多溫區(qū)冷藏車回風(fēng)導(dǎo)軌對(duì)廂內(nèi)溫度場(chǎng)的影響分析

趙鑫鑫 王家敏， 李麗娟 姜兆亮

ZH AO Xin－xin 1 WANG Jia－min 1，2 LI Li－juan 2 JIANG Zhao－liang 1

（1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代物流工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250103）

（1.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China；2.National Agricultural Modern Logistics Engineering Technology Research Center，Jinan，Shandong 250103，China）

人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活水平，加速了不同地區(qū)之間的物資流通。“多品種、小批量”的產(chǎn)品需求模式，對(duì)中短程運(yùn)輸提出了更高要求。單溫區(qū)冷藏車無(wú)法同次運(yùn)輸溫度要求不同的貨物，尤其是中短途配送中經(jīng)常出現(xiàn)半倉(cāng)現(xiàn)象［1］。而多溫區(qū)冷藏車可以滿足不同溫度需求貨物的同批次運(yùn)輸，有效提高運(yùn)輸效率。其中，多溫區(qū)冷藏車各溫區(qū)之間的協(xié)同工作是實(shí)現(xiàn)同批次、多品類運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵。

冷藏車儲(chǔ)運(yùn)能力依賴于車廂內(nèi)的空氣流場(chǎng)和溫度分布的均勻性，氣流組織的優(yōu)劣直接影響著冷藏車的冷藏效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)冷藏車的車廂內(nèi)部氣流組織進(jìn)行了大量研究［2，3］。張婭妮等［4］、Moureh J等［5－7］針對(duì)風(fēng)道布局、送風(fēng)速度和貨物堆碼方式等影響因素，借助三維湍流模型對(duì)冷藏車車廂內(nèi)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，研究表明：當(dāng)出風(fēng)口緊貼車廂頂棚時(shí)，會(huì)在車廂內(nèi)形成貼壁射流，以便將氣流送到車廂尾部。增加向后引導(dǎo)氣流的通風(fēng)管道，有助于使氣流均勻分布在整個(gè)車廂，并降低車廂前部的氣流強(qiáng)度。

多溫區(qū)冷藏車已逐漸應(yīng)用于市場(chǎng)，并進(jìn)行了相關(guān)傳熱計(jì)算［8］，但是單蒸發(fā)器多溫區(qū)冷藏車廂內(nèi)送風(fēng)、回風(fēng)方式尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本研究擬利用Fluent軟件，對(duì)單蒸發(fā)器多溫區(qū)冷藏車開(kāi)展數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析回風(fēng)導(dǎo)軌對(duì)廂內(nèi)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。試驗(yàn)中采用不同回風(fēng)方式，其它影響因素保持不變，得到不同條件下的廂內(nèi)溫度分布數(shù)據(jù)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，得到車廂底部回風(fēng)導(dǎo)軌對(duì)車廂內(nèi)溫度分布影響機(jī)理，這對(duì)優(yōu)化多溫區(qū)冷藏車廂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

1 多溫區(qū)冷藏車廂模型

1.1 物理模型

試驗(yàn)選用單蒸發(fā)器多溫區(qū)冷藏車，車廂內(nèi)部的長(zhǎng)、寬、高尺寸為7 600 mm×2 500 mm×2 600 mm。車廂內(nèi)用可移動(dòng)隔板分隔分為冷凍區(qū)（F）、冷藏區(qū)（C）和常溫區(qū)（N）3個(gè)溫區(qū)，各分區(qū)的長(zhǎng)度依次為2 600，2 500，2 500 mm（見(jiàn)圖1）。

