太陽輻射下送風速度對冷藏集裝箱溫度的影響

摘" 要：為深入研究不同因素對冷藏集裝箱溫度場的影響狀況，以20ft冷藏集裝箱為研究對象，通過CFD建立K-ε模型對箱內溫度場的動態分布情況進行仿真模擬，研究太陽輻射和不同送風速度對集裝箱內部溫度流場的影響。結果表明：太陽輻射會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隨著送風速度的增大而加快，但是風速過大會形成局部湍流，不利于箱內整體溫度的穩定；高溫區域主要出現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，由于太陽輻射和壁面傳熱，集裝箱溫度會略微上升。

" 關鍵詞：太陽輻射；送風速度；冷藏集裝箱；溫度場；仿真模擬

" 中圖分類號：F253.9" " 文獻標志碼：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

" 隨著經濟的快速發展，人們對生鮮農產品的需求日益提高，根據中國統計年鑒[1]顯示，我國農產品的產量逐漸增大，2017—2022年我國農產品的產量日益增高，這也刺激了冷鏈市場的進一步發展。截至2021年，我國冷鏈物流總額超過8萬億元。但是，就目前幾種運輸方式而言，只有公路冷鏈運輸得到了有效利用和快速發展，而從貨物的運量、運距以及運價來看，鐵路冷鏈物流更具有競爭優勢和發展前景，但其在冷鏈運輸結構市場規模中仍然占比是最少的，沒有發揮出鐵路冷鏈物流自身的優勢。此外，就地域分布而言，冷鏈企業呈現“東多西少”分布不均的局勢，冷鏈企業主要集中在沿海地帶和一線發達城市，但承擔了全國大部分生鮮農產品批發交易的中西部地區冷鏈資源匱乏，發展相對滯后。因此，提高西北地區鐵路冷鏈物流運輸量至關重要，即研究如何提高鐵路冷鏈占比最大的冷藏集裝箱的市場運輸量[2]。

" 鑒于問題的重大意義，何遠新等[3-4]分析了40ft冷藏集裝箱不同風道長度條件下車內的溫度場和氣流場；賈發銅等[5]綜述了貨物堆碼、送風速度、送回風形式、風機位置等因素對冷藏集裝箱溫度分布的影響；闞安康等[6]結合模擬仿真和試驗驗證研究了船舶冷藏集裝箱艙室內的通風方式；于永順等[7]基于CFD模擬了差壓式送風方式下冷庫內流場分布的特征；Castelein et al.[8]全面概述了冷藏集裝箱行業，以及冷藏集裝箱最重要的特征和未來趨勢，并對冷藏集裝箱和集裝箱物流兩方面的學術研究進行了系統綜述；方文康等[9]基于Fluent軟件，模擬仿真了保溫包裝箱溫度場的多溫區；郭志鵬等[10]結合模擬仿真和試驗驗證研究了冷藏集裝箱內溫度場的變化規律；柴琳等[11]研究了不同預冷風速下蒜薹多孔介質孔隙率的變化；劉恩海等[12]通過實驗對比了不同蔬菜的真空預冷效果，并研究了鮮切生姜的預冷保鮮；王威等[13]以機械式冷藏集裝箱和番茄為研究對象，模擬研究了不同送風速度下冷藏集裝箱內果蔬水分耗散的分布規律；李鋒等[14]采用熱平衡法對比分析了三種不同工況下箱體的傳熱系數和漏熱率，發現穩態工況下測得的傳熱系數和漏熱率較為穩定，而非穩態工況下對集裝箱熱工性能的測試也具有一定的準確性。

