的準(zhǔn)確性。

" 總之，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者就冷藏集裝箱的仿真實(shí)驗(yàn)做了大量工作，但是，目前的研究?jī)H僅局限于沿海地區(qū)的航海運(yùn)輸，這方面的研究成果較多，對(duì)于西北特殊環(huán)境太陽(yáng)輻射下的冷藏集裝箱溫度場(chǎng)分布還未有過相關(guān)研究，而且目前針對(duì)風(fēng)速的研究?jī)H僅是風(fēng)速越大，溫度場(chǎng)的均勻性越穩(wěn)定，但引起的易腐貨物干耗越快、額外能耗越大、貨損率較高，沒有研究出一個(gè)較為合理科學(xué)的送風(fēng)速度，該問題還未得到有效解決。本文選取蘭州作為研究地點(diǎn)，以20ft國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)鋼質(zhì)冷藏集裝箱為研究對(duì)象，運(yùn)用Fluent軟件建立物理模型并進(jìn)行算法求解，研究西北地區(qū)太陽(yáng)輻射下出風(fēng)道的不同風(fēng)速對(duì)冷藏集裝箱溫度場(chǎng)的影響，進(jìn)而設(shè)計(jì)優(yōu)化冷藏集裝箱。

1" 物理模型

以20ft國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)鋼質(zhì)冷藏集裝箱為研究對(duì)象，箱體外部尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為6 058mm×2 438mm×2 591mm；箱體內(nèi)部尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為5 468mm×2 294mm×2 273mm。箱體頂板和側(cè)板均采用MGSS不銹鋼，金屬鋁作為箱體底板，聚氨酯作為保溫隔熱材料，其中MGSS不銹鋼厚度為15mm，金屬底板厚度為20mm，中間夾著聚氨酯保溫隔熱材料，頂板內(nèi)聚氨酯厚度為100mm，側(cè)板和底板內(nèi)聚氨酯厚度為60mm。箱體送風(fēng)方式為下送上回，送風(fēng)口尺寸為1 500mm×400mm；回風(fēng)口尺寸為1 200mm×300mm；箱體總?cè)莘e為28.4m3。

各材料的物理參數(shù)如表1所示。

通過SCDM進(jìn)行三維建模，將冷藏集裝箱可簡(jiǎn)化為一個(gè)正方體，簡(jiǎn)化后的冷藏集裝箱物理模型見圖1，其中圖1（a）為送風(fēng)口和回風(fēng)口的平面簡(jiǎn)圖，圖1（b）為冷藏集裝箱整體簡(jiǎn)圖。之后采用補(bǔ)丁適形法對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)送風(fēng)口和回風(fēng)口進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格單元數(shù)量大約為25萬(wàn)個(gè)，平均單元質(zhì)量為0.837，滿足模型要求。

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)：（1）箱內(nèi)空氣為不可壓縮流體且符合Boussinesq假設(shè)；（2）箱內(nèi)氣密性良好，不考慮漏氣的影響；（3）忽略溫度變化對(duì)箱內(nèi)空氣物性參數(shù)的影響；（4）忽略T型槽對(duì)流體的影響。

" 采用K-ε模型和SIMPLE算法對(duì)冷藏集裝箱內(nèi)的空氣流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，以及有限體積法中的控制方程，包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u，v，w分別表示x、y、z三個(gè)方向的速度，m/s。

3" 邊界條件及求解

入口邊界條件：設(shè)定速度進(jìn)口邊界條件“Velocity-let”，送風(fēng)溫度T=0℃，送風(fēng)速度分別為V=3m/s 、6m/s、9m/s。

" 標(biāo)準(zhǔn)狀況下，當(dāng)空氣的溫度為0℃時(shí)，密度為ρ=1.293kg/m3，動(dòng)力粘度系數(shù)為η=1.75×10-5Pa·S。

K-ε模型參數(shù)計(jì)算如表2所示。

出口邊界條件：采用邊界條件“outflow”。

" 壁面邊界條件：針對(duì)集裝箱內(nèi)部流場(chǎng)，采用無(wú)滑移邊界條件，即u=v=w=0。

重力條件：設(shè)置模型Z方向上的重力加速度為-9.81m/s2。

" 外界條件：冷藏集裝箱所處的外界環(huán)境溫度選用蘭州市7月份最高溫度38℃，箱內(nèi)初始流場(chǎng)溫度及壁面溫度設(shè)置為25℃。

太陽(yáng)輻射條件：蘭州市位于北緯36°，東經(jīng)103°，時(shí)區(qū)為東八區(qū)；設(shè)置太陽(yáng)光線追蹤時(shí)間為2023年7月9日13點(diǎn)，太陽(yáng)直射點(diǎn)為東北方向，輻射強(qiáng)度可求得為97.116W/m2。

