多溫區冷藏車回風導軌對廂內溫度場的影響分析

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.山東大學機械工程學院，山東 濟南 250061；2.國家農產品現代物流工程技術研究中心，山東 濟南 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）

人們日益增長的生活水平，加速了不同地區之間的物資流通。“多品種、小批量”的產品需求模式，對中短程運輸提出了更高要求。單溫區冷藏車無法同次運輸溫度要求不同的貨物，尤其是中短途配送中經常出現半倉現象［1］。而多溫區冷藏車可以滿足不同溫度需求貨物的同批次運輸，有效提高運輸效率。其中，多溫區冷藏車各溫區之間的協同工作是實現同批次、多品類運輸的關鍵。

冷藏車儲運能力依賴于車廂內的空氣流場和溫度分布的均勻性，氣流組織的優劣直接影響著冷藏車的冷藏效果，國內外學者針對冷藏車的車廂內部氣流組織進行了大量研究［2，3］。張婭妮等［4］、Moureh J等［5－7］針對風道布局、送風速度和貨物堆碼方式等影響因素，借助三維湍流模型對冷藏車車廂內環境進行數值模擬，研究表明：當出風口緊貼車廂頂棚時，會在車廂內形成貼壁射流，以便將氣流送到車廂尾部。增加向后引導氣流的通風管道，有助于使氣流均勻分布在整個車廂，并降低車廂前部的氣流強度。

多溫區冷藏車已逐漸應用于市場，并進行了相關傳熱計算［8］，但是單蒸發器多溫區冷藏車廂內送風、回風方式尚無統一標準。本研究擬利用Fluent軟件，對單蒸發器多溫區冷藏車開展數值模擬試驗，分析回風導軌對廂內溫度場的影響規律。試驗中采用不同回風方式，其它影響因素保持不變，得到不同條件下的廂內溫度分布數據。通過統計分析，得到車廂底部回風導軌對車廂內溫度分布影響機理，這對優化多溫區冷藏車廂結構設計具有重要參考價值。

1 多溫區冷藏車廂模型

1.1 物理模型

試驗選用單蒸發器多溫區冷藏車，車廂內部的長、寬、高尺寸為7 600 mm×2 500 mm×2 600 mm。車廂內用可移動隔板分隔分為冷凍區（F）、冷藏區（C）和常溫區（N）3個溫區，各分區的長度依次為2 600，2 500，2 500 mm（見圖1）。

各溫區制冷方式不同，冷凍區F依靠蒸發器制冷，冷藏區C和常溫區N則依靠送風風道傳送冷量，再經車廂底部X方向導軌之間空隙實現回風，完成制冷循環。冷凍區溫度一般在－18℃左右，主要運輸肉類、海鮮等；冷藏區溫度一般在0～10℃，主要運輸生鮮農產品；常溫區溫度一般在20℃左右，主要運輸蛋類、新鮮食品等。本次試驗主要研究車廂載貨區的溫度場分布狀況，故將風道簡化成送風口展開數值模擬。為對比分析試驗結果，共進行空倉和車廂載貨兩種狀態下的模擬仿真試驗。載貨狀態是采用典型的兩排堆垛方式［9］，貨物簡化成尺寸為500 mm×900 mm×1 800 mm長方體模型，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、比熱和傳熱系數等參數，進行有熱源模擬。

圖1 車廂物理模型圖Figure 1 The carriages physical model

1.2 數學模型

假設：

（1）車廂內氣體不可壓縮且符合Boussinesq假設；

（2）車廂內氣體在車廂壁面上無滑移；

（3）車廂側壁氣密性良好，無漏氣現象；

（4）廂內氣體滿足摩擦定律，為牛頓流體。

依據上述假設，根據現有試驗條件，選用標準K－ε模型進行數值求解。標準K－ε模型起源于試驗現象的總結，比零方程模型和一方程模型更加貼近實際情況，廣泛應用于科學研究及工程實踐。標準K－ε模型在湍動能K方程的基礎上引入湍流耗散率ε方程，對應的控制方程組如下［10］：

連續方程表達式為

能量方程表達式為

K方程表達式為

ε方程表達式為

Gk表達式為

式中：

ρ—— 流體密度，kg／m3；

t—— 時間參數，s；

U—— 速度，m／s；

x—— 位移，m；

T—— 溫度，K；

μ—— 粘性系數，Pa·s；

k—— 湍動能；

ε——湍動能耗散率；

Cp—— 定壓比熱；

C1ε—— 經驗常數；

C2ε—— 經驗常數；

Qr—— 輻射熱，J；

WsQs——流體單位體積重反應放熱，J；

σT——湍流對應的Prandtl數；

σk——湍動能k對應的Prandtl數；

σε—— 耗散率ε對應的Prandtl數；

Gk——平均速度梯度引起的湍動能k產生項。

根據文獻［11］，經驗常數C1ε、C2ε、σk和σε的取值分別為C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.3。

