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?!岸嗥贩N、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。
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?、新鮮食品等。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
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。
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]。
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)過程中的制冷和傳熱問題[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
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)(見圖2)的溫度數(shù)據(jù),并進(jìn)行整理,結(jié)果見表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
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)(見圖2)的溫度數(shù)據(jù),并進(jìn)行整理,結(jié)果見表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??;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。選取過冷藏區(qū)中心點(diǎn)的OZ方向溫度分布,繪制平面曲線圖見圖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
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
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題,回風(fēng)導(dǎo)軌對(duì)廂內(nèi)溫度分布影響還尚未見諸報(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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