楊 帆,闞安康*,張婷婷,陳 超,曹 丹

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306；2.中國制冷學(xué)會(huì), 北京 100142)

船舶冷藏集裝箱內(nèi)溫度場(chǎng)數(shù)值分析及優(yōu)化

楊 帆1,闞安康1*,張婷婷2,陳 超1,曹 丹1

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306；2.中國制冷學(xué)會(huì), 北京 100142)

為研究和改善載貨后船舶集裝箱內(nèi)溫度分布的不均勻性，以20 ft冷藏集裝箱為研究對(duì)象，對(duì)現(xiàn)有T型槽道送風(fēng)方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提出了一種新型局部送風(fēng)方式；利用ICEM-CFD軟件建立模型并進(jìn)行仿真計(jì)算，揭示冷藏集裝箱內(nèi)溫度分布特性，與原始模型進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：在箱門附近引入局部送風(fēng)系統(tǒng)可有效改善箱內(nèi)溫度分布，有效控制箱內(nèi)溫差1～2K，減小局部高溫區(qū)域面積。局部送風(fēng)系統(tǒng)還可以延遲裝載貨物時(shí)箱內(nèi)溫度上升速率，有效降低箱內(nèi)能量損失。文章對(duì)進(jìn)一步開展船舶冷藏集裝箱內(nèi)溫度控制和節(jié)能優(yōu)化具有借鑒意義。

船舶冷藏集裝箱；溫度分布；數(shù)值模擬；局部送風(fēng)；優(yōu)化

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)食物保鮮的要求越來越高，冷藏運(yùn)輸將會(huì)起到不可替代的作用[1]。在食品的冷藏運(yùn)輸問題上，冷藏運(yùn)輸工具起著至關(guān)重要的作用。冷藏集裝箱作為重要的冷藏運(yùn)輸裝備具有靈活性好、便于運(yùn)輸?shù)奶匦裕ㄟ^在運(yùn)輸途中維持恒定的低溫環(huán)境，以保證水果、鮮肉等貨物的運(yùn)輸溫度要求[2]。為保證運(yùn)輸途中貨物的新鮮度，冷藏集裝箱在維持一定低溫環(huán)境的基礎(chǔ)上，同時(shí)需保證箱體內(nèi)部溫度分布均勻，可有效減少運(yùn)輸能耗[3-4]。

目前，CFD在制冷領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，F(xiàn)luent仿真技術(shù)成為研究流體分布的主要手段[5]。Ersin Alptekin等人通過改變冷藏集裝箱的幾何形狀，進(jìn)而得出冷藏集裝箱在頂部通風(fēng)槽形式下的氣流分布狀況[6]。郭嘉明等[7]通過模擬3種不同結(jié)構(gòu)的冷藏運(yùn)輸箱體，得出了不同箱體形式下流場(chǎng)的均勻狀況。婁宗瑞等[8]模擬出紊流模型下箱內(nèi)空氣穩(wěn)態(tài)傳熱狀況，得出集裝箱整體溫度場(chǎng)的分布情況。蔡敏等[9-11]通過分析運(yùn)輸中貨物的傳熱過程，采用數(shù)值模擬的方法研究貨物堆碼對(duì)車廂溫度場(chǎng)的影響。

以上文獻(xiàn)為冷藏集裝箱內(nèi)溫度分布特性的研究提供了參考,但大都集中在對(duì)集裝箱內(nèi)部整體溫度場(chǎng)的模擬調(diào)控。本文著重于研究集裝箱運(yùn)行時(shí)局部能量損失及溫度波動(dòng)情況，通過建立集裝箱仿真模型，以ICEM為網(wǎng)格劃分軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并導(dǎo)入 Fluent 進(jìn)行求解計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果并得出影響箱內(nèi)溫度分布的主要因素，進(jìn)而改進(jìn)現(xiàn)有集裝箱T型風(fēng)道送風(fēng)型式，利用冷空氣幕墻原理建立集裝箱門附近的局部送風(fēng)系統(tǒng)[12]，隔斷集裝箱門兩側(cè)冷熱氣體熱質(zhì)交換，有效改善了集裝箱各部位溫度分布的不均勻狀況，提高了冷藏集裝箱的能量利用效率。

