船舶冷藏集装箱内温度场数值分析及优化

杨 帆,阚安康*,张婷婷,陈 超,曹 丹

(1.上海海事大学 商船学院，上海 201306；2.中国制冷学会, 北京 100142)

船舶冷藏集装箱内温度场数值分析及优化

杨 帆1,阚安康1*,张婷婷2,陈 超1,曹 丹1

(1.上海海事大学 商船学院，上海 201306；2.中国制冷学会, 北京 100142)

为研究和改善载货后船舶集装箱内温度分布的不均匀性，以20 ft冷藏集装箱为研究对象，对现有T型槽道送风方式进行改进和优化，提出了一种新型局部送风方式；利用ICEM-CFD软件建立模型并进行仿真计算，揭示冷藏集装箱内温度分布特性，与原始模型进行对比分析，结果表明：在箱门附近引入局部送风系统可有效改善箱内温度分布，有效控制箱内温差1～2K，减小局部高温区域面积。局部送风系统还可以延迟装载货物时箱内温度上升速率，有效降低箱内能量损失。文章对进一步开展船舶冷藏集装箱内温度控制和节能优化具有借鉴意义。

船舶冷藏集装箱；温度分布；数值模拟；局部送风；优化

0 引言

随着生活水平的不断提高，人们对食物保鲜的要求越来越高，冷藏运输将会起到不可替代的作用[1]。在食品的冷藏运输问题上，冷藏运输工具起着至关重要的作用。冷藏集装箱作为重要的冷藏运输装备具有灵活性好、便于运输的特性，通过在运输途中维持恒定的低温环境，以保证水果、鲜肉等货物的运输温度要求[2]。为保证运输途中货物的新鲜度，冷藏集装箱在维持一定低温环境的基础上，同时需保证箱体内部温度分布均匀，可有效减少运输能耗[3-4]。

目前，CFD在制冷领域应用广泛，Fluent仿真技术成为研究流体分布的主要手段[5]。Ersin Alptekin等人通过改变冷藏集装箱的几何形状，进而得出冷藏集装箱在顶部通风槽形式下的气流分布状况[6]。郭嘉明等[7]通过模拟3种不同结构的冷藏运输箱体，得出了不同箱体形式下流场的均匀状况。娄宗瑞等[8]模拟出紊流模型下箱内空气稳态传热状况，得出集装箱整体温度场的分布情况。蔡敏等[9-11]通过分析运输中货物的传热过程，采用数值模拟的方法研究货物堆码对车厢温度场的影响。

以上文献为冷藏集装箱内温度分布特性的研究提供了参考,但大都集中在对集装箱内部整体温度场的模拟调控。本文着重于研究集装箱运行时局部能量损失及温度波动情况，通过建立集装箱仿真模型，以ICEM为网格划分软件对模型进行网格划分并导入 Fluent 进行求解计算，分析计算结果并得出影响箱内温度分布的主要因素，进而改进现有集装箱T型风道送风型式，利用冷空气幕墙原理建立集装箱门附近的局部送风系统[12]，隔断集装箱门两侧冷热气体热质交换，有效改善了集装箱各部位温度分布的不均匀状况，提高了冷藏集装箱的能量利用效率。

1 冷藏集装箱模型

1.1物理模型

本文以实验室20 ft船舶集装箱为原始对象建立模型，如图1所示。箱体前端为机组端，后端为门端，箱体内部尺寸为5440 mm×2280 mm×2310 mm，集装箱内货物对称布置，货物箱尺寸为980 mm×350 mm×430 mm，货物与侧壁间的距离为300 mm，货箱前后距离为500 mm,货物左右距离为300 mm。冷藏集装箱送回风方式为下送上回，送回风口位于机组所在侧壁内面,送风口大小为2260 mm×30 mm，回风口共有两个，位于送风口上部，风口大小为900 mm×130 mm，底板设有T型槽道将冷风扩散至箱内各部位。将货物底部的T型风道封闭形成矩形风管，在靠近箱门处将风管向上开口，风口尺寸为300 mm×30 mm共两个，低温冷风贴附箱门向上高速喷出形成风幕隔断内外热量交换。

