冷藏車內(nèi)部流場的數(shù)值研究

【摘 要】我們能夠吃到新鮮的蔬菜、瓜果、肉類、海產(chǎn)品等食物，大多依賴于冷藏車的冷藏特性，才能使得新鮮的蔬果避免腐壞，冷藏車已成為我們的生產(chǎn)和生活中必不可少的一部分，冷藏車內(nèi)部流場，直接決定冷藏車的冷藏質(zhì)量，對于冷藏車內(nèi)部流場的數(shù)值研究已成為國內(nèi)外研究的重要課題。本文主要通過數(shù)值模擬的方式對冷藏車內(nèi)部流場進行研究。

【關鍵詞】冷藏車；內(nèi)部流場；物理模型；數(shù)學模型；數(shù)值研究

0 前言

冷藏車內(nèi)部流場值得是冷藏車內(nèi)部的空氣流場，空氣流場又決定了冷藏的效果，因此，內(nèi)部流場直接關系到所運物品的特性、蒸發(fā)設備的性能、制冷設備的性能等，通過對其進行數(shù)值研究，達到科學組織冷藏車內(nèi)部流場，以實現(xiàn)冷藏效果，節(jié)省資源，保證食物質(zhì)量的目的。隨著科學技術的不斷發(fā)展和計算機的不斷普及，內(nèi)部流場的數(shù)值模擬研究中主要應用了CFD技術和Fluent軟件，首先通過獲取冷藏車內(nèi)部流場的溫度數(shù)值和溫度分布的情況，然后對其結果采用科學的實驗方法進行驗證，這種研究方法對冷藏車的設計、對冷藏車資源的消耗、冷藏的效果等具有十分重要的作用。

1 現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的冷藏車內(nèi)部流場的數(shù)值研究的方法，是通過實驗法，就是通過做實驗的方法對內(nèi)部流場的數(shù)值進行測量，或者可視法，也就是將內(nèi)部氣流流場視作實體化進行數(shù)值研究，但是，傳統(tǒng)的數(shù)值研究方法由于研究成本較高，且無法獲取冷藏車內(nèi)部流場的準確的數(shù)值，都不太適合現(xiàn)實的應用或者應用起來比較困難，也就難以適應現(xiàn)代研究的需求。隨著科學技術的不斷發(fā)展，數(shù)值研究也得到了較大發(fā)展，模擬法的發(fā)展為內(nèi)部流場的研究提供了新的研究方法，將數(shù)值研究和模擬法相結合，能夠將內(nèi)部流場的實際運行狀態(tài)通過模擬獲得各種所需的信息，具有費用低、時間短、結果快且準的優(yōu)點，對于內(nèi)部流場的數(shù)值研究有重要的意義。

2 物理模型

冷藏車的主要部分是冷藏車廂，主要由制冷設備、溫度儀、隔熱保溫板組成，隔熱保溫板組成了車廂的箱體，隔熱保溫板一般是由高分子材料聚氨酯材料構成的，這種高分子材料具有密度低、隔熱性能良好、使用壽命較長的優(yōu)點。本文研究的冷藏車車廂的物理模型，我們將其簡化處理后，將其視作長方體的尺寸數(shù)據(jù)為：長5.5m*寬2.2m*高1.9m。

3 數(shù)學模型

建立內(nèi)部流場的數(shù)學模型，首先我們要先確定各變量，我們將車廂的寬作為X變量，將車廂高作為Y變量，將車廂的長作為Z變量，然后進行數(shù)學建模，一般我們采用的是控制方程的方法，其主要是由連續(xù)方程、動量方程以及紊流能量方程等構成的方程組。綜合之后，其通用方程為：div（ρVφ）=div（Гgradφ）+S

