冷藏車開門過程廂體內溫度的數值模擬和實驗研究

張婧瑜 郭 域

（1.上海市質量監督檢驗技術研究院 上海 201114；2.深圳市大沙河建設投資有限公司 深圳 518000）

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展，冷鏈物流迅速崛起。冷藏車作為冷藏鏈的重要中間環節，是重要的陸地運輸易腐食品的交通工具[1]。冷藏運輸過程中的溫度是冷藏效果的一項重要評價指標，越來越受到人們的關注。目前，我國冷藏鏈中比較薄弱的環節就包括冷藏車。隨著我國公路冷藏車運量的年增長率急速增長，對冷藏車的技術研究愈發重要。

冷藏車在運輸過程中，冷藏車廂內的易腐產品保存質量直接依賴于箱內的溫度分布和空氣流場，近年來數值模擬方法已逐漸成為研究氣流組織的有效手段。國內外學者研究主要集中在冷藏車廂溫度場分布規律、溫度場優化、溫度對承運生鮮食品影響等方面[2-6]。現存冷藏車將制冷設備安裝在車廂前部，實用可靠，缺點是車廂前部的氣流速度非常高；緊湊的貨物和流通阻力導致車廂后部通風不良，存在氣流停滯區[7]。呂寧等針對冷藏車開口卸貨時存在的問題，對不同條件下的車內溫度、相對濕度進行了對比實驗，得出在開口時長一定的情況下車廂內外空氣溫差是影響車內溫升的主要因素[8]。謝如鶴、唐海洋等基于空載溫度場模擬與實驗，研究了冷板布置方式對冷藏汽車車廂內溫度場分布的影響[9]。

文中測試一種冷藏車的車廂結構以及冷藏車內部平均溫度，建立冷藏車車廂結構的三維模型，利用計算流體力學的方法對該冷藏車車廂的溫度分布進行分析，研究車門開門過程廂體內溫度變化特征。

1 實驗對象

冷藏車實驗臺結構尺寸為6600mm×2300mm×2300mm（長×寬×高）。車廂溫度運行平均溫度為5℃。風機和機組集中在集裝箱的前部，送風方式采用單一冷風機送風，冷風機由車前向車后送風。車廂內外表面采用3mm 玻璃鋼。為了保證一定的保溫隔熱效果、車廂輕量化和工藝成熟性，夾層選用80mm 的硬質聚氨酯泡沫作為保溫隔熱層。車廂貨物90%滿載堆砌在車廂中間位置，室外環境溫度為11℃。在車廂空間內開展溫度測試時共設置33個測溫點，在車廂高度方向平均分為3 層，每層均勻布11 個點，底層距離車廂5cm，頂層與冷風機出風口下端平齊，中層介于頂層與底層中間。

2 物理模型及可靠性驗證

2.1 簡化假設

采用κ-ε湍流模型進行瞬態數值模擬，時間步長為0.5s，模型的壁面處理為標準壁面函數。初始條件為穩態計算溫度穩定在4℃時打開車門進行非穩態數值計算，求解方式為simple算法，收斂判斷依據為當能量方程殘差低于10-6，速度項殘差低于10-4，其他方程殘差低于10-3。模擬中涉及到的庫內流體流動與傳熱過程均服從質量守恒定律、能量守恒定律及動量守恒定律。在數值模擬計算中，對所建的物理模型有以下假設條件：

（1）車廂內空氣為不可壓縮流體。

（2）空氣在固體壁面上無滑移。

（3）忽略影響微乎其微的流體粘性力做功產生的耗散熱。

（4）忽略場景內影響較小的輻射傳熱。

此次模擬采用FLUENT軟件計算流體力學軟件計算。計算流體域為冷藏車車廂內部，尺寸為6600mm×2300mm×2300mm（長×寬×高）；風口位于車門對側，尺寸為1200mm×500mm（長×寬），居中布置在車廂壁，風口水平底端距地1700mm；貨物長寬高尺寸6200mm×2000mm×2000mm，距門100mm居中布置。計算采用非結構網格，基本網格數量為2300210個，網格質量在0.36以上。

模擬中冷藏車開門過程通過預模擬工況穩定后改變門位置的邊界條件加以實現。空氣密度為1.2423kg/m3，熱膨脹系數為0.003536；貨物以及車廂箱體密度為2719kg/m3，熱導率為202.4W/kg·K。車門關閉時邊界條件與車殼相同，開啟時為壓力出口邊界條件，溫度為室外溫度，壓力為標準大氣壓強。車殼采用對流換熱邊界條件，對流換熱系數為0.5W/(m2·K)；貨物表面為對流換熱邊界條件，對流換熱系數為1W/(m2·K)；冷風機進風口為速度入口邊界條件，風速為2m/s，壓力為標準大氣壓強，送風溫度3.16℃；冷風機回風口為速度出口邊界條件，風速標量與進風口相同，壓力為標準大氣壓強。