1.3 邊界條件

車廂送風口采用速度入口邊界，把送風口溫度和風速的平均值設為送風溫度、送風速度，其中送風速度方向垂直于送風口平面，出風口邊界采用壓力出口邊界。車廂壁面均采用無滑移邊界條件，其主要成份包括硬聚氨酯和玻璃鋼，熱傳導系數設為0.021 W／（m·K）。由于標準K－ε模型屬高雷諾數模型，主要處理離開壁面一定距離的湍流區域。本試驗采用工程計算常用的壁面函數法處理壁面附近粘性支層中的流動和換熱的計算［12］。

2 數值模擬試驗

計算流體力學運用計算機技術和離散化的數值方法求解流體的流動和能量傳遞。在冷藏車研究領域，計算流體力學主要應用于儲運過程中的制冷和傳熱問題［13］。對冷藏車廂物理模型進行離散化，設置上述邊界條件，利用商用模擬軟件Fluent對多溫區冷藏車廂開展數值模擬試驗，研究車廂內溫度場分布情況。

物理模型中，冷藏車鋪設X方向導軌（導軌長度方向為X），導軌與可移動隔板之間屬摩擦接觸，隔板可借助于車廂側壁卡槽沿X方向移動。冷藏區和常溫區經送風風道提供冷量，然后依靠壓力作用，使得氣流沿車廂底部導軌之間的空隙流到冷凍區，實現制冷循環。故導軌高度與界面形狀決定了回風面積的大小，即導軌高度影響著冷藏車廂內氣流分布。根據前期模擬試驗結果，冷藏區和常溫區送風溫度分別為275，286 K，送風口風速均設為3 m／s，出風口位置居溫區中部位置［14］。送風角度為45°，改變車廂回風導軌高度，經過數值迭代計算得到不同的車廂溫度場分布狀況。結合實際調研，回風導軌高度分別取40，80，120 mm。為準確反映車廂內溫度分布狀況，在冷藏區和常溫區各取具有代表性的15個點，分布如圖2所示，其中各點坐標見表1。針對相應測溫點進行數據采集和統計，以分析回風導軌對車廂內溫度分布均勻性的影響規律。

圖2 溫度采集點分布圖Figure 2 Distribution of temperature points

表1 溫度采集點坐標Table 1 The coordinates of temperature points／m

2.1 空倉狀態下溫度場分析

空倉狀態下的溫度場數值模擬試驗中，改變回風導軌的高度，其它影響因素保持不變，運用Fluent軟件進行迭代計算。待迭代穩定后，對車廂冷藏區和常溫區溫度場采集15個點（見圖2）的溫度數據，并進行整理，結果見表2。

由表2可知，前4個溫度采集點和后4個溫度采集點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。針對冷藏車溫度場分布，通常選用溫度不均勻系數K作為評價標準。溫度不均勻系數越小說明冷藏車廂內溫度分布越均勻，則冷藏車在此狀態下儲運效果最佳。溫度不均勻系數K計算公式為

表2 空倉狀態下溫度分布數據Table 2 Temperature distribution data in no－load state ／K

式中：

K——溫度不均勻系數；

珋t——平均溫度，K；

σt——均方根偏差；

n——溫度數據總數。

針對表2中數據進行計算得到表3。由表3可知，冷藏區內不同回風導軌高度對應的K值要遠大于常溫區對應的K值，同時冷藏區內K值變化幅度也要高于常溫區的。說明在多溫區冷藏車中，常溫區的溫度場分布要比冷藏區溫度場分布更加均勻。其中，冷藏區溫度場分布狀態受回風導軌影響現象更加明顯。

圖3為空倉狀態下K值與導軌高度h之間分布曲線。對比發現，冷藏區和常溫區采用40 mm回風導軌對應K值最小，即溫度分布最均勻；采用80 mm回風導軌對應K值最大，即溫度分布最不均勻。隨著回風導軌高度增加，溫度不均勻系數先增大、后減小，兩者近似呈“凸型曲線”分布。

表3 空倉狀態下溫度不均勻系數計算結果Table 3 Temperature coefficient of uniformity results

圖3 空倉狀態K值分布圖Figure 3 K－value distribution in no－load state

2.2 載貨狀態下溫度場分布

載貨狀態下的溫度場數值模擬試驗中，改變回風導軌的高度，其它影響因素保持不變，運用Fluent軟件進行迭代計算。待迭代穩定后，對車廂冷藏區和常溫區溫度場采集15個點（見圖2）的溫度數據，并進行整理，結果見表4。

由表4可知，15個點溫度分布參差不齊，與空倉狀態下不同，并沒有中間偏低，上下部分偏高規律。對表4中數據進行溫度不均勻系數計算，結果（表5）表明：在不同導軌高度下，冷藏區和常溫區平均溫度變化并不明顯，但是溫度不均勻系數存在明顯差異。載貨狀態下冷藏區和常溫區的K值相比于表3均有不同程度增加。說明裝載貨物會影響車廂內溫度均勻性，致使溫度分布更加不均勻，且常溫區受載貨影響程度更嚴重。