各溫區(qū)制冷方式不同，冷凍區(qū)F依靠蒸發(fā)器制冷，冷藏區(qū)C和常溫區(qū)N則依靠送風(fēng)風(fēng)道傳送冷量，再經(jīng)車廂底部X方向?qū)к壷g空隙實(shí)現(xiàn)回風(fēng)，完成制冷循環(huán)。冷凍區(qū)溫度一般在－18℃左右，主要運(yùn)輸肉類、海鮮等；冷藏區(qū)溫度一般在0～10℃，主要運(yùn)輸生鮮農(nóng)產(chǎn)品；常溫區(qū)溫度一般在20℃左右，主要運(yùn)輸?shù)邦悺⑿迈r食品等。本次試驗(yàn)主要研究車廂載貨區(qū)的溫度場(chǎng)分布狀況，故將風(fēng)道簡(jiǎn)化成送風(fēng)口展開(kāi)數(shù)值模擬。為對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果，共進(jìn)行空倉(cāng)和車廂載貨兩種狀態(tài)下的模擬仿真試驗(yàn)。載貨狀態(tài)是采用典型的兩排堆垛方式［9］，貨物簡(jiǎn)化成尺寸為500 mm×900 mm×1 800 mm長(zhǎng)方體模型，與車廂底部有200 mm間隔，以便氣流回流。貨物模型X方向間隔250 mm，Y方向間隔200 mm，以便氣流能夠在貨物模型之間充分流通。通過(guò)定義貨物的密度、比熱和傳熱系數(shù)等參數(shù)，進(jìn)行有熱源模擬。

圖1 車廂物理模型圖Figure 1 The carriages physical model

1.2 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)：

（1）車廂內(nèi)氣體不可壓縮且符合Boussinesq假設(shè)；

（2）車廂內(nèi)氣體在車廂壁面上無(wú)滑移；

（3）車廂側(cè)壁氣密性良好，無(wú)漏氣現(xiàn)象；

（4）廂內(nèi)氣體滿足摩擦定律，為牛頓流體。

依據(jù)上述假設(shè)，根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)條件，選用標(biāo)準(zhǔn)K－ε模型進(jìn)行數(shù)值求解。標(biāo)準(zhǔn)K－ε模型起源于試驗(yàn)現(xiàn)象的總結(jié)，比零方程模型和一方程模型更加貼近實(shí)際情況，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究及工程實(shí)踐。標(biāo)準(zhǔn)K－ε模型在湍動(dòng)能K方程的基礎(chǔ)上引入湍流耗散率ε方程，對(duì)應(yīng)的控制方程組如下［10］：

連續(xù)方程表達(dá)式為

能量方程表達(dá)式為

K方程表達(dá)式為

ε方程表達(dá)式為

Gk表達(dá)式為

式中：

ρ—— 流體密度，kg／m3；

t—— 時(shí)間參數(shù)，s；

U—— 速度，m／s；

x—— 位移，m；

T—— 溫度，K；

μ—— 粘性系數(shù)，Pa·s；

k—— 湍動(dòng)能；

ε——湍動(dòng)能耗散率；

Cp—— 定壓比熱；

C1ε—— 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

C2ε—— 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

Qr—— 輻射熱，J；

WsQs——流體單位體積重反應(yīng)放熱，J；

σT——湍流對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；

σk——湍動(dòng)能k對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；

σε—— 耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；

Gk——平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k產(chǎn)生項(xiàng)。

根據(jù)文獻(xiàn)［11］，經(jīng)驗(yàn)常數(shù)C1ε、C2ε、σk和σε的取值分別為C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.3。

1.3 邊界條件

車廂送風(fēng)口采用速度入口邊界，把送風(fēng)口溫度和風(fēng)速的平均值設(shè)為送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度，其中送風(fēng)速度方向垂直于送風(fēng)口平面，出風(fēng)口邊界采用壓力出口邊界。車廂壁面均采用無(wú)滑移邊界條件，其主要成份包括硬聚氨酯和玻璃鋼，熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)為0.021 W／（m·K）。由于標(biāo)準(zhǔn)K－ε模型屬高雷諾數(shù)模型，主要處理離開(kāi)壁面一定距離的湍流區(qū)域。本試驗(yàn)采用工程計(jì)算常用的壁面函數(shù)法處理壁面附近粘性支層中的流動(dòng)和換熱的計(jì)算［12］。

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)

計(jì)算流體力學(xué)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和離散化的數(shù)值方法求解流體的流動(dòng)和能量傳遞。在冷藏車研究領(lǐng)域，計(jì)算流體力學(xué)主要應(yīng)用于儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的制冷和傳熱問(wèn)題［13］。對(duì)冷藏車廂物理模型進(jìn)行離散化，設(shè)置上述邊界條件，利用商用模擬軟件Fluent對(duì)多溫區(qū)冷藏車廂開(kāi)展數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究車廂內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況。

