冷藏車?yán)滹L(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及熱流場分析

田甜，李細(xì)霞，徐添樺，李長玉

（廣州城市理工學(xué)院，廣州 510800）

隨著我國電子商務(wù)行業(yè)的崛起，食品等易腐物品的運(yùn)輸越來越普及，冷鏈物流需求也越來越大。冷藏車是冷鏈物流重要一個(gè)環(huán)節(jié)，合理的冷藏車運(yùn)輸過程中熱流場分布可提高冷藏車?yán)鋮s貨物的效果[1-4]，近年，針對冷藏汽車相關(guān)設(shè)計(jì)及溫度場分析的相關(guān)研究也越來越多，具體可歸結(jié)如下。

張超等[5]針對冷藏車運(yùn)輸荷蘭芹過程中貨物堆碼位置對其品質(zhì)影響做了研究，發(fā)現(xiàn)在冷藏車車廂后上堆貨物放會引起荷蘭芹品質(zhì)下降。夏全剛等[6]設(shè)計(jì)了一種冷藏車廂體模型，結(jié)合三維數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，分析了該冷藏車在運(yùn)輸上海青過程中溫度變化情況。謝如鶴等[7]通過計(jì)算流體力學(xué)的方法對某冷板冷藏車不同冷板布置情況下的溫度場進(jìn)行了分析，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)冷板部分側(cè)置，部分頂置的方式比較合理。李錦等[8]運(yùn)用湍流模型研究了冷藏車隔熱材料、出風(fēng)口位置等參數(shù)對運(yùn)輸過程中溫度分布的影響。李細(xì)霞等[9]針對分體式冷板冷藏車空載預(yù)冷過程進(jìn)行了溫度場分析，發(fā)現(xiàn)頂置加側(cè)置方式可以保證冷卻效果。張哲等[10]針對冷板冷藏車，采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算了空載時(shí)廂體溫度場分布，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。李錦等[11]基于動態(tài)平衡理論，建立了冷藏車廂內(nèi)溫度隨時(shí)間變化降溫?cái)?shù)學(xué)模型，并通過試驗(yàn)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。分析了車速、隔熱材料的熱導(dǎo)率等對降溫時(shí)間的影響。田津津等[12]針對某冷藏車進(jìn)行了內(nèi)部流場的動態(tài)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果較一致。邸倩倩等[13]建立了某冷藏車內(nèi)部流場數(shù)學(xué)模型，分析了風(fēng)速對車廂內(nèi)部溫度變化的影響。

文中設(shè)計(jì)一冷藏車?yán)滹L(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)，建立了裝配該冷風(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)后的冷藏車廂內(nèi)部幾何模型及熱物理模型，通過仿真計(jì)算的方式得到了該系統(tǒng)的熱流場分布的情況，分析了該系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)對冷藏車?yán)鋮s效果的影響。

1 冷風(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中針對廂體內(nèi)尺寸為4 085 mm×2 000 mm×1 900 mm的冷藏汽車設(shè)計(jì)內(nèi)部導(dǎo)流系統(tǒng)。結(jié)合該冷藏汽車的蒸發(fā)器尺寸，設(shè)計(jì)了頂部冷風(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)。其中包括弧形導(dǎo)板，擋風(fēng)導(dǎo)板，氣孔板3 部分組成。頂部導(dǎo)流系統(tǒng)主要用于將蒸發(fā)器出風(fēng)口的冷風(fēng)往車廂后部導(dǎo)流，使其均勻的從車廂頂部往下部流動。具體的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1 所示。其中Dsto為氣孔直徑，Linr為氣孔間隔。

冷藏車經(jīng)頂部冷風(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)導(dǎo)流之后，流經(jīng)車廂冷藏貨物，通過貨物之間留置的回風(fēng)道和底部冷風(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)流經(jīng)回風(fēng)口，設(shè)計(jì)的底部冷風(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和尺寸見圖2。導(dǎo)流槽除了對冷風(fēng)進(jìn)行導(dǎo)流之外，還可以將運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的液體導(dǎo)流入集污槽。