" 基于查閱文獻(xiàn)的各種傳熱熱阻及前人的研究成果，冷藏集裝箱箱體壁面的傳熱系數(shù)如表3所示。

4" 模擬結(jié)果與分析

利用Fluent對(duì)模型進(jìn)行模擬求解，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.1s，最大迭代步數(shù)設(shè)置為10步，對(duì)比分析了太陽(yáng)輻射和不同的送風(fēng)速度對(duì)冷藏集裝箱溫度場(chǎng)的影響。此外，為了便于觀察冷藏集裝箱內(nèi)部流場(chǎng)狀況，更深入地研究不同因素對(duì)冷藏集裝箱溫度場(chǎng)的影響，分別選取了集裝箱模型內(nèi)部四個(gè)截面，XY方向等距的三個(gè)截面圖和YZ方向的中心截面圖。內(nèi)部截面圖如圖2所示。

4.1" 太陽(yáng)輻射對(duì)冷藏集裝箱溫度場(chǎng)的影響

當(dāng)送風(fēng)口風(fēng)速為6m/s時(shí)，太陽(yáng)輻射對(duì)冷藏集裝箱的影響情況分別如圖3至圖7所示。

" 圖3顯示了集裝箱達(dá)到最高溫度27.4℃時(shí)的溫度整體分布情況，最高溫度位于集裝箱的箱邊和箱角。圖4為冷藏集裝箱XY方向內(nèi)部截面圖的溫度分布云圖，圖5為冷藏集裝箱太陽(yáng)直射面（a）與背陰面（b）的溫度分布云圖，可以看出，由于太陽(yáng)輻射，太陽(yáng)直射面的降溫速度明顯慢于背陰面。圖6顯示出冷藏集裝箱YZ方向中心截面的溫度變化情況，可以看出，由于回風(fēng)口的作用，空氣自送風(fēng)口送出后，首先在箱體前部形成一個(gè)漩渦，漩渦內(nèi)部降溫最快，并逐漸向回風(fēng)口靠攏，最后流向箱體后部。圖7為集裝箱制冷前、中、后期溫度場(chǎng)的整體分布云圖，可以看出，在制冷前期，由于回風(fēng)口的作用，箱體前中部首先開始降溫，如圖7（a）和圖7（b）所示；在制冷中期，隨著空氣向后流動(dòng)，箱體后部逐漸開始降溫，最終平均溫度低于箱體前部，如圖7（c）和圖7（d）所示；在制冷后期，箱體內(nèi)部的溫度整體降低，但是箱體前部的箱角仍處于高溫區(qū)域，并且箱體頂角的降溫速度快于箱體底角，如圖7（e）和圖7（f）所示。

圖8為太陽(yáng)輻射和無(wú)太陽(yáng)輻射下冷藏集裝箱的溫度變化情況。

由圖8可知，在制冷過程前期，由于箱體壁面溫度較高以及空氣的換熱作用，冷藏集裝箱溫度略微上升，且太陽(yáng)輻射下的集裝箱溫度整體高于無(wú)太陽(yáng)輻射下的集裝箱，太陽(yáng)輻射下集裝箱最高溫度可達(dá)27.4℃，無(wú)太陽(yáng)輻射的集裝箱最高溫度為25.5℃。隨著制冷系統(tǒng)的工作，冷藏集裝箱的溫度逐漸降低，無(wú)太陽(yáng)輻射下的集裝箱首先開始降溫，并且，在降溫過程中，其集裝箱溫度整體低于太陽(yáng)輻射下的集裝箱。