物理模型中，冷藏車鋪設(shè)X方向?qū)к墸▽?dǎo)軌長(zhǎng)度方向?yàn)閄），導(dǎo)軌與可移動(dòng)隔板之間屬摩擦接觸，隔板可借助于車廂側(cè)壁卡槽沿X方向移動(dòng)。冷藏區(qū)和常溫區(qū)經(jīng)送風(fēng)風(fēng)道提供冷量，然后依靠壓力作用，使得氣流沿車廂底部導(dǎo)軌之間的空隙流到冷凍區(qū)，實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。故導(dǎo)軌高度與界面形狀決定了回風(fēng)面積的大小，即導(dǎo)軌高度影響著冷藏車廂內(nèi)氣流分布。根據(jù)前期模擬試驗(yàn)結(jié)果，冷藏區(qū)和常溫區(qū)送風(fēng)溫度分別為275，286 K，送風(fēng)口風(fēng)速均設(shè)為3 m／s，出風(fēng)口位置居溫區(qū)中部位置［14］。送風(fēng)角度為45°，改變車廂回風(fēng)導(dǎo)軌高度，經(jīng)過(guò)數(shù)值迭代計(jì)算得到不同的車廂溫度場(chǎng)分布狀況。結(jié)合實(shí)際調(diào)研，回風(fēng)導(dǎo)軌高度分別取40，80，120 mm。為準(zhǔn)確反映車廂內(nèi)溫度分布狀況，在冷藏區(qū)和常溫區(qū)各取具有代表性的15個(gè)點(diǎn)，分布如圖2所示，其中各點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表1。針對(duì)相應(yīng)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計(jì)，以分析回風(fēng)導(dǎo)軌對(duì)車廂內(nèi)溫度分布均勻性的影響規(guī)律。

圖2 溫度采集點(diǎn)分布圖Figure 2 Distribution of temperature points

表1 溫度采集點(diǎn)坐標(biāo)Table 1 The coordinates of temperature points／m

2.1 空倉(cāng)狀態(tài)下溫度場(chǎng)分析

空倉(cāng)狀態(tài)下的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬試驗(yàn)中，改變回風(fēng)導(dǎo)軌的高度，其它影響因素保持不變，運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行迭代計(jì)算。待迭代穩(wěn)定后，對(duì)車廂冷藏區(qū)和常溫區(qū)溫度場(chǎng)采集15個(gè)點(diǎn)（見(jiàn)圖2）的溫度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行整理，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，前4個(gè)溫度采集點(diǎn)和后4個(gè)溫度采集點(diǎn)的溫度偏高而中間溫度偏低。說(shuō)明車廂中部溫度偏低而上下部分溫度偏高。針對(duì)冷藏車溫度場(chǎng)分布，通常選用溫度不均勻系數(shù)K作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。溫度不均勻系數(shù)越小說(shuō)明冷藏車廂內(nèi)溫度分布越均勻，則冷藏車在此狀態(tài)下儲(chǔ)運(yùn)效果最佳。溫度不均勻系數(shù)K計(jì)算公式為

表2 空倉(cāng)狀態(tài)下溫度分布數(shù)據(jù)Table 2 Temperature distribution data in no－load state ／K

式中：

K——溫度不均勻系數(shù)；

珋t——平均溫度，K；

σt——均方根偏差；

n——溫度數(shù)據(jù)總數(shù)。

針對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到表3。由表3可知，冷藏區(qū)內(nèi)不同回風(fēng)導(dǎo)軌高度對(duì)應(yīng)的K值要遠(yuǎn)大于常溫區(qū)對(duì)應(yīng)的K值，同時(shí)冷藏區(qū)內(nèi)K值變化幅度也要高于常溫區(qū)的。說(shuō)明在多溫區(qū)冷藏車中，常溫區(qū)的溫度場(chǎng)分布要比冷藏區(qū)溫度場(chǎng)分布更加均勻。其中，冷藏區(qū)溫度場(chǎng)分布狀態(tài)受回風(fēng)導(dǎo)軌影響現(xiàn)象更加明顯。

圖3為空倉(cāng)狀態(tài)下K值與導(dǎo)軌高度h之間分布曲線。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，冷藏區(qū)和常溫區(qū)采用40 mm回風(fēng)導(dǎo)軌對(duì)應(yīng)K值最小，即溫度分布最均勻；采用80 mm回風(fēng)導(dǎo)軌對(duì)應(yīng)K值最大，即溫度分布最不均勻。隨著回風(fēng)導(dǎo)軌高度增加，溫度不均勻系數(shù)先增大、后減小，兩者近似呈“凸型曲線”分布。