图1 冷藏集装箱结构图

1.2模型假设

建立集装箱数学模型，为方便计算，对模型做出以下简化假设。

1.箱内气体为不可压缩气体且满足 Boussinesq 假设[13]；

2.假定温度变化对货物和空气物性参数无影响，设定各物性参数为常数[14]；

3.箱内货物为内热源且稳定散热；

4.不考虑运输过程中货物水分蒸发等传质因素的影响[15]；

5.箱体密闭性良好，忽略热辐射[16]。

根据上述假设，因气体在集装箱内部为复杂湍流运动，故采用标准k-ε紊流模型进行求解。标准k-ε模型在工业实例中普遍利用，其计算收敛性较高，精确性符合工程要求[17]。考虑分子黏性对于箱壁附近区域的影响，采用壁面函数法进行处理[18]。计算方法采用比较成熟的SIMPLE算法，对集装箱机组运行过程中箱内温度变化进行仿真计算，计算公式为有限体积法控制方程中的质量、动量和能量守恒等方程[19]。

质量守恒方程为：

(1)

动量守恒方程：

x方向动量方程：

(2)

y方向动量方程：

(3)

z方向动量方程：

(4)

能量守恒方程：

(5)

式中，μ(N·s/m2)为动力粘度，u、v和w分别是速度矢量在x、y、z上的分量，CP[J/(kg·℃)]是比热容，T为温度，K[W/(m2·K)]为流体的传热系数，其中密度ρ(kg/m3)不随时间的变化而变化。在动量方程中，考虑重力对空气运动的影响，加入重力项ρg。

1.3边界条件及参数

入口边界条件：本文求解的对象是集装箱的温度分布，送风口为速度进口边界条件Velocity-Inlet，设定送风速度为V=6 m/s，送风温度设定为273.15 K。风幕送风速度为4 m/s。假定冷风运动过程与矩形风管无摩擦温升，送风温度为273.15 K，空气密度ρ=1.27 kg/m3[20]。

出口边界条件：在流场求解前流场出口处的速度与压强未知，故出口边界条件应选用outflow[21]。

壁面边界条件：针对粘性流动，内壁面采用无滑移边界条件，因此有u=v=w= 0。

热源边界条件：因箱体内外温差较大，箱壁存在热量传递现象，根据冷藏集装箱壁面材料的物理属性，取换热系数为0.3 W/(m2·K)，环境温度为300 K[22]。

运用ICEM对箱体建模并进行非结构性网格划分，网格类型为正四面体网格，总数为941232个，对送回风口，风幕出风口等部位进行局部加密。运用FLUENT14.5湍流模型进行计算，以有限容积法为求解方法进行计算，湍流模型选用标准k-ε模型，对流项格式要兼顾精度与收敛性的影响，选用二阶迎风离散格式[23]。考虑浮升力的影响，取重力加速度g=9.81 m/s2。采用adaptive自动调节时间步长，总共模拟100 min。

2 模拟结果与讨论

2.1风幕对集装箱内温度分布的影响

将箱底被货物箱遮盖的T型槽道部分封闭形成矩形风管，在箱门处向上开口，形成局部送风系统。部分冷风从风机送入箱内被旁通到箱门处通过风口向上排出，通过箱体上部的凹道回到机组端被排风机抽出。局部送风系统类似于有回风的冷空气幕墙，隔断箱门附近内外冷热气体热质交换，起到了局部冷却，优化箱内气体流场温度场的作用。

2.1.1速度模拟结果

为探究箱内气体流速对温降的影响规律，在箱门侧靠近货箱壁位置x=0.3 m处取截面，截面气体流速如图2所示，图2(a)是空箱状态下截面气流速度分布图，图2(b)是箱内装载货物后截面气流速度分布图。通过对空箱及装载货物两种状况下箱内气体速度分布情况进行对比发现，空箱状态下截面速度较大，装载货物后由于受到货物的阻隔及气体间相互碰撞影响，截面上部流速明显小于截面底部，而货物温度降低是通过冷气体与货物对流换热实现的，气体流速过小不利于箱内温度均匀降低。因此，有必要对集装箱内气体流速进行调控，保持箱内气体速度均匀性。