4.2" 送風(fēng)速度對(duì)冷藏集裝箱溫度場(chǎng)的影響

" 當(dāng)送風(fēng)口風(fēng)速為3m/s、6m/s、9m/s時(shí)，太陽(yáng)輻射對(duì)冷藏集裝箱的影響情況如圖9所示。

由圖9可知，由于空氣換熱、壁面導(dǎo)熱及太陽(yáng)輻射，冷藏集裝箱的溫度逐漸上升。當(dāng)送風(fēng)口風(fēng)速為3m/s、6m/s、9m/s時(shí)，集裝箱的最高溫度分別為28.0℃、27.4℃、26.8℃，且風(fēng)速為9m/s的集裝箱首先到達(dá)最高溫度，風(fēng)速為3m/s的集裝箱最后到達(dá)最高溫度。隨著制冷系統(tǒng)的運(yùn)行，冷藏集裝箱的溫度逐漸下降，且風(fēng)速為9m/s的集裝箱首先開始降溫，風(fēng)速為3m/s的集裝箱最后降溫。在制冷后期，風(fēng)速為9m/s的集裝箱首先降溫至5℃，風(fēng)速為6m/s的集裝箱次之。并且在整個(gè)制冷過程中，風(fēng)速為9m/s的集裝箱溫度整體低于3m/s和6m/s的。此外，當(dāng)送風(fēng)速度為9m/s時(shí)，在迭代時(shí)間50～80s這個(gè)時(shí)間段，集裝箱溫度快速降低，這是因?yàn)轱L(fēng)速過大，在箱體前部造成局部湍流，導(dǎo)致箱內(nèi)溫差過大，影響溫度場(chǎng)的均勻性。

5" 結(jié)" 論

為確保冷藏集裝箱運(yùn)輸貨物的質(zhì)量，通過運(yùn)用Fluent軟件對(duì)集裝箱進(jìn)行模擬仿真，分析太陽(yáng)輻射和送風(fēng)速度對(duì)集裝箱溫度場(chǎng)的影響情況，可得到以下四點(diǎn)結(jié)論：

（1）太陽(yáng)輻射對(duì)冷藏集裝箱溫度場(chǎng)的影響較大，必須加以考慮。因此，在西北地區(qū)運(yùn)輸過程中，可采用保溫效果更好的隔熱材料或適當(dāng)增加保溫層的厚度，特別是箱體的邊角區(qū)域，以降低太陽(yáng)輻射對(duì)集裝箱內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響。此外，外部環(huán)境溫度對(duì)冷藏集裝箱溫度場(chǎng)的影響還未考慮，應(yīng)在今后加以研究，分別比較太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度對(duì)冷藏集裝箱溫度場(chǎng)的影響情況，哪種因素的影響占比較大。

" （2）對(duì)于機(jī)械式冷藏集裝箱，采用下送上回的送風(fēng)方式，在箱體前部的邊角處容易形成局部高溫區(qū)域。因此，在鮮活易腐貨物運(yùn)輸過程中，應(yīng)著重考慮這一區(qū)域，以免影響貨物的運(yùn)輸質(zhì)量。并且，可在今后的研究中，考慮上送下回的送風(fēng)方式，也可考慮兩側(cè)送風(fēng)方式，對(duì)比哪種送風(fēng)方式對(duì)均勻箱內(nèi)溫度場(chǎng)更有效，提高箱內(nèi)冷藏貨物的運(yùn)輸質(zhì)量。

" （3）針對(duì)送風(fēng)式冷藏集裝箱，送風(fēng)速度越大，降溫速度越快，降溫效果越好。但是，如果送風(fēng)速度過大，不僅容易造成局部湍流現(xiàn)象，影響箱內(nèi)溫度場(chǎng)的穩(wěn)定性，提高箱內(nèi)貨物的干耗率；而且會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本。因此，應(yīng)結(jié)合運(yùn)輸貨物種類及運(yùn)輸環(huán)境采取適當(dāng)?shù)乃惋L(fēng)速度。在本文的研究中，應(yīng)采用6m/s的送風(fēng)口風(fēng)速，該風(fēng)速不僅較快地均勻了集裝箱內(nèi)的溫度場(chǎng)，而且防止了局部湍流現(xiàn)象，降低了貨物干耗率和經(jīng)濟(jì)成本。

" （4）在冷藏集裝箱制冷前期，由于箱體及外部環(huán)境的溫度較高，集裝箱整體溫度會(huì)略微上升，之后隨著冷空氣的送入，集裝箱溫度會(huì)逐漸降低。因此，在實(shí)際運(yùn)輸貨物中，可在制冷前期增大送風(fēng)速度或降低送風(fēng)溫度，使集裝箱在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需溫度，避免箱內(nèi)溫度場(chǎng)的劇烈波動(dòng)，達(dá)到較好的預(yù)冷效果。

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收稿日期：2024-03-21

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司科技發(fā)展項(xiàng)目（LZJKY2023086-1）

作者簡(jiǎn)介：李修嶺（1972—），男，山東德州人，中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司科研技術(shù)監(jiān)督所，高級(jí)工程師，研究方向：科技管理；趙" 前（2000—），女，陜西渭南人，蘭州交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院碩士研究生，研究方向：交通運(yùn)輸。

引文格式：李修嶺，趙前. 太陽(yáng)輻射下送風(fēng)速度對(duì)冷藏集裝箱溫度的影響[J]. 物流科技，2025，48（7）：47-51，63.