摘"要：為深入研究不同因素對(duì)冷藏集裝箱溫度場的影響狀況，以20ft冷藏集裝箱為研究對(duì)象，通過CFD建立K-ε模型對(duì)箱內(nèi)溫度場的動(dòng)態(tài)分布情況進(jìn)行仿真模擬，研究太陽輻射和不同送風(fēng)速度對(duì)集裝箱內(nèi)部溫度流場的影響。結(jié)果表明：太陽輻射會(huì)影響冷藏集裝箱的溫度分布均勻性；冷藏集裝箱的降溫速度會(huì)隨著送風(fēng)速度的增大而加快，但是風(fēng)速過大會(huì)形成局部湍流，不利于箱內(nèi)整體溫度的穩(wěn)定；高溫區(qū)域主要出現(xiàn)在箱體前部的頂角和底角處，且頂角的降溫速度快于底角；在集裝箱制冷前期，由于太陽輻射和壁面?zhèn)鳠?，集裝箱溫度會(huì)略微上升。"關(guān)鍵詞：太陽輻射；送風(fēng)速度；冷藏集裝箱；溫度場；仿真模擬0"引"言"隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)生鮮農(nóng)產(chǎn)品的需求日益提高，根據(jù)中國統(tǒng)計(jì)年鑒[1]顯示，我國農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量逐漸增大，2017—2022年我國農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量日益增高，這也刺激了冷鏈?zhǔn)袌龅倪M(jìn)一步發(fā)展。截至2021年，我國冷鏈物流總額超過8萬億元。但是，就目前幾種運(yùn)輸方式而言，只有公路冷鏈運(yùn)輸?shù)玫搅擞行Ю煤涂焖侔l(fā)展，而從貨物的運(yùn)量、運(yùn)距以及運(yùn)價(jià)來看，鐵路冷鏈物流更具有競爭優(yōu)勢和發(fā)展前景，但其在冷鏈運(yùn)輸結(jié)構(gòu)市場規(guī)模中仍然占比是最少的，沒有發(fā)揮出鐵路冷鏈物流自身的優(yōu)勢。此外，就地域分布而言，冷鏈企業(yè)呈現(xiàn)“東多西少”分布不均的局勢，冷鏈企業(yè)主要集中在沿海地帶和一線發(fā)達(dá)城市，但承擔(dān)了全國大部分生鮮農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)交易的中西部地區(qū)冷鏈資源匱乏，發(fā)展相對(duì)滯后。因此，提高西北地區(qū)鐵路冷鏈物流運(yùn)輸量至關(guān)重要，即研究如何提高鐵路冷鏈占比最大的冷藏集裝箱的市場運(yùn)輸量[2]。"鑒于問題的重大意義，何遠(yuǎn)新等[3-4]分析了40ft冷藏集裝箱不同風(fēng)道長度條件下車內(nèi)的溫度場和氣流場；賈發(fā)銅等[5]綜述了貨物堆碼、送風(fēng)速度、送回風(fēng)形式、風(fēng)機(jī)位置等因素對(duì)冷藏集裝箱溫度分布的影響；闞安康等[6]結(jié)合模擬仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證研究了船舶冷藏集裝箱艙室內(nèi)的通風(fēng)方式；于永順等[7]基于CFD模擬了差壓式送風(fēng)方式下冷庫內(nèi)流場分布的特征；Casteleinetal.