" 總之，目前國內外學者就冷藏集裝箱的仿真實驗做了大量工作，但是，目前的研究僅僅局限于沿海地區的航海運輸，這方面的研究成果較多，對于西北特殊環境太陽輻射下的冷藏集裝箱溫度場分布還未有過相關研究，而且目前針對風速的研究僅僅是風速越大，溫度場的均勻性越穩定，但引起的易腐貨物干耗越快、額外能耗越大、貨損率較高，沒有研究出一個較為合理科學的送風速度，該問題還未得到有效解決。本文選取蘭州作為研究地點，以20ft國際標準鋼質冷藏集裝箱為研究對象，運用Fluent軟件建立物理模型并進行算法求解，研究西北地區太陽輻射下出風道的不同風速對冷藏集裝箱溫度場的影響，進而設計優化冷藏集裝箱。

1" 物理模型

以20ft國際標準鋼質冷藏集裝箱為研究對象，箱體外部尺寸（長×寬×高）為6 058mm×2 438mm×2 591mm；箱體內部尺寸（長×寬×高）為5 468mm×2 294mm×2 273mm。箱體頂板和側板均采用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，頂板內聚氨酯厚度為100mm，側板和底板內聚氨酯厚度為60mm。箱體送風方式為下送上回，送風口尺寸為1 500mm×400mm；回風口尺寸為1 200mm×300mm；箱體總容積為28.4m3。

各材料的物理參數如表1所示。

通過SCDM進行三維建模，將冷藏集裝箱可簡化為一個正方體，簡化后的冷藏集裝箱物理模型見圖1，其中圖1（a）為送風口和回風口的平面簡圖，圖1（b）為冷藏集裝箱整體簡圖。之后采用補丁適形法對模型結構進行網格劃分，并對送風口和回風口進行網格加密處理，網格單元數量大約為25萬個，平均單元質量為0.837，滿足模型要求。

2" 數學模型

為方便計算，對模型進行如下假設：（1）箱內空氣為不可壓縮流體且符合Boussinesq假設；（2）箱內氣密性良好，不考慮漏氣的影響；（3）忽略溫度變化對箱內空氣物性參數的影響；（4）忽略T型槽對流體的影響。

" 采用K-ε模型和SIMPLE算法對冷藏集裝箱內的空氣流場進行仿真計算，以及有限體積法中的控制方程，包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。

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

3" 邊界條件及求解

入口邊界條件：設定速度進口邊界條件“Velocity-let”，送風溫度T=0℃，送風速度分別為V=3m/s 、6m/s、9m/s。

" 標準狀況下，當空氣的溫度為0℃時，密度為ρ=1.293kg/m3，動力粘度系數為η=1.75×10-5Pa·S。

K-ε模型參數計算如表2所示。

出口邊界條件：采用邊界條件“outflow”。

" 壁面邊界條件：針對集裝箱內部流場，采用無滑移邊界條件，即u=v=w=0。

重力條件：設置模型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境溫度選用蘭州市7月份最高溫度38℃，箱內初始流場溫度及壁面溫度設置為25℃。

太陽輻射條件：蘭州市位于北緯36°，東經103°，時區為東八區；設置太陽光線追蹤時間為2023年7月9日13點，太陽直射點為東北方向，輻射強度可求得為97.116W/m2。

" 基于查閱文獻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如表3所示。

4" 模擬結果與分析

利用Fluent對模型進行模擬求解，時間步長設置為0.1s，最大迭代步數設置為10步，對比分析了太陽輻射和不同的送風速度對冷藏集裝箱溫度場的影響。此外，為了便于觀察冷藏集裝箱內部流場狀況，更深入地研究不同因素對冷藏集裝箱溫度場的影響，分別選取了集裝箱模型內部四個截面，XY方向等距的三個截面圖和YZ方向的中心截面圖。內部截面圖如圖2所示。