(a)空箱状态

(b)载货状态

(c)加入冷空气幕

图2(c)是箱门附近加入局部送风系统后箱内气流速度分布图。由图2(c)可以看出，加入局部送风系统后，截面平均流速明显提高，而且截面速度梯度较小，起到了局部改造、整体优化的作用。

2.1.2温度分布云图

箱内温度分布如图3所示。温度图左端为箱体门端，右端为箱体机组端。由图3(a)可以看出，空箱状态下箱内温度分布较为均匀，温度波动范围为273～274 K，箱内最大温差为1 K。加入货物后箱底与箱体顶部温度波动较大，靠近制冷机组的货物箱温度波动为273～275 K，靠近箱门的货物箱温度波动为273～276 K，箱内最大温度差为3K，出现在箱尾货物箱侧壁，在箱尾附近靠近箱门处形成局部高温区。由于T型风道中的冷风在向前运动过程中不断向上散出，速度不断降低，到达箱尾附近的风量很少，速度衰减最快，不能喷射到货物箱壁中上层就会沉降，不能达到强制对流换热冷却附近货物箱的效果。由于某些货物保存温度很低，对温度均匀性要求较高，当温差波动超过3K时就会损坏货物品质，因此有必要对集装箱内温度分布进行优化设计，满足货物冷藏储存的温度需求。

(a)空箱状态箱内温度分布

(b)载货状态箱内温度分布

(c)加入风幕后温度分布

图3(c)是箱门附近加入局部送风口后箱内温度分布图。箱门附近的局部高温区域消失，冷风对货物箱体的冷却效果有所提高，集装箱内整体温度场得到改善。对比图3(b)可以发现，加入局部送风系统后箱内温度分布要均匀得多，箱内温差由3 K减小为2 K,箱内整体温度波动范围降低为273～275 K，这是因为冷空气幕隔断了箱门内外热量传递，与此同时，局部送风系统增加了箱门附近冷空气的流量与流速，提高了冷空气与货物箱的热量交换效果，有效改善了箱内温度分布的均匀性。

2.1.3温度切面图

(a)空箱状态

(b)载货状态

(c)加入风幕

取x=0.2 m，x=2.72 m，x=5.24 m三处截面显示其温度，模拟结果如图4所示。观察由图4(a)可知，空箱状态下x=5.24 m即箱门附近截面温度稍高，截面顶端温度为274 K，高于截面底部温度273 K，其他两个截面温度差异较小。由图4(b)可以发现，装载货物后箱内整体温度比空箱状态下升高1～2 K，三个截面温度分布不均匀性增加，而x=5.24 m处温度比其他两个截面高1 K，这是由于箱门附近气流扰动较小且漏热现象较为明显。截面图结果显示与速度图分析相符合，验证了模拟结果的合理性。

加入局部送风系统后模拟结果如图4(c)所示，由于局部送风系统增加了冷空气在箱门附近的扰动，使得箱体内部整体温度低于图4(b)约1K。各截面上温差不大，温度均匀性较好，由此证明局部送风系统对于集装箱内部温度优化起着重要的作用。

取集装箱内x=0.5 ,1.0 ,1.5 ,2.0 ,2.5 ,3.0 ,3.5 ,4.0 ,4.5 ,5.0 m各截面上平均温度和最大温差对两种情况进行比较，结果如图5和图6所示。

图5 各截面平均温度图

图6 各截面最大温差图

由图5可以看出，无风幕状态下截面平均温度比有风幕状态下截面平均温度高0.3～1.5 K，无风幕状态下靠近箱门侧温度逐渐升高，在x=4 m处达到最大值275.3 K。加入风幕后最高温度截面出现在箱体中部，靠近风幕侧温度逐渐降低且各截面平均温度波动不大，说明风幕有利于集装箱内各部位保持在较为恒定的低温温度。

由图6可以看出，无风幕状态下集装箱内各截面最大温差比有风幕状态下各截面最大温差高0.5～2 K，截面最大温差在x=2.5 m处达到最大值2.5 K，截面温度梯度过大不利于集装箱内货物的冷藏储存。有风幕状态下各截面温度梯度变化不大，最大温差不超过0.7 K，且箱体中部与箱门侧温差不大，说明加入风幕后集装箱内低温环境保持恒定且温度均匀性较好，有利于货物的储藏与运输。