表3 空倉(cāng)狀態(tài)下溫度不均勻系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 3 Temperature coefficient of uniformity results

圖3 空倉(cāng)狀態(tài)K值分布圖Figure 3 K－value distribution in no－load state

2.2 載貨狀態(tài)下溫度場(chǎng)分布

載貨狀態(tài)下的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬試驗(yàn)中，改變回風(fēng)導(dǎo)軌的高度，其它影響因素保持不變，運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行迭代計(jì)算。待迭代穩(wěn)定后，對(duì)車廂冷藏區(qū)和常溫區(qū)溫度場(chǎng)采集15個(gè)點(diǎn)（見(jiàn)圖2）的溫度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行整理，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，15個(gè)點(diǎn)溫度分布參差不齊，與空倉(cāng)狀態(tài)下不同，并沒(méi)有中間偏低，上下部分偏高規(guī)律。對(duì)表4中數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度不均勻系數(shù)計(jì)算，結(jié)果（表5）表明：在不同導(dǎo)軌高度下，冷藏區(qū)和常溫區(qū)平均溫度變化并不明顯，但是溫度不均勻系數(shù)存在明顯差異。載貨狀態(tài)下冷藏區(qū)和常溫區(qū)的K值相比于表3均有不同程度增加。說(shuō)明裝載貨物會(huì)影響車廂內(nèi)溫度均勻性，致使溫度分布更加不均勻，且常溫區(qū)受載貨影響程度更嚴(yán)重。

圖4為空倉(cāng)狀態(tài)下K值與導(dǎo)軌高度h之間分布曲線。由圖4可知：冷藏區(qū)內(nèi)不同回風(fēng)導(dǎo)軌高度對(duì)應(yīng)的K值要大于常溫區(qū)對(duì)應(yīng)的K值，同時(shí)冷藏區(qū)內(nèi)K值變化幅度也要高于常溫區(qū)的。說(shuō)明在多溫區(qū)冷藏車中，常溫區(qū)的溫度場(chǎng)分布要比冷藏區(qū)溫度場(chǎng)分布更加均勻。其中，冷藏區(qū)溫度場(chǎng)分布狀態(tài)受回風(fēng)導(dǎo)軌影響現(xiàn)象更加明顯。冷藏區(qū)和常溫區(qū)采用40 mm回風(fēng)導(dǎo)軌，K值最小；隨著導(dǎo)軌高度的增加，K值不斷增加；采用120 mm回風(fēng)導(dǎo)軌，K值最大，兩者近似呈正比例線性分布。

表4 載貨狀態(tài)下溫度分布數(shù)據(jù)Table 4 Temperature distribution data in loading state ／K

表5 載貨狀態(tài)下溫度不均勻系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 5 Temperature coefficient of uniformity results

圖4 載貨狀態(tài)K值分布圖Figure 4 K－value distribution in loading state

空倉(cāng)狀態(tài)和載貨狀態(tài)下的溫度分布均勻系數(shù)具有較大差異，以冷藏區(qū)溫度場(chǎng)分布狀況進(jìn)行對(duì)比分析。選取過(guò)冷藏區(qū)中心點(diǎn)的OZ方向溫度分布，繪制平面曲線圖見(jiàn)圖5、6。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，空倉(cāng)狀態(tài)下溫度分布曲線跨度較小，溫度分布在279～282 K；載貨狀態(tài)下溫度分布曲線跨度較大，溫度分布在277～288 K。說(shuō)明空倉(cāng)狀態(tài)可以使得車廂內(nèi)氣體充分對(duì)流換熱，溫度場(chǎng)分布均勻；載貨狀態(tài)會(huì)對(duì)車廂內(nèi)流場(chǎng)形成干擾作用，延緩車廂頂部氣流向下流動(dòng)，造成車廂上部溫度低，而車廂底部溫度偏高，存在明顯溫差。

圖5 空倉(cāng)狀態(tài)溫度分布曲線圖Figure 5 Temperature distribution curve in no－load state