[8]全面概述了冷藏集裝箱行業(yè)，以及冷藏集裝箱最重要的特征和未來趨勢，并對(duì)冷藏集裝箱和集裝箱物流兩方面的學(xué)術(shù)研究進(jìn)行了系統(tǒng)綜述；方文康等[9]基于Fluent軟件，模擬仿真了保溫包裝箱溫度場的多溫區(qū)；郭志鵬等[10]結(jié)合模擬仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證研究了冷藏集裝箱內(nèi)溫度場的變化規(guī)律；柴琳等[11]研究了不同預(yù)冷風(fēng)速下蒜薹多孔介質(zhì)孔隙率的變化；劉恩海等[12]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同蔬菜的真空預(yù)冷效果，并研究了鮮切生姜的預(yù)冷保鮮；王威等[13]以機(jī)械式冷藏集裝箱和番茄為研究對(duì)象，模擬研究了不同送風(fēng)速度下冷藏集裝箱內(nèi)果蔬水分耗散的分布規(guī)律；李鋒等[14]采用熱平衡法對(duì)比分析了三種不同工況下箱體的傳熱系數(shù)和漏熱率，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)工況下測得的傳熱系數(shù)和漏熱率較為穩(wěn)定，而非穩(wěn)態(tài)工況下對(duì)集裝箱熱工性能的測試也具有一定的準(zhǔn)確性。"總之，目前國內(nèi)外學(xué)者就冷藏集裝箱的仿真實(shí)驗(yàn)做了大量工作，但是，目前的研究僅僅局限于沿海地區(qū)的航海運(yùn)輸，這方面的研究成果較多，對(duì)于西北特殊環(huán)境太陽輻射下的冷藏集裝箱溫度場分布還未有過相關(guān)研究，而且目前針對(duì)風(fēng)速的研究僅僅是風(fēng)速越大，溫度場的均勻性越穩(wěn)定，但引起的易腐貨物干耗越快、額外能耗越大、貨損率較高，沒有研究出一個(gè)較為合理科學(xué)的送風(fēng)速度，該問題還未得到有效解決。本文選取蘭州作為研究地點(diǎn)，以20ft國際標(biāo)準(zhǔn)鋼質(zhì)冷藏集裝箱為研究對(duì)象，運(yùn)用Fluent軟件建立物理模型并進(jìn)行算法求解，研究西北地區(qū)太陽輻射下出風(fēng)道的不同風(fēng)速對(duì)冷藏集裝箱溫度場的影響，進(jìn)而設(shè)計(jì)優(yōu)化冷藏集裝箱。1"物理模型以20ft國際標(biāo)準(zhǔn)鋼質(zhì)冷藏集裝箱為研究對(duì)象，箱體外部尺寸（長×寬×高）為6058mm×2438mm×2591mm；箱體內(nèi)部尺寸（長×寬×高）為5468mm×2294mm×2273mm。箱體頂板和側(cè)板均采用MGSS不銹鋼，金屬鋁作為箱體底板，聚氨酯作為保溫隔熱材料，其中MGSS不銹鋼厚度為15mm，金屬底板厚度為20mm，中間夾著聚氨酯保溫隔熱材料，頂板內(nèi)聚氨酯厚度為100mm，側(cè)板和底板內(nèi)聚氨酯厚度為60mm。箱體送風(fēng)方式為下送上回，送風(fēng)口尺寸為1500mm×400mm；回風(fēng)口尺寸為1200mm×300mm；箱體總?cè)莘e為28.4m3。各材料的物理參數(shù)如表1所示。通過SCDM進(jìn)行三維建模，將冷藏集裝箱可簡化為一個(gè)正方體，簡化后的冷藏集裝箱物理模型見圖1，其中圖1（a）為送風(fēng)口和回風(fēng)口的平面簡圖，圖1（b）為冷藏集裝箱整體簡圖。之后采用補(bǔ)丁適形法對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)送風(fēng)口和回風(fēng)口進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格單元數(shù)量大約為25萬個(gè)，平均單元質(zhì)量為0.837，滿足模型要求。2"數(shù)學(xué)模型為方便計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行如下假設(shè)：（1）箱內(nèi)空氣為不可壓縮流體且符合Boussinesq假設(shè)；（2）箱內(nèi)氣密性良好，不考慮漏氣的影響；（3）忽略溫度變化對(duì)箱內(nèi)空氣物性參數(shù)的影響；（4）忽略T型槽對(duì)流體的影響。"