2.2风幕对开门状态下温升的影响

冷藏箱在运输过程中需要装卸货物，箱门开闭因素对集装箱内整体温度影响较大，不仅造成一定的能量损失而且引起箱内温度不均匀性差异，不利于保持箱内货物良好的品质，故而需对这一现象进行改善。局部送风系统可以产生类似风幕墙的效果，对隔断内外热空气渗透有着显著作用。打开箱门5 min后模拟对比结果如图7所示。

(b)有风幕开箱门

从图7(a)可以看出，无风幕状态下，打开箱门后集装箱内的整体温度随着时间变化逐渐升高，在很短的时间内箱内温度接近设定的环境温度300 K，仅在箱体底部还有部分区域温度稍低于外界环境。如图7(b)所示，在相同时间内，有风幕的状态下集装箱内整体温升速率低于无风幕状态，箱内大部分区域温度小于300 K,即箱门附近加入风幕可以延缓集装箱内的温升速率。

(a)无风幕开箱门

(b)有风幕开箱门

从图8(a)可知x=5.24 m处截面温度为298 K，x=2.72 m处截面温度为296～298 K，x=0.2处截面温度为294～298 K，无风幕状态下开箱门后各截面离箱门越近，温度越接近环境温度。从图8(b)可知，加入局部送风系统后，由于风幕墙具有隔断内外气体热质交换的作用，在x=5.24 m截面上部温度较为接近环境温度298 K，下部由于冷空气沉淀作用仍能维持在较低温度。x=2.72 m处截面温度为291～294 K，x=0.2 m处截面温度为286～292 K，距离大门越远，截面温度越低且截面上温度梯度较小，说明局部送风系统在集装箱装卸货物时可以维持箱内温度在较稳定的水平，因此，有必要在该种类型集装箱内加入局部送风系统以维持恒定的低温环境。

3 结论

本文运用ICEM-CFD软件对一款20 ft的船舶机械制冷冷藏集装箱箱内温度分布进行了模拟仿真研究，提出了一种采用风幕优化箱内温度场分布的新方法，本研究结论如下：

1.本文对空箱及载货箱的运行降温冷却过程进行数值分析，反应了冷藏集装箱制冷性能，研究结果不仅可以为箱体结构、风道风速等设计提供理论支持，还可以为货物堆码方式，货物摆放位置提供理论参考。

2.增加集装箱内气体的紊流度可以达到很好的换热效果，增大气流与箱内货物的接触面积，增加气流与箱壁间的冲击性有利于提高换热效率，维持箱内温度在恒定范围。

3.在箱门附近添加局部送风系统可以形成类似冷空气幕墙的效果，降低箱内局部高温区域的面积及温度梯度，提高箱内温度分布的均匀性和合理性，有利于维持箱内货物的品质和质量。

4.冷空气幕可以隔断箱门内外冷热气体的热质交换，维持箱内低温环境。在打开箱门装卸货物时冷空气幕可以有效延迟箱内温度的提升速率，减小集装箱装卸过程中由于开门造成的能量损失。

[1] 韩厚德,郑青榕.21世纪冷藏集装箱运输的发展前景[J].集装箱化,1997(10):2-4.

[2] 卢士勋.我国冷藏集装箱技术发展和应用概况[J].制冷技术,2004,24(3):6-7.

[3] 周俊.我国铁路冷藏集装箱运输发展及运营问题研究[D].北京：北京交通大学，2009： 3-4.

[4] 张哲,郝俊杰,李曼，等.冷藏集装箱内部温度场的理论与实验研究[J].低温与超导，2016,44(6):76-80.

[5] 汤毅,谢晶,王金锋，等.计算流体力学在冷库优化中的应用研究进展[J].食品与机械, 2011,27(5):186-189.

[6]ALPTEKIN Ersin , EASN Mehmet Akif . Flow and heat transfer characteristics an empty refregerated container [J]. Progress in Energy and the Environment,2014,62(1):641-652.