φ表示通用變量；

Г是與φ相對應的廣義擴散系數(shù)；

S是與φ相對應的廣義源項。

通過以上方程，我們就可以得到k-ξ模型的中的車廂內(nèi)部流場有關的方程，如圖1所示。

我們給定入口的速度，將作為入口邊界；將出口的各方向的數(shù)值，是根據(jù)壓力大小和溫度的變化確定的，將其作為出口邊界；箱體的避免進行無滑移邊處理，作為壁面的邊界。應用Fluent軟件對我們的數(shù)學建模進行計算，獲得冷藏車內(nèi)部流場的數(shù)值。通過計算可知，沿著車廂長的Z方向的車廂壁面的前上方和后上方的溫度極高，這是因為氣流分布不均勻達不到車廂角，形成了死角。車廂的進風口處，溫度最低，且濕度也最低；車廂的避免處，溫度較高，原因是車廂壁面與外界空氣的傳熱作用，以及避免采用的是無滑移處理方法因此，溫度較高，且壁面的溫度呈現(xiàn)一個四角溫度高中間溫度低的分布趨勢，且該區(qū)域的濕度也較高；車廂周圍的四個順直方向上，溫度也較高；車廂中心部位，由于熱傳遞較慢的原因，溫度要比車廂進風口處高；車廂內(nèi)物體自身的原因、渦流現(xiàn)象及氣流速度慢的原因，造成物品堆放區(qū)的溫度也較高，且濕度最高。

為了確保數(shù)學建模所得數(shù)值與實際數(shù)值一致，我們對車廂溫度進行了實驗驗證，分別沿車廂長、寬、高部位設置溫度記錄儀，記錄實際的車廂溫度值。因為我們建立的數(shù)學模型對各因素的分析還是存在漏洞的，對某些因素采用了近似或者忽略的處理方式，另外，呼吸作用、渦流現(xiàn)象的作用效果比較復雜，我們在數(shù)值研究過程中難免有一些誤差存在。通過實驗統(tǒng)計后比較發(fā)現(xiàn)，我們通過數(shù)學建模分析得到的內(nèi)部流場的溫度數(shù)值與實際車廂內(nèi)部的數(shù)值雖然有一定差異，但是基本是一致的，證明我們數(shù)學模型分析的結果是正確的，是合乎實際情況的。

通過以上研究，我們發(fā)現(xiàn)影響冷藏車內(nèi)部流場的影響因素有很多，比如所運物品自身的原因（如呼吸作用等）、渦流作用、內(nèi)外部的熱交換作用、制冷設備的性能高低、車體所選材料的保溫隔熱性能、車廂開門關門的次數(shù)、分子熱運動等，這些宏觀或者微觀的影響因素對冷藏車內(nèi)部流場的溫度和濕度存在較大的影響。我們發(fā)現(xiàn)車廂壁面的溫度最高，進風口處的溫度最低，物品堆放區(qū)的溫度較高，且濕度較高，物品堆放區(qū)的左右邊界溫度相對一致，但是上下部位的溫度存在較大的差異。冷藏車內(nèi)部流場的氣流分布不均勻且造成了資源和能源的浪費。

4 結束語

綜上所述，我們采用了CFD技術和Fluent軟件對冷藏車內(nèi)部流場進行了數(shù)值研究，對冷藏車內(nèi)部流場數(shù)值研究用到的理論進行了簡單介紹，對冷藏車的物理模型進行了簡單的假設，并根據(jù)所建立的物力模型的尺寸進行了數(shù)學建模，通過確定各變量，帶入方程中進行計算后，得出車廂內(nèi)部流場的情況，并得出結論，在分析冷藏車內(nèi)部流場的影響因素后，得出了冷藏車內(nèi)部流場在車廂高度方向上分布不均，溫度和濕度分布不合理的結果，并通過實驗進行驗證，發(fā)現(xiàn)與我們數(shù)學建模獲得的數(shù)據(jù)基本一致。我們對冷藏車內(nèi)部流場的數(shù)值研究對于冷藏車未來的發(fā)展和設計具有重要的指導意義，對于今后需要冷藏物體的儲藏方法提供了有價值的參考信息。

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