1 冷藏集裝箱模型

1.1物理模型

本文以實(shí)驗(yàn)室20 ft船舶集裝箱為原始對(duì)象建立模型，如圖1所示。箱體前端為機(jī)組端，后端為門端，箱體內(nèi)部尺寸為5440 mm×2280 mm×2310 mm，集裝箱內(nèi)貨物對(duì)稱布置，貨物箱尺寸為980 mm×350 mm×430 mm，貨物與側(cè)壁間的距離為300 mm，貨箱前后距離為500 mm,貨物左右距離為300 mm。冷藏集裝箱送回風(fēng)方式為下送上回，送回風(fēng)口位于機(jī)組所在側(cè)壁內(nèi)面,送風(fēng)口大小為2260 mm×30 mm，回風(fēng)口共有兩個(gè)，位于送風(fēng)口上部，風(fēng)口大小為900 mm×130 mm，底板設(shè)有T型槽道將冷風(fēng)擴(kuò)散至箱內(nèi)各部位。將貨物底部的T型風(fēng)道封閉形成矩形風(fēng)管，在靠近箱門處將風(fēng)管向上開口，風(fēng)口尺寸為300 mm×30 mm共兩個(gè)，低溫冷風(fēng)貼附箱門向上高速噴出形成風(fēng)幕隔斷內(nèi)外熱量交換。

圖1 冷藏集裝箱結(jié)構(gòu)圖

1.2模型假設(shè)

建立集裝箱數(shù)學(xué)模型，為方便計(jì)算，對(duì)模型做出以下簡化假設(shè)。

1.箱內(nèi)氣體為不可壓縮氣體且滿足 Boussinesq 假設(shè)[13]；

2.假定溫度變化對(duì)貨物和空氣物性參數(shù)無影響，設(shè)定各物性參數(shù)為常數(shù)[14]；

3.箱內(nèi)貨物為內(nèi)熱源且穩(wěn)定散熱；

4.不考慮運(yùn)輸過程中貨物水分蒸發(fā)等傳質(zhì)因素的影響[15]；

5.箱體密閉性良好，忽略熱輻射[16]。

根據(jù)上述假設(shè)，因氣體在集裝箱內(nèi)部為復(fù)雜湍流運(yùn)動(dòng)，故采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型進(jìn)行求解。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在工業(yè)實(shí)例中普遍利用，其計(jì)算收斂性較高，精確性符合工程要求[17]。考慮分子黏性對(duì)于箱壁附近區(qū)域的影響，采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理[18]。計(jì)算方法采用比較成熟的SIMPLE算法，對(duì)集裝箱機(jī)組運(yùn)行過程中箱內(nèi)溫度變化進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算公式為有限體積法控制方程中的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒等方程[19]。

質(zhì)量守恒方程為：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

x方向動(dòng)量方程：

(2)

y方向動(dòng)量方程：

(3)

z方向動(dòng)量方程：

(4)

能量守恒方程：

(5)

式中，μ(N·s/m2)為動(dòng)力粘度，u、v和w分別是速度矢量在x、y、z上的分量，CP[J/(kg·℃)]是比熱容，T為溫度，K[W/(m2·K)]為流體的傳熱系數(shù)，其中密度ρ(kg/m3)不隨時(shí)間的變化而變化。在動(dòng)量方程中，考慮重力對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)的影響，加入重力項(xiàng)ρg。

1.3邊界條件及參數(shù)

入口邊界條件：本文求解的對(duì)象是集裝箱的溫度分布，送風(fēng)口為速度進(jìn)口邊界條件Velocity-Inlet，設(shè)定送風(fēng)速度為V=6 m/s，送風(fēng)溫度設(shè)定為273.15 K。風(fēng)幕送風(fēng)速度為4 m/s。假定冷風(fēng)運(yùn)動(dòng)過程與矩形風(fēng)管無摩擦溫升，送風(fēng)溫度為273.15 K，空氣密度ρ=1.27 kg/m3[20]。

出口邊界條件：在流場(chǎng)求解前流場(chǎng)出口處的速度與壓強(qiáng)未知，故出口邊界條件應(yīng)選用outflow[21]。

壁面邊界條件：針對(duì)粘性流動(dòng)，內(nèi)壁面采用無滑移邊界條件，因此有u=v=w= 0。

熱源邊界條件：因箱體內(nèi)外溫差較大，箱壁存在熱量傳遞現(xiàn)象，根據(jù)冷藏集裝箱壁面材料的物理屬性，取換熱系數(shù)為0.3 W/(m2·K)，環(huán)境溫度為300 K[22]。

