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(chǎng)分布可提高冷藏車?yán)鋮s貨物的效果[1-4],近年,針對(duì)冷藏汽車相關(guān)設(shè)計(jì)及溫度場(chǎng)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(duì)冷藏車運(yùn)輸荷蘭芹過程中貨物堆碼位置對(duì)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(huì)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(duì)某冷板冷藏車不同冷板布置情況下的溫度場(chǎng)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(duì)運(yùn)輸過程中溫度分布的影響。李細(xì)霞等[9]針對(duì)分體式冷板冷藏車空載預(yù)冷過程進(jìn)行了溫度場(chǎng)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(duì)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(chǎng)分布,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。李錦等[11]基于動(dòng)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(duì)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(duì)降溫時(shí)間的影響。田津津等[12]針對(duì)某冷藏車進(jìn)行了內(nèi)部流場(chǎng)的動(dòng)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(chǎng)數(shù)學(xué)模型,分析了風(fēng)速對(duì)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(chǎng)分布的情況,分析了該系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)冷藏車?yán)鋮s效果的影響。
文中針對(duì)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(dòng)。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(duì)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
在進(jìn)行熱流場(chǎng)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
文中針對(duì)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(duì)流換熱,及流體流動(dòng)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(dòng)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(dòng)的速度分量,i=1,2,3表示x、y、z方向。
運(yùn)動(dòng)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(dòng)力黏性系數(shù)。
湍流流動(dòng)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(dòng)動(dòng)能方程(κ 方程):
式中:G為湍流脈動(dòng)動(dòng)能;uj為湍流黏性系數(shù);k為空氣紊流脈動(dòng)動(dòng)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。
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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)冷卻效果的影響Fig.10 Effect of key parameters of guide system on cooling effect
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(chǎng)模型。分析了導(dǎo)流系統(tǒng)對(duì)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。