圖4為空倉狀態下K值與導軌高度h之間分布曲線。由圖4可知：冷藏區內不同回風導軌高度對應的K值要大于常溫區對應的K值，同時冷藏區內K值變化幅度也要高于常溫區的。說明在多溫區冷藏車中，常溫區的溫度場分布要比冷藏區溫度場分布更加均勻。其中，冷藏區溫度場分布狀態受回風導軌影響現象更加明顯。冷藏區和常溫區采用40 mm回風導軌，K值最小；隨著導軌高度的增加，K值不斷增加；采用120 mm回風導軌，K值最大，兩者近似呈正比例線性分布。

表4 載貨狀態下溫度分布數據Table 4 Temperature distribution data in loading state ／K

表5 載貨狀態下溫度不均勻系數計算結果Table 5 Temperature coefficient of uniformity results

圖4 載貨狀態K值分布圖Figure 4 K－value distribution in loading state

空倉狀態和載貨狀態下的溫度分布均勻系數具有較大差異，以冷藏區溫度場分布狀況進行對比分析。選取過冷藏區中心點的OZ方向溫度分布，繪制平面曲線圖見圖5、6。對比發現，空倉狀態下溫度分布曲線跨度較小，溫度分布在279～282 K；載貨狀態下溫度分布曲線跨度較大，溫度分布在277～288 K。說明空倉狀態可以使得車廂內氣體充分對流換熱，溫度場分布均勻；載貨狀態會對車廂內流場形成干擾作用，延緩車廂頂部氣流向下流動，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 空倉狀態溫度分布曲線圖Figure 5 Temperature distribution curve in no－load state

2.3 Y方向導軌設計

載貨狀態下，回風導軌高度越小，溫度不均勻系數越小，在實際應用中要盡量降低冷藏車回風導軌的高度。然而由于多溫區冷藏車各溫區之間溫差大，常溫區的回風氣流必然通過冷藏區底部進去冷凍區，造成冷藏區和冷凍區車廂底層溫度偏高。為保護車廂底部貨物不受高溫氣流干擾，所以回風導軌必然要保持一定高度。所以，提出一種新的導軌設計方案：原有X方向導軌改裝為Y方向導軌（導軌長度方向為Y），導軌與可移動隔板之間屬摩擦接觸，隔板可借助于車廂側壁卡槽沿X方向移動，如圖7所示。導軌之間空隙的距離小于可移動隔板的厚度，使得導軌始終對可移動隔板具有支撐作用，保證可移動隔板的穩定性。導軌長度應小于車廂寬度，使得導軌與車廂壁面留有間隔，以滿足各溫區回風需求。在此采用高度為40 mm回風導軌，長度2 300 mm，在車廂底部兩側形成寬度為100 mm空隙。然后按照相同試驗條件進行裝載貨物下的數值模擬。

圖6 載貨狀態溫度分布曲線圖Figure 6 Temperature distribution curve in loading state

圖7 Y方向導軌示意圖Figure 7 Rough sketch of Y direction rail

對仿真結果進行溫度采集，結果見表6。對表6中數據進行溫度不均勻系數計算，冷藏區K值為2.3×10－3，常溫區K值為1.69×10－3。對比發現，在鋪設Y方向導軌條件下，冷藏區和常溫區的K值均得到不同程度降低。說明Y方向導軌能夠改變車廂內溫度場分布，提高冷藏區和常溫區溫度分布均勻性。

表6 載貨狀態溫度分布數據Table 6 Temperature distribution data in loading state／K

3 結論

針對單蒸發器多溫區冷藏車，車廂底部回風導軌高度的變化在很大程度上會影響冷藏區和常溫區內溫度場分布均勻性，其中冷藏區要比常溫區受影響程度更大。在空倉狀態下，回風導軌高度與溫度不均勻系數近似呈“凸型曲線”分布；在載貨狀態下，回風導軌高度與溫度不均勻系數近似呈正比例線性分布。

目前針對多溫區冷藏車的研究主要圍繞送風風速、堆貨方式和車廂傳熱等問題，回風導軌對廂內溫度分布影響還尚未見諸報道。本試驗研究車廂導軌對冷藏車廂內溫度分布的影響，得到不同條件下車廂內溫度分布狀況，為單蒸發器多溫區冷藏車性能優化提供了理論指導。

載貨狀態下，降低車廂導軌高度能夠使得車廂內溫度分布更加均勻。然而車廂底部導軌過低，會使得車廂底部貨物受到高溫氣流的影響，甚至發生貨物腐敗現象，嚴重降低冷藏車的儲運能力。所以在實際應用中，導軌必須滿足一定的高度，才能保證底部貨物品質。由于受不同尺寸和制冷量等因素的影響，本成果有待進一步的實驗驗證。

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