考虑货物热源时冷藏集装箱室内空气流场分析

赵东夏 杨万枫 应豪

近年来，我国农产品需求增长迅速，形成规模较大的农产品物流市场。果蔬在农产品交易中占据较大市场份额，由于其含水量高，在采收、分级、包装、运输等过程中容易腐烂，因此一般采用冷藏运输。[1]冷藏集装箱运输是冷藏链中比较重要的环节，冷藏集装箱果蔬储存质量取决于箱内空气流场分布。[2]本文建立果蔬冷藏集装箱室内空气流场的数学模型，利用流体力学计算软件Fluent进行三维稳态数值模拟，比较在考虑货物热源情况下冷藏集装箱室内货物堆码数量对箱室内温度场和速度场分布的影响，以期通过合理分配集装箱室内的冷量和气流来达到冷藏果蔬类货物的目的。[3-4]

1 建立模型

1.1 物理模型

本文以20英尺国际标准钢制集装箱为研究对象，其外部尺寸为讇祝诓砍叽缥獉讇住@洳丶跋渌头绶绞椒治纤拖禄睾拖滤蜕匣兀臼匝椴捎孟滤蜕匣氐乃头绶绞剑喜糠缈诔叽缥獉？，下部风口尺寸为祝头缢俣任？s。本文重点研究冷藏集装箱室，故在之后的建模过程中对其进行一定简化处理。集装箱室内设计有方便货物装卸的结构和导风轨等，但其对整个计算区域空气流场的影响不大，故经简化处理后的集装箱室的几何模型是一个长方体。

1.2 数学模型

冷藏集装箱室内气流通过送风口以下送上回的形式在集装箱内循环冷却货物，形成三维空间内的湍流模型。三维湍流模型有多种模拟方法，由于冷藏集装箱是高雷诺数的湍流模型，故采用现阶段最常用的k- 双方程湍流模型。箱壁附近区域紊流雷诺数较低，需要考虑分子黏性的影响，采用壁面函数法对之进行处理。[5]为研究方便，在三维坐标中将相应的控制方程写成通用变量的形式：

1.3 边界条件

（1）热源边界 将箱体外壁面作为边界条件，将保温层导热与内壁对流换热统一起来，采用第三类边界对其求解：环境温度取，传热系数取0.2（W/ m2贰？，货物的热流量为番茄在库内的呼吸热，按番茄密度/m3计算，呼吸热总值为。

（2）入口边界 入口边界采用速度入口边界条件。入口平均送风温度取，送风速度取6.0 m/s；由于k和 难以测量或计算，采用紊流强度和特性规格来定义紊流，湍流动能和耗散率分别为2/s2和2.2 m2/s3。

（3）出口边界 出口边界采用压力出口条件，出口压力及温度根据环境值确定。

2 冷藏集装箱室内温度场模拟

2.1 考虑货物热源情况下货物堆码对箱室内温度场影响的模拟

送风温度取，外部温度取，送风速度取/s，湍流动能和耗散率分别为2/s2和2/s3。为分析考虑热源情况下货物堆码数量对箱室内温度场的影响，对货物在y方向的数量为1和2时的情况进行模拟。各工况下每组货物在箱室内呈对称堆码分布；堆码立方体货物与堆码箱侧壁的距离为，立方体货物间的距离为。由图 1可见：当货物在y方向的数量为1时，冷藏集装箱送风口的温度较低，箱室内堆码的货物使中心部分区域温度较高；由于货物间无空隙，致使箱室内温度分布不均匀，热量交换不充足。由图2可见，当货物在y方向的数量为2时，由于箱室内堆码的货物间存在空隙，箱室内温度降低且温度场分布比较均匀。

2.2 考虑货物热源情况下货物堆码对箱室内速度场影响的模拟

货物在y方向的堆码数量为1和2时冷藏集装箱室内速度场分布模型分别如图3和图4所示。由图 3可知：当货物在y方向的数量为1时，由于集装箱底部有导风轨和送风口，底部及送风口附近的速度值较高；由于箱室内堆码货物，堆码货物部分区域速度值较低，且由于门端距离出风口较远，其速度值较低。由图4可见，当货物在y方向的数量为2时，由于货物间存在空隙，货物中心区的速度值增大，同时紊流强度增大，导致箱室内速度场分布不均匀。

3 模拟分析结论

运用Fluent软件对考虑货物热源情况下冷藏集装箱室内温度场和速度场分布进行模拟仿真分析后得出以下结论。

（1）由于集装箱底部设有导风轨和送风口，底部及送风口附近的速度值较高；由于箱室内装有货物，故中心部分区域速度值较低；由于门端距离送风口较远，故速度值较低。

（2）集装箱送风口处温度值较低，门端的温度值较高，中心部分区域由于货物内热源的存在而温度值较高。

参考文献：

[1] 张子德，马俊莲.果品蔬菜贮藏运输学[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2006：1-2.

[2] MALLIKARJUNAN P， MITTAL G S. Heat and mass transfer during beef carcass chilling―modeling and simulation[J]. Journal of Food Engineering， 1994， 23（3）：277- 292.

[3] 李东，韩厚德，纪珺，等. 冷藏集装箱内部温度场分布的试验研究[J]. 机电设备，2006（6）：14-18.

[4] 陈旭. 冷藏集装箱船舱内通风模型试验研究[D]. 上海：上海交通大学，2008：14-15.

[5] 王以忠，胡春园，陈绍慧，等. 冷藏车内温度场和湿度场的数值模拟研究[J]. 保鲜与加工，2010，10（3）：26-29.

[6] 朱红钧，林元华，谢龙汉. Fluent 12流体分析及工程仿真[M]. 北京：清华大学出版社，2011：88-89.

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2015-12-30）