圖2 底部冷風(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)Fig.2 Cold air guide system at bottom

設(shè)計(jì)的冷藏車?yán)滹L(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)裝配關(guān)系如圖3 所示。車廂由外壁、內(nèi)壁和中間隔熱層構(gòu)成，其中內(nèi)壁和外壁由玻璃鋼制成，隔熱層采用聚氨酯泡沫板。頂部導(dǎo)流系統(tǒng)連接冷藏車蒸發(fā)器。底部導(dǎo)流系統(tǒng)置于冷藏車底部。在裝置貨物時(shí)預(yù)留回風(fēng)道。設(shè)計(jì)的冷風(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)預(yù)計(jì)的冷風(fēng)流向?yàn)椋簭恼舭l(fā)器出口經(jīng)過氣孔板流入車廂，經(jīng)過貨物間隙，通過回風(fēng)道，底部導(dǎo)流槽經(jīng)回風(fēng)口再流入蒸發(fā)器。

圖3 導(dǎo)流系統(tǒng)裝配關(guān)系Fig.3 Assembly relationship of guide system

2 熱流場分析的數(shù)理模型

2.1 坐標(biāo)設(shè)置

在進(jìn)行熱流場分析時(shí)需要先建立坐標(biāo)系。建立的坐標(biāo)系如圖4 所示，以冷藏車廂內(nèi)右下角為坐標(biāo)系原點(diǎn)，汽車行駛方向?yàn)閤軸正方向，駕駛員左手方向?yàn)閥軸正方向，垂直底面為z軸正方向。截面A通過回風(fēng)口圓心和x軸平行。

圖4 坐標(biāo)設(shè)置Fig.4 Coordinate setting

2.2 控制方程

文中針對運(yùn)輸蘋果過程中溫度分布情況建立熱物理模型，該模型包括貨物內(nèi)部固體傳熱，車廂內(nèi)空氣和貨物之間的對流換熱，及流體流動傳熱幾個(gè)物理過程。其中固體傳熱控制方程見式（1），流體運(yùn)動的控制方程見式（2）—（6）[14-16]。

式中：bρ為貨物密度；bT為貨物溫度；t為時(shí)間；cb為貨物的恒壓熱容；k為貨物導(dǎo)熱系數(shù)。

連續(xù)性方程：

式中：iu為空氣流動的速度分量，i=1，2，3表示x、y、z方向。

運(yùn)動方程：

式中：ρ為空氣密度；p為壓力；T為空氣溫度；β為空氣體積膨脹系數(shù)；μ為氣體層流動力黏性系數(shù)。

湍流流動能量方程：

式中：qT為熱源強(qiáng)度；Cp為空氣定壓比熱湍流脈動動能方程（κ 方程）：

式中：G為湍流脈動動能；uj為湍流黏性系數(shù)；k為空氣紊流脈動動能；Pr為紊流普朗特?cái)?shù)；T0為參考溫度，K；ε為紊流能量耗散率。各經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值c1=1.45、c2=1.82、c3=1、σ3=0.08、σk=1。

3 分析與討論

分析時(shí)以運(yùn)輸蘋果為例，蘋果的半徑為50 mm。分析時(shí)考慮蘋果外包裝為網(wǎng)格泡沫，為簡化計(jì)算此處忽略了其影響，設(shè)蘋果間隙為3 mm。各部分材料的熱物理參數(shù)見表1[13,17-18]。

表1 材料的熱物理參數(shù)Tab.1 Thermophysical parameters of materials

圖5 表示了不同回風(fēng)道設(shè)置時(shí)，車廂內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)氣流和溫度分布情況。從圖5 中可以看出當(dāng)車輛空載時(shí)車廂內(nèi)部溫度很快和蒸發(fā)器出風(fēng)口位置溫度達(dá)到一致，回風(fēng)口位置空氣溫度略高。當(dāng)不設(shè)置縱向、橫向回風(fēng)道時(shí)，車廂內(nèi)的最高，最低溫度相差3.2 K。僅設(shè)置縱向回風(fēng)道是車廂內(nèi)最低、最高溫度相差2.5 K，同時(shí)設(shè)置縱向、橫向回風(fēng)道時(shí)車廂溫度最大在、最小值相差1.8 K。從圖5 中還可以看出，因設(shè)計(jì)的冷風(fēng)導(dǎo)流裝置的作用，冷空氣自頂向下進(jìn)入車廂，冷卻貨物后經(jīng)回風(fēng)道和車輛底部的通風(fēng)槽流向回風(fēng)口。