運(yùn)用ICEM對(duì)箱體建模并進(jìn)行非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為正四面體網(wǎng)格，總數(shù)為941232個(gè)，對(duì)送回風(fēng)口，風(fēng)幕出風(fēng)口等部位進(jìn)行局部加密。運(yùn)用FLUENT14.5湍流模型進(jìn)行計(jì)算，以有限容積法為求解方法進(jìn)行計(jì)算，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，對(duì)流項(xiàng)格式要兼顧精度與收斂性的影響，選用二階迎風(fēng)離散格式[23]?？紤]浮升力的影響，取重力加速度g=9.81 m/s2。采用adaptive自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間步長，總共模擬100 min。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1風(fēng)幕對(duì)集裝箱內(nèi)溫度分布的影響

將箱底被貨物箱遮蓋的T型槽道部分封閉形成矩形風(fēng)管，在箱門處向上開口，形成局部送風(fēng)系統(tǒng)。部分冷風(fēng)從風(fēng)機(jī)送入箱內(nèi)被旁通到箱門處通過風(fēng)口向上排出，通過箱體上部的凹道回到機(jī)組端被排風(fēng)機(jī)抽出。局部送風(fēng)系統(tǒng)類似于有回風(fēng)的冷空氣幕墻，隔斷箱門附近內(nèi)外冷熱氣體熱質(zhì)交換，起到了局部冷卻，優(yōu)化箱內(nèi)氣體流場(chǎng)溫度場(chǎng)的作用。

2.1.1速度模擬結(jié)果

為探究箱內(nèi)氣體流速對(duì)溫降的影響規(guī)律，在箱門側(cè)靠近貨箱壁位置x=0.3 m處取截面，截面氣體流速如圖2所示，圖2(a)是空箱狀態(tài)下截面氣流速度分布圖，圖2(b)是箱內(nèi)裝載貨物后截面氣流速度分布圖。通過對(duì)空箱及裝載貨物兩種狀況下箱內(nèi)氣體速度分布情況進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，空箱狀態(tài)下截面速度較大，裝載貨物后由于受到貨物的阻隔及氣體間相互碰撞影響，截面上部流速明顯小于截面底部，而貨物溫度降低是通過冷氣體與貨物對(duì)流換熱實(shí)現(xiàn)的，氣體流速過小不利于箱內(nèi)溫度均勻降低。因此，有必要對(duì)集裝箱內(nèi)氣體流速進(jìn)行調(diào)控，保持箱內(nèi)氣體速度均勻性。

(a)空箱狀態(tài)

(b)載貨狀態(tài)

(c)加入冷空氣幕

圖2(c)是箱門附近加入局部送風(fēng)系統(tǒng)后箱內(nèi)氣流速度分布圖。由圖2(c)可以看出，加入局部送風(fēng)系統(tǒng)后，截面平均流速明顯提高，而且截面速度梯度較小，起到了局部改造、整體優(yōu)化的作用。

2.1.2溫度分布云圖

箱內(nèi)溫度分布如圖3所示。溫度圖左端為箱體門端，右端為箱體機(jī)組端。由圖3(a)可以看出，空箱狀態(tài)下箱內(nèi)溫度分布較為均勻，溫度波動(dòng)范圍為273～274 K，箱內(nèi)最大溫差為1 K。加入貨物后箱底與箱體頂部溫度波動(dòng)較大，靠近制冷機(jī)組的貨物箱溫度波動(dòng)為273～275 K，靠近箱門的貨物箱溫度波動(dòng)為273～276 K，箱內(nèi)最大溫度差為3K，出現(xiàn)在箱尾貨物箱側(cè)壁，在箱尾附近靠近箱門處形成局部高溫區(qū)。由于T型風(fēng)道中的冷風(fēng)在向前運(yùn)動(dòng)過程中不斷向上散出，速度不斷降低，到達(dá)箱尾附近的風(fēng)量很少，速度衰減最快，不能噴射到貨物箱壁中上層就會(huì)沉降，不能達(dá)到強(qiáng)制對(duì)流換熱冷卻附近貨物箱的效果。由于某些貨物保存溫度很低，對(duì)溫度均勻性要求較高，當(dāng)溫差波動(dòng)超過3K時(shí)就會(huì)損壞貨物品質(zhì)，因此有必要對(duì)集裝箱內(nèi)溫度分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足貨物冷藏儲(chǔ)存的溫度需求。