[7] 郭嘉明,吕恩利.冷藏运输厢体结构对流场影响的数值模拟[J].农业工程学报,2012,28(增刊):74-78.

[8] 娄宗瑞,曹丹,阚安康,等.冷藏集装箱内部温度场的特性研究[J].制冷，2013，32(1):23-25．

[9] 蔡敏，陈焕新,朱先锋.冷板冷藏车中货物堆码对其温度场的影响[J].铁道科学与工程学报,2005,6(4):54-58 ．

[10] 楼海军,阚安康.货物堆码方式对海运冷藏集装箱内温度场的影响[J].上海海事大学学报,2014,35(4):55-58.

[11] 郭志鹏,阚安康,孟闯,等.冷藏集装箱内温度场的数值模拟与实验[J].上海海事大学报,2017,38(2):82-87.

[12] 刘敬辉,陈江平,陈芝久,等.风幕对冷藏车性能影响的仿真分析和实验研究[J].流体机械,2006，34(1):52-55.

[13] 田津津,李曼,俞苏苏，等.冷藏集装箱内部流场及送风方式的研究[J].低温与超导,2016,44(2):57-60.

[14] 陶文铨.数值传热学[M].2版.西安: 西安交通大学出版社，2002．

[15] 缪晨,谢晶.冷库空气幕流场的非稳态数值模拟及验证[J].农业工程学报,2013(7); 246-253.

[16] 李锦，谢如鹤，刘广海.车外综合温度条件下典型冷藏车厢内热稳定性研究[J].农业机械学报,2012,43(8):141-147．

[17] 李鹏飞,徐敏义,王飞飞.精通 CFD 工程仿真与案例实战[M].北京:人民邮电出版社, 2011.

[18] 韩占忠.FLUENT-流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2010.

[19] 朱红钧,林元华,谢龙汉.FLUENT流体分析及仿真使用教程[M].北京:人民邮电出版社,2010.

[20] 孙帮成,李明高.ANSYS FLUENT 14.0仿真分析与优化设计[M].北京:机械工业出版社，2013．

[21] 田津津,王飒飒,张哲,等.冷藏集装箱内部流场的动态数值模拟与验证[J].食品与机械,2016,32(4):136-142.

[22] 王广海,郭嘉明,吕恩利,等.出风道参数对冷藏集装箱温度场的影响[J].农业机械学报，2016,47(10):293-301.

[23] 郭志鹏,阚安康,杨帆，等.布置真空绝热板的冷藏集装箱内温度分布[J].南京航空航天大学学报, 2017, 49(1): 29-33.

NumericalAnalysisandOptimizationofTemperatureFieldinMarineReeferContainers

YANG Fan1,KAN Ankang1*,ZHANG Tingting2,CHEN Chao1,CAO Dan1

(1.Shanghai Marine University, Merchant Marine Academy,Shanghai 201306,China; 2. China Refrigeration Society, Beijing 100142,China)

To study the temperature distribution inside marine reefer containers after loading and improve the uniformity of the inside temperature, a 20’ reefer container is selected as the research object, and the T-groove air supply mode is improved and optimized. A new type of local air supply is proposed. The model was established by ICEM-CFD software, and the simulation of temperature distribution inside the reefer container was taken. Compared with the original model, the results show that, the local air supply system in the vicinity of the door can effectively improve the temperature distribution in the box, and the temperature difference inside the box is only 1～2K. High temperature area inside the box also narrowed. Local air supply system can also delay the temperature rise rate while loading goods, and the energy loss in the box was effectively reduced. The work is a good reference for further development of temperature distribution and energy saving in reefer containers.

marine reefer container; temperature distribution; numerical simulation; local air supply; optimization

2017-09-27

U676.3;TB69

A

1007-7804(2017)05-0022-07

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.05.005

杨 帆(1993)，男，河南南阳人，硕士研究生，主要从事船舶冷藏运输研究。E-mail:yangfanabc@126.com。

阚安康(1981)，男，山东济南人，博士后，高级工程师，主要从事船舶制冷技术研究。E-mail:ankang 0000000537@126.com.