圖5 不同回風(fēng)道設(shè)置時(shí)氣流及溫度分布Fig.5 Air flow and temperature distribution in different return air duct settings

圖6 表示了不同情況下截面A的溫度云圖及空氣流向分布情況。從圖6 中可以看出，當(dāng)同時(shí)設(shè)置縱向和橫向通風(fēng)道時(shí)制冷效果最好，在制冷10 h 之后車廂內(nèi)溫度最大值和最小值相差3.9 K。不設(shè)置通風(fēng)道時(shí)制冷效果最差，在制冷10 h 之后溫度最大值和最小值相差4.9 K。從圖6 中還可以看出，未設(shè)置縱，橫向通風(fēng)道時(shí)貨物后下方及前下方溫度較高。同時(shí)設(shè)置縱，橫向通風(fēng)道時(shí)貨物僅后下方溫度稍高。

圖6 不同情況下截面A 溫度分布云圖及氣流流向（t=10 h）Fig.6 Cloud diagram of temperature distribution and air flow direction of section A under different conditions(t=10 h)

圖7 表示了設(shè)計(jì)的冷風(fēng)導(dǎo)流裝置對貨物溫度最大值，最小值變化的影響情況。在計(jì)算時(shí)取貨物及車廂空氣溫度初始值均為288.15 K，蒸發(fā)器出口的冷風(fēng)溫度為272.15 K。從圖7 中可以看出當(dāng)無冷風(fēng)導(dǎo)流裝置時(shí)，貨物溫度的最大值明顯要高于增加了導(dǎo)流裝置時(shí)的溫度，在t=10 h，無冷風(fēng)導(dǎo)流裝置情況下，貨物溫度最大值為283.5 K，只有底部冷風(fēng)導(dǎo)流裝置情況下貨物溫度最大值為281.7 K，同時(shí)設(shè)置頂部和底部冷風(fēng)導(dǎo)流裝置情況下貨物溫度最大值為277.6 K。設(shè)計(jì)的冷風(fēng)導(dǎo)流裝置可以將貨物的最大溫度降低5.9 K左右。從圖7 中還可以看出未設(shè)置冷風(fēng)導(dǎo)流裝置時(shí)貨物的最小溫度要略低于值設(shè)置頂部或同時(shí)設(shè)置頂部底部冷風(fēng)導(dǎo)流裝置，但是整體影響不大。

圖7 冷風(fēng)導(dǎo)流裝置對溫度變化情況的影響Fig.7 Effect of cold air guide device on temperature distribution

圖8 表示了裝入貨物預(yù)冷溫度不同時(shí)，貨物的最高溫度和最低溫度隨時(shí)間變化的情況，從圖中可以看出無論貨物初始溫度取何值，在經(jīng)過足夠長的冷卻時(shí)間（t=24 h）后，貨物溫度的最小值區(qū)別不大，均接略高于冷藏車蒸發(fā)器出口的溫度值272.15 K。從圖中可以看出裝入貨物的預(yù)冷溫度越低，貨物溫度達(dá)到適合運(yùn)輸?shù)臏囟人璧臅r(shí)間越少，當(dāng)貨物的預(yù)冷溫度為278.15 K 時(shí)，經(jīng)過3 h 貨物溫度最小值達(dá)到273.31 K，貨物溫度最大值達(dá)到277.15 K，是比較適合運(yùn)輸?shù)臏囟取Ｈ绻b入貨物,初始溫度為288.15 K，貨物的最大溫度達(dá)到277.15 K，需要經(jīng)過11 h。