采用K-ε模型和SIMPLE算法對(duì)冷藏集裝箱內(nèi)的空氣流場進(jìn)行仿真計(jì)算，以及有限體積法中的控制方程，包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。式中：ρ為空氣密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u，v，w分別表示x、y、z三個(gè)方向的速度，m/s。3"邊界條件及求解入口邊界條件：設(shè)定速度進(jìn)口邊界條件“Velocity-let”，送風(fēng)溫度T=0℃，送風(fēng)速度分別為V=3m/s、6m/s、9m/s。"標(biāo)準(zhǔn)狀況下，當(dāng)空氣的溫度為0℃時(shí)，密度為ρ=1.293kg/m3，動(dòng)力粘度系數(shù)為η=1.75×10-5Pa·S。K-ε模型參數(shù)計(jì)算如表2所示。出口邊界條件：采用邊界條件“outflow”。"壁面邊界條件：針對(duì)集裝箱內(nèi)部流場，采用無滑移邊界條件，即u=v=w=0。重力條件：設(shè)置模型Z方向上的重力加速度為-9.81m/s2。"外界條件：冷藏集裝箱所處的外界環(huán)境溫度選用蘭州市7月份最高溫度38℃，箱內(nèi)初始流場溫度及壁面溫度設(shè)置為25℃。太陽輻射條件：蘭州市位于北緯36°，東經(jīng)103°，時(shí)區(qū)為東八區(qū)；設(shè)置太陽光線追蹤時(shí)間為2023年7月9日13點(diǎn)，太陽直射點(diǎn)為東北方向，輻射強(qiáng)度可求得為97.116W/m2。"基于查閱文獻(xiàn)的各種傳熱熱阻及前人的研究成果，冷藏集裝箱箱體壁面的傳熱系數(shù)如表3所示。4"模擬結(jié)果與分析利用Fluent對(duì)模型進(jìn)行模擬求解，時(shí)間步長設(shè)置為0.1s，最大迭代步數(shù)設(shè)置為10步，對(duì)比分析了太陽輻射和不同的送風(fēng)速度對(duì)冷藏集裝箱溫度場的影響。此外，為了便于觀察冷藏集裝箱內(nèi)部流場狀況，更深入地研究不同因素對(duì)冷藏集裝箱溫度場的影響，分別選取了集裝箱模型內(nèi)部四個(gè)截面，XY方向等距的三個(gè)截面圖和YZ方向的中心截面圖。內(nèi)部截面圖如圖2所示。4.1"太陽輻射對(duì)冷藏集裝箱溫度場的影響當(dāng)送風(fēng)口風(fēng)速為6m/s時(shí)，太陽輻射對(duì)冷藏集裝箱的影響情況分別如圖3至圖7所示。"圖3顯示了集裝箱達(dá)到最高溫度27.4℃時(shí)的溫度整體分布情況，最高溫度位于集裝箱的箱邊和箱角。圖4為冷藏集裝箱XY方向內(nèi)部截面圖的溫度分布云圖，圖5為冷藏集裝箱太陽直射面（a）與背陰面（b）的溫度分布云圖，可以看出，由于太陽輻射，太陽直射面的降溫速度明顯慢于背陰面。圖6顯示出冷藏集裝箱YZ方向中心截面的溫度變化情況，可以看出，由于回風(fēng)口的作用，空氣自送風(fēng)口送出后，首先在箱體前部形成一個(gè)漩渦，漩渦內(nèi)部降溫最快，并逐漸向回風(fēng)口靠攏，最后流向箱體后部。圖7為集裝箱制冷前、中、后期溫度場的整體分布云圖，可以看出，在制冷前期，由于回風(fēng)口的作用，箱體前中部首先開始降溫，如圖7（a）和圖7（b）所示；在制冷中期，隨著空氣向后流動(dòng)，箱體后部逐漸開始降溫，最終平均溫度低于箱體前部，如圖7（c）和圖7（d）所示；在制冷后期，箱體內(nèi)部的溫度整體降低，但是箱體前部的箱角仍處于高溫區(qū)域，并且箱體頂角的降溫速度快于箱體底角，如圖7（e）和圖7（f）所示。