(a)空箱狀態(tài)箱內(nèi)溫度分布

(b)載貨狀態(tài)箱內(nèi)溫度分布

(c)加入風(fēng)幕后溫度分布

圖3(c)是箱門附近加入局部送風(fēng)口后箱內(nèi)溫度分布圖。箱門附近的局部高溫區(qū)域消失，冷風(fēng)對(duì)貨物箱體的冷卻效果有所提高，集裝箱內(nèi)整體溫度場(chǎng)得到改善。對(duì)比圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，加入局部送風(fēng)系統(tǒng)后箱內(nèi)溫度分布要均勻得多，箱內(nèi)溫差由3 K減小為2 K,箱內(nèi)整體溫度波動(dòng)范圍降低為273～275 K，這是因?yàn)槔淇諝饽桓魯嗔讼溟T內(nèi)外熱量傳遞，與此同時(shí)，局部送風(fēng)系統(tǒng)增加了箱門附近冷空氣的流量與流速，提高了冷空氣與貨物箱的熱量交換效果，有效改善了箱內(nèi)溫度分布的均勻性。

2.1.3溫度切面圖

(a)空箱狀態(tài)

(b)載貨狀態(tài)

(c)加入風(fēng)幕

取x=0.2 m，x=2.72 m，x=5.24 m三處截面顯示其溫度，模擬結(jié)果如圖4所示。觀察由圖4(a)可知，空箱狀態(tài)下x=5.24 m即箱門附近截面溫度稍高，截面頂端溫度為274 K，高于截面底部溫度273 K，其他兩個(gè)截面溫度差異較小。由圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，裝載貨物后箱內(nèi)整體溫度比空箱狀態(tài)下升高1～2 K，三個(gè)截面溫度分布不均勻性增加，而x=5.24 m處溫度比其他兩個(gè)截面高1 K，這是由于箱門附近氣流擾動(dòng)較小且漏熱現(xiàn)象較為明顯。截面圖結(jié)果顯示與速度圖分析相符合，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的合理性。

加入局部送風(fēng)系統(tǒng)后模擬結(jié)果如圖4(c)所示，由于局部送風(fēng)系統(tǒng)增加了冷空氣在箱門附近的擾動(dòng)，使得箱體內(nèi)部整體溫度低于圖4(b)約1K。各截面上溫差不大，溫度均勻性較好，由此證明局部送風(fēng)系統(tǒng)對(duì)于集裝箱內(nèi)部溫度優(yōu)化起著重要的作用。

取集裝箱內(nèi)x=0.5 ,1.0 ,1.5 ,2.0 ,2.5 ,3.0 ,3.5 ,4.0 ,4.5 ,5.0 m各截面上平均溫度和最大溫差對(duì)兩種情況進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 各截面平均溫度圖

圖6 各截面最大溫差圖

由圖5可以看出，無風(fēng)幕狀態(tài)下截面平均溫度比有風(fēng)幕狀態(tài)下截面平均溫度高0.3～1.5 K，無風(fēng)幕狀態(tài)下靠近箱門側(cè)溫度逐漸升高，在x=4 m處達(dá)到最大值275.3 K。加入風(fēng)幕后最高溫度截面出現(xiàn)在箱體中部，靠近風(fēng)幕側(cè)溫度逐漸降低且各截面平均溫度波動(dòng)不大，說明風(fēng)幕有利于集裝箱內(nèi)各部位保持在較為恒定的低溫溫度。

由圖6可以看出，無風(fēng)幕狀態(tài)下集裝箱內(nèi)各截面最大溫差比有風(fēng)幕狀態(tài)下各截面最大溫差高0.5～2 K，截面最大溫差在x=2.5 m處達(dá)到最大值2.5 K，截面溫度梯度過大不利于集裝箱內(nèi)貨物的冷藏儲(chǔ)存。有風(fēng)幕狀態(tài)下各截面溫度梯度變化不大，最大溫差不超過0.7 K，且箱體中部與箱門側(cè)溫差不大，說明加入風(fēng)幕后集裝箱內(nèi)低溫環(huán)境保持恒定且溫度均勻性較好，有利于貨物的儲(chǔ)藏與運(yùn)輸。