2.2 控制方程

相應的控制方程可由式（1）表示。

連續性方程：

湍流流動能量方程：

湍流脈動動能方程（κ方程）：

湍流脈動動能耗散率方程（ε方程）：

式中：ui為空氣流動的速度分量，m/s，i取1，2，3時分別對應x，y，z方向；ρ為空氣密度，kg/m3；P為壓力，Pa；T為空氣溫度；β為空氣體積膨脹系數，1/℃；μ為氣體層流動力粘性系數，m2/s；μt為氣體紊流動力粘性系數，m2/s；G為湍流脈動動能產生項，g為重力加速度，m2/s；k為空氣紊流脈動動能，m2/s；Pr為紊流時的普朗特數；qT為熱源強度，W/m3；ε為紊流能量耗散率，m2/s，式中各經驗系數取值為c1=1.44，c2=1.92，c3=1，σ3=0.09，σk=1。

2.3 可靠性驗證

在環境溫度為11℃時，以冷藏車車廂的平均溫度為研究對象，將冷藏車車廂的實驗測量結果與模擬計算結果進行對比分析，如圖1所示。

圖1 仿真結果與實驗結果對比情況Fig.1 Comparison between simulation results and experimental results

從圖1可以看出，隨著冷藏車車門的開啟，實驗和仿真得出平均溫度的變化趨勢基本一致，都是隨著時間的增加，平均溫度也隨之增加。當車門開啟時間為10分鐘時，冷藏車車廂的實驗平均溫度和模擬平均溫度均首次超過5℃，分別為5.08℃和5.01℃，仿真計算與實驗測量結果擬合較好。

3 數值模擬與計算

3.1 不同環境溫度對冷藏車車門開啟后車廂平均溫度的影響分析

圖2為室外環境溫度在11℃和25℃條件下，冷藏車車門全部開啟后，當車廂內平均溫度為5℃時，車廂廂體內的溫度分布云圖。圖例選用同一溫度標尺，可以發現當環境溫度為25℃時，車廂廂體靠近車門位置的最高溫度遠高于環境溫度為11℃時相應位置的溫度。由于車廂是90%滿載堆放貨物，越靠近車頭位置，溫度值越低，溫度分布也越趨于均勻。

圖2 車廂廂體平均溫度為5℃時的溫度云圖Fig.2 Temperature cloud diagram when the average temperature of the carriage body is 5℃

本模型是瞬態計算模型，在計算過程中當發現車廂內平均溫度首次大于5℃時，記錄下車門開啟時長，如圖3所示。當環境溫度為11℃時，車廂平均溫度超過5℃所需時長為579.5s，當環境溫度為25℃時，車廂平均溫度超過5℃所需時長為117.5s。雖然環境溫度只增長了130%，但車廂平均溫度超過5℃所需時長卻縮短了393%。因此可以發現，當車門開啟時，環境溫度的改變會對車廂內平均溫度產生較大的影響。

圖3 不同環境溫度下車廂平均溫度超過5℃所需時長Fig.3 Time required for the average temperature of the carriage to exceed 5℃under different ambient temperatures

3.2 環境溫度為11℃時貨物表面溫度受開門時間的影響分析

為進一步尋找環境溫度為11℃時，貨物表面溫度云圖隨車門開啟時間的變化規律，模擬截取了車廂內貨物的近門表面、側表面和上表面的切面云圖進行分析。圖4為室外環境溫度11℃時，冷藏車車門開門時長分別為40s、80s、290s和579.5s（均溫5℃）時，貨物三表面的溫度云圖。可以發現隨著車門開啟時間的不斷推移，貨物表面溫度分布越來越呈現不均勻的現象。當車門開啟時長由40s增加至80s時，三表面溫度分布變化并不是很明顯，其中貨物靠近車廂側面方向的側表面溫度分布最均勻。當車門開啟時長由80s增加至290s時，貨物近門表面的溫度出現明顯的不均勻分布，其中近門表面在車門兩側方向的溫度率先開始升高。當車門開啟時長由290s增加至579.5s時，貨物近門表面溫度依然沿著車門兩側方向顯著升高、車廂上方溫度值較低，側表面和上表面溫度變化不顯著。通過分析可以發現，當冷藏車車門全部打開時，貨物表面溫度的增加不隨開門時間長短正比例增加，貨物表面的溫度會受到冷風機進出風、環境溫度、風速、空間布局等多種因素的影響，而在不同的貨物表面位置呈現出不同的溫度分布變化趨勢，貨物三個表面受車門開啟時間影響程度由大到小依次為：貨物近門表面＞貨物上表面＞貨物側表面。

圖4 環境溫度11℃時不同開門時長貨物表面溫度云圖Fig.4 Cloud chart of surface temperature of goods with different opening hours at ambient temperature of 11℃

4 結語

本文以冷藏車內部溫度作為研究對象，搭建冷藏車實驗臺，測試廂體溫度分布及平均溫度。將實驗數據與冷藏車溫度流場模擬進行比對驗證，建立了三維冷藏車的物理模型和數學模型，采用計算流體力學模擬軟件完成冷藏車車門開啟過程的瞬態計算。研究發現冷藏車車門開啟后的車廂內平均溫度及溫度分布情況受外界環境溫度影響較大。貨物三個表面受冷藏車門開啟時間影響程度最大的是貨物近門表面，其次為貨物上表面，影響最小的是貨物側表面。同時通過冷藏車的實驗測量與數值模擬研究，發現使用數值模擬的方法開展冷藏車溫度分布計算能夠有效減少實驗研究周期，顯著提高研究效率，是未來冷藏車領域的重要研究途徑，具有廣闊的應用前景。