圖8 貨物預(yù)冷溫度對溫度變化情況的影響Fig.8 Effect of precooling temperature of goods on temperature change

圖9 表示了當(dāng)入口風(fēng)速不同時(shí)，貨物的不同位置溫度隨時(shí)間變化情況，各位置的坐標(biāo)為：位置1（400、30、30 mm），位置2（400、30、120 mm），位置3（150、30、120 mm），位置4（80、30、120 mm）。從圖9 中可以看出。當(dāng)入口風(fēng)速為3 m/s 時(shí)貨物溫度降低明顯越快。在位置1，溫度降低至276.15 K。需要11 h，當(dāng)入口風(fēng)速為5 m/s 時(shí)則只需要7.9 h。從圖中還可以看出，靠近出風(fēng)口位置（位置4）溫度下降速度明顯較快，在車輛后方貨物中間位置，貨物溫度明顯下降較慢。

圖9 不同的入口風(fēng)速對不同位置溫度變化的影響Fig.9 Effect of different inlet wind speed on temperature changes at different locations

為了分析冷風(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對冷卻效果的影響。頂部導(dǎo)流系統(tǒng)分3 個(gè)尺寸，分別為尺寸A（Dsto=10 mm、Linr=5 mm），尺寸B（Dsto=10 mm、Linr=10 mm），尺寸C（Dsto=5 mm、Linr=10 mm）。底部導(dǎo)流系統(tǒng)分2 個(gè)尺寸，分別為尺寸M（Usto=30 mm、Bsto=60 mm、Minr=80 mm、Hsto=30 mm），尺寸N（Usto=40 mm、Bsto=80 mm、Minr=100 mm、Hsto=60 mm）。圖10 橫坐標(biāo)表示回風(fēng)道的寬度，橫坐標(biāo)表示車廂內(nèi)貨物從裝入時(shí)的281.15 K 降低至276.15 K 所需要的時(shí)間。圖10 中的點(diǎn)為計(jì)算所得的實(shí)際值，曲線為散點(diǎn)擬合的曲線。從圖10 中可以看出隨著縱向通風(fēng)道寬度增加，所需冷卻時(shí)間先減少后略有增加。分析原因是通風(fēng)道寬度增加空氣流動性好，冷卻效果好，但是當(dāng)通風(fēng)道過寬時(shí)冷空氣容易未流經(jīng)貨物就流向回風(fēng)口從而降低冷卻效果。從圖中還可以看出冷卻效果最差的是C、M 尺寸此時(shí)頂部導(dǎo)流系統(tǒng)氣孔直徑小，氣孔之間的間隙大，氣流不暢。底部倒流系統(tǒng)草流槽截面積較小，導(dǎo)流不充分。冷卻效果最好的是B、N尺寸組合。此時(shí)頂部倒流系統(tǒng)氣孔直徑和間隙取值合理，氣流從前至后分布更均勻，底部倒流系統(tǒng)截面積大，導(dǎo)流更充分。

圖10 導(dǎo)流系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對冷卻效果的影響Fig.10 Effect of key parameters of guide system on cooling effect

4 結(jié)語

文中設(shè)計(jì)了一冷藏車?yán)滹L(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)，在車廂頂部采用氣孔板導(dǎo)流，車廂底部采用通風(fēng)槽導(dǎo)流，貨物間設(shè)置回風(fēng)道。建立了該冷藏車工作時(shí)的熱流場模型。分析了導(dǎo)流系統(tǒng)對該冷藏車?yán)鋮s效果的影響。發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的冷風(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)可提高冷藏車制冷過程中貨物溫度分布的均勻性，合理的冷風(fēng)導(dǎo)流系統(tǒng)尺寸可提高冷卻效果。貨物堆放時(shí)留置回風(fēng)道可有效降低貨物溫度，回風(fēng)道寬度150 mm 左右為宜。車廂底部通風(fēng)槽可有效將冷風(fēng)導(dǎo)流入車廂底部，降低車廂底部貨物溫度。