4.1" 太陽輻射對冷藏集裝箱溫度場的影響

當送風口風速為6m/s時，太陽輻射對冷藏集裝箱的影響情況分別如圖3至圖7所示。

" 圖3顯示了集裝箱達到最高溫度27.4℃時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方向內部截面圖的溫度分布云圖，圖5為冷藏集裝箱太陽直射面（a）與背陰面（b）的溫度分布云圖，可以看出，由于太陽輻射，太陽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，由于回風口的作用，空氣自送風口送出后，首先在箱體前部形成一個漩渦，漩渦內部降溫最快，并逐漸向回風口靠攏，最后流向箱體后部。圖7為集裝箱制冷前、中、后期溫度場的整體分布云圖，可以看出，在制冷前期，由于回風口的作用，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，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，箱體內部的溫度整體降低，但是箱體前部的箱角仍處于高溫區域，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為太陽輻射和無太陽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，且太陽輻射下的集裝箱溫度整體高于無太陽輻射下的集裝箱，太陽輻射下集裝箱最高溫度可達27.4℃，無太陽輻射的集裝箱最高溫度為25.5℃。隨著制冷系統的工作，冷藏集裝箱的溫度逐漸降低，無太陽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輻射下的集裝箱。

4.2" 送風速度對冷藏集裝箱溫度場的影響

" 當送風口風速為3m/s、6m/s、9m/s時，太陽輻射對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、壁面導熱及太陽輻射，冷藏集裝箱的溫度逐漸上升。當送風口風速為3m/s、6m/s、9m/s時，集裝箱的最高溫度分別為28.0℃、27.4℃、26.8℃，且風速為9m/s的集裝箱首先到達最高溫度，風速為3m/s的集裝箱最后到達最高溫度。隨著制冷系統的運行，冷藏集裝箱的溫度逐漸下降，且風速為9m/s的集裝箱首先開始降溫，風速為3m/s的集裝箱最后降溫。在制冷后期，風速為9m/s的集裝箱首先降溫至5℃，風速為6m/s的集裝箱次之。并且在整個制冷過程中，風速為9m/s的集裝箱溫度整體低于3m/s和6m/s的。此外，當送風速度為9m/s時，在迭代時間50～80s這個時間段，集裝箱溫度快速降低，這是因為風速過大，在箱體前部造成局部湍流，導致箱內溫差過大，影響溫度場的均勻性。

5" 結" 論

為確保冷藏集裝箱運輸貨物的質量，通過運用Fluent軟件對集裝箱進行模擬仿真，分析太陽輻射和送風速度對集裝箱溫度場的影響情況，可得到以下四點結論：

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

" （2）對于機械式冷藏集裝箱，采用下送上回的送風方式，在箱體前部的邊角處容易形成局部高溫區域。因此，在鮮活易腐貨物運輸過程中，應著重考慮這一區域，以免影響貨物的運輸質量。并且，可在今后的研究中，考慮上送下回的送風方式，也可考慮兩側送風方式，對比哪種送風方式對均勻箱內溫度場更有效，提高箱內冷藏貨物的運輸質量。

" （3）針對送風式冷藏集裝箱，送風速度越大，降溫速度越快，降溫效果越好。但是，如果送風速度過大，不僅容易造成局部湍流現象，影響箱內溫度場的穩定性，提高箱內貨物的干耗率；而且會增加經濟成本。因此，應結合運輸貨物種類及運輸環境采取適當的送風速度。在本文的研究中，應采用6m/s的送風口風速，該風速不僅較快地均勻了集裝箱內的溫度場，而且防止了局部湍流現象，降低了貨物干耗率和經濟成本。

" （4）在冷藏集裝箱制冷前期，由于箱體及外部環境的溫度較高，集裝箱整體溫度會略微上升，之后隨著冷空氣的送入，集裝箱溫度會逐漸降低。因此，在實際運輸貨物中，可在制冷前期增大送風速度或降低送風溫度，使集裝箱在較短時間內達到所需溫度，避免箱內溫度場的劇烈波動，達到較好的預冷效果。

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收稿日期：2024-03-21

基金項目：中國鐵路蘭州局集團有限公司科技發展項目（LZJKY2023086-1）

作者簡介：李修嶺（1972—），男，山東德州人，中國鐵路蘭州局集團有限公司科研技術監督所，高級工程師，研究方向：科技管理；趙" 前（2000—），女，陜西渭南人，蘭州交通大學交通運輸學院碩士研究生，研究方向：交通運輸。

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