2.3 Y方向?qū)к壴O(shè)計(jì)

載貨狀態(tài)下，回風(fēng)導(dǎo)軌高度越小，溫度不均勻系數(shù)越小，在實(shí)際應(yīng)用中要盡量降低冷藏車回風(fēng)導(dǎo)軌的高度。然而由于多溫區(qū)冷藏車各溫區(qū)之間溫差大，常溫區(qū)的回風(fēng)氣流必然通過(guò)冷藏區(qū)底部進(jìn)去冷凍區(qū)，造成冷藏區(qū)和冷凍區(qū)車廂底層溫度偏高。為保護(hù)車廂底部貨物不受高溫氣流干擾，所以回風(fēng)導(dǎo)軌必然要保持一定高度。所以，提出一種新的導(dǎo)軌設(shè)計(jì)方案：原有X方向?qū)к壐难b為Y方向?qū)к墸▽?dǎo)軌長(zhǎng)度方向?yàn)閅），導(dǎo)軌與可移動(dòng)隔板之間屬摩擦接觸，隔板可借助于車廂側(cè)壁卡槽沿X方向移動(dòng)，如圖7所示。導(dǎo)軌之間空隙的距離小于可移動(dòng)隔板的厚度，使得導(dǎo)軌始終對(duì)可移動(dòng)隔板具有支撐作用，保證可移動(dòng)隔板的穩(wěn)定性。導(dǎo)軌長(zhǎng)度應(yīng)小于車廂寬度，使得導(dǎo)軌與車廂壁面留有間隔，以滿足各溫區(qū)回風(fēng)需求。在此采用高度為40 mm回風(fēng)導(dǎo)軌，長(zhǎng)度2 300 mm，在車廂底部?jī)蓚?cè)形成寬度為100 mm空隙。然后按照相同試驗(yàn)條件進(jìn)行裝載貨物下的數(shù)值模擬。

圖6 載貨狀態(tài)溫度分布曲線圖Figure 6 Temperature distribution curve in loading state

圖7 Y方向?qū)к壥疽鈭DFigure 7 Rough sketch of Y direction rail

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行溫度采集，結(jié)果見(jiàn)表6。對(duì)表6中數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度不均勻系數(shù)計(jì)算，冷藏區(qū)K值為2.3×10－3，常溫區(qū)K值為1.69×10－3。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在鋪設(shè)Y方向?qū)к墬l件下，冷藏區(qū)和常溫區(qū)的K值均得到不同程度降低。說(shuō)明Y方向?qū)к壞軌蚋淖冘噹麅?nèi)溫度場(chǎng)分布，提高冷藏區(qū)和常溫區(qū)溫度分布均勻性。

表6 載貨狀態(tài)溫度分布數(shù)據(jù)Table 6 Temperature distribution data in loading state／K

3 結(jié)論

針對(duì)單蒸發(fā)器多溫區(qū)冷藏車，車廂底部回風(fēng)導(dǎo)軌高度的變化在很大程度上會(huì)影響冷藏區(qū)和常溫區(qū)內(nèi)溫度場(chǎng)分布均勻性，其中冷藏區(qū)要比常溫區(qū)受影響程度更大。在空倉(cāng)狀態(tài)下，回風(fēng)導(dǎo)軌高度與溫度不均勻系數(shù)近似呈“凸型曲線”分布；在載貨狀態(tài)下，回風(fēng)導(dǎo)軌高度與溫度不均勻系數(shù)近似呈正比例線性分布。

目前針對(duì)多溫區(qū)冷藏車的研究主要圍繞送風(fēng)風(fēng)速、堆貨方式和車廂傳熱等問(wèn)題，回風(fēng)導(dǎo)軌對(duì)廂內(nèi)溫度分布影響還尚未見(jiàn)諸報(bào)道。本試驗(yàn)研究車廂導(dǎo)軌對(duì)冷藏車廂內(nèi)溫度分布的影響，得到不同條件下車廂內(nèi)溫度分布狀況，為單蒸發(fā)器多溫區(qū)冷藏車性能優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。

載貨狀態(tài)下，降低車廂導(dǎo)軌高度能夠使得車廂內(nèi)溫度分布更加均勻。然而車廂底部導(dǎo)軌過(guò)低，會(huì)使得車廂底部貨物受到高溫氣流的影響，甚至發(fā)生貨物腐敗現(xiàn)象，嚴(yán)重降低冷藏車的儲(chǔ)運(yùn)能力。所以在實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)軌必須滿足一定的高度，才能保證底部貨物品質(zhì)。由于受不同尺寸和制冷量等因素的影響，本成果有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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