2.2風(fēng)幕對(duì)開門狀態(tài)下溫升的影響

冷藏箱在運(yùn)輸過程中需要裝卸貨物，箱門開閉因素對(duì)集裝箱內(nèi)整體溫度影響較大，不僅造成一定的能量損失而且引起箱內(nèi)溫度不均勻性差異，不利于保持箱內(nèi)貨物良好的品質(zhì)，故而需對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行改善。局部送風(fēng)系統(tǒng)可以產(chǎn)生類似風(fēng)幕墻的效果，對(duì)隔斷內(nèi)外熱空氣滲透有著顯著作用。打開箱門5 min后模擬對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

(b)有風(fēng)幕開箱門

從圖7(a)可以看出，無風(fēng)幕狀態(tài)下，打開箱門后集裝箱內(nèi)的整體溫度隨著時(shí)間變化逐漸升高，在很短的時(shí)間內(nèi)箱內(nèi)溫度接近設(shè)定的環(huán)境溫度300 K，僅在箱體底部還有部分區(qū)域溫度稍低于外界環(huán)境。如圖7(b)所示，在相同時(shí)間內(nèi)，有風(fēng)幕的狀態(tài)下集裝箱內(nèi)整體溫升速率低于無風(fēng)幕狀態(tài)，箱內(nèi)大部分區(qū)域溫度小于300 K,即箱門附近加入風(fēng)幕可以延緩集裝箱內(nèi)的溫升速率。

(a)無風(fēng)幕開箱門

(b)有風(fēng)幕開箱門

從圖8(a)可知x=5.24 m處截面溫度為298 K，x=2.72 m處截面溫度為296～298 K，x=0.2處截面溫度為294～298 K，無風(fēng)幕狀態(tài)下開箱門后各截面離箱門越近，溫度越接近環(huán)境溫度。從圖8(b)可知，加入局部送風(fēng)系統(tǒng)后，由于風(fēng)幕墻具有隔斷內(nèi)外氣體熱質(zhì)交換的作用，在x=5.24 m截面上部溫度較為接近環(huán)境溫度298 K，下部由于冷空氣沉淀作用仍能維持在較低溫度。x=2.72 m處截面溫度為291～294 K，x=0.2 m處截面溫度為286～292 K，距離大門越遠(yuǎn)，截面溫度越低且截面上溫度梯度較小，說明局部送風(fēng)系統(tǒng)在集裝箱裝卸貨物時(shí)可以維持箱內(nèi)溫度在較穩(wěn)定的水平，因此，有必要在該種類型集裝箱內(nèi)加入局部送風(fēng)系統(tǒng)以維持恒定的低溫環(huán)境。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用ICEM-CFD軟件對(duì)一款20 ft的船舶機(jī)械制冷冷藏集裝箱箱內(nèi)溫度分布進(jìn)行了模擬仿真研究，提出了一種采用風(fēng)幕優(yōu)化箱內(nèi)溫度場(chǎng)分布的新方法，本研究結(jié)論如下：

1.本文對(duì)空箱及載貨箱的運(yùn)行降溫冷卻過程進(jìn)行數(shù)值分析，反應(yīng)了冷藏集裝箱制冷性能，研究結(jié)果不僅可以為箱體結(jié)構(gòu)、風(fēng)道風(fēng)速等設(shè)計(jì)提供理論支持，還可以為貨物堆碼方式，貨物擺放位置提供理論參考。

2.增加集裝箱內(nèi)氣體的紊流度可以達(dá)到很好的換熱效果，增大氣流與箱內(nèi)貨物的接觸面積，增加氣流與箱壁間的沖擊性有利于提高換熱效率，維持箱內(nèi)溫度在恒定范圍。

3.在箱門附近添加局部送風(fēng)系統(tǒng)可以形成類似冷空氣幕墻的效果，降低箱內(nèi)局部高溫區(qū)域的面積及溫度梯度，提高箱內(nèi)溫度分布的均勻性和合理性，有利于維持箱內(nèi)貨物的品質(zhì)和質(zhì)量。

4.冷空氣幕可以隔斷箱門內(nèi)外冷熱氣體的熱質(zhì)交換，維持箱內(nèi)低溫環(huán)境。在打開箱門裝卸貨物時(shí)冷空氣幕可以有效延遲箱內(nèi)溫度的提升速率，減小集裝箱裝卸過程中由于開門造成的能量損失。

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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

楊 帆(1993)，男，河南南陽人，碩士研究生，主要從事船舶冷藏運(yùn)輸研究。E-mail:yangfanabc@126.com。

闞安康(1981)，男，山東濟(jì)南人，博士后，高級(jí)工程師，主要從事船舶制冷技術(shù)研究。E-mail:ankang 0000000537@126.com.