圖8為太陽輻射和無太陽輻射下冷藏集裝箱的溫度變化情況。由圖8可知，在制冷過程前期，由于箱體壁面溫度較高以及空氣的換熱作用，冷藏集裝箱溫度略微上升，且太陽輻射下的集裝箱溫度整體高于無太陽輻射下的集裝箱，太陽輻射下集裝箱最高溫度可達(dá)27.4℃，無太陽輻射的集裝箱最高溫度為25.5℃。隨著制冷系統(tǒng)的工作，冷藏集裝箱的溫度逐漸降低，無太陽輻射下的集裝箱首先開始降溫，并且，在降溫過程中，其集裝箱溫度整體低于太陽輻射下的集裝箱。4.2"送風(fēng)速度對(duì)冷藏集裝箱溫度場的影響"當(dāng)送風(fēng)口風(fēng)速為3m/s、6m/s、9m/s時(shí)，太陽輻射對(duì)冷藏集裝箱的影響情況如圖9所示。由圖9可知，由于空氣換熱、壁面導(dǎo)熱及太陽輻射，冷藏集裝箱的溫度逐漸上升。當(dāng)送風(fēng)口風(fēng)速為3m/s、6m/s、9m/s時(shí)，集裝箱的最高溫度分別為28.0℃、27.4℃、26.8℃，且風(fēng)速為9m/s的集裝箱首先到達(dá)最高溫度，風(fēng)速為3m/s的集裝箱最后到達(dá)最高溫度。隨著制冷系統(tǒng)的運(yùn)行，冷藏集裝箱的溫度逐漸下降，且風(fēng)速為9m/s的集裝箱首先開始降溫，風(fēng)速為3m/s的集裝箱最后降溫。在制冷后期，風(fēng)速為9m/s的集裝箱首先降溫至5℃，風(fēng)速為6m/s的集裝箱次之。并且在整個(gè)制冷過程中，風(fēng)速為9m/s的集裝箱溫度整體低于3m/s和6m/s的。此外，當(dāng)送風(fēng)速度為9m/s時(shí)，在迭代時(shí)間50～80s這個(gè)時(shí)間段，集裝箱溫度快速降低，這是因?yàn)轱L(fēng)速過大，在箱體前部造成局部湍流，導(dǎo)致箱內(nèi)溫差過大，影響溫度場的均勻性。5"結(jié)"論為確保冷藏集裝箱運(yùn)輸貨物的質(zhì)量，通過運(yùn)用Fluent軟件對(duì)集裝箱進(jìn)行模擬仿真，分析太陽輻射和送風(fēng)速度對(duì)集裝箱溫度場的影響情況，可得到以下四點(diǎn)結(jié)論：（1）太陽輻射對(duì)冷藏集裝箱溫度場的影響較大，必須加以考慮。因此，在西北地區(qū)運(yùn)輸過程中，可采用保溫效果更好的隔熱材料或適當(dāng)增加保溫層的厚度，特別是箱體的邊角區(qū)域，以降低太陽輻射對(duì)集裝箱內(nèi)部溫度場的影響。此外，外部環(huán)境溫度對(duì)冷藏集裝箱溫度場的影響還未考慮，應(yīng)在今后加以研究，分別比較太陽輻射和環(huán)境溫度對(duì)冷藏集裝箱溫度場的影響情況，哪種因素的影響占比較大。"（2）對(duì)于機(jī)械式冷藏集裝箱，采用下送上回的送風(fēng)方式，在箱體前部的邊角處容易形成局部高溫區(qū)域。因此，在鮮活易腐貨物運(yùn)輸過程中，應(yīng)著重考慮這一區(qū)域，以免影響貨物的運(yùn)輸質(zhì)量。并且，可在今后的研究中，考慮上送下回的送風(fēng)方式，也可考慮兩側(cè)送風(fēng)方式，對(duì)比哪種送風(fēng)方式對(duì)均勻箱內(nèi)溫度場更有效，提高箱內(nèi)冷藏貨物的運(yùn)輸質(zhì)量。"（3）針對(duì)送風(fēng)式冷藏集裝箱，送風(fēng)速度越大，降溫速度越快，降溫效果越好。但是，如果送風(fēng)速度過大，不僅容易造成局部湍流現(xiàn)象，影響箱內(nèi)溫度場的穩(wěn)定性，提高箱內(nèi)貨物的干耗率；而且會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本。因此，