基于CFD的冷链运输车辆车厢微环境动态模拟研究

发布时间：2020-04-25 02:37

【摘要】：在食用农产品冷链物流中，车厢内部空气流动类型，货物去堆栈方式，制冷风机速度等直接影响到车厢内部以及货物区的平均温度分布情况，，温度过高或过低都会对运输产品产生损害，过高会增大食品呼吸作用、加快微生物繁殖等危害现象，过低会对食品产生直接的冷害，因此，温度场的均匀分布成为保障货物质量、货架期以及整体运输经济效益的关键。然而，在满足冷藏运输食品所需低温环境的同时，减少不必要的能量消耗，降低整体运输成本，既是现今供应商所追求的目标,也对节能减排起到重要作用。计算流体力学是通过求解偏微分方程组，从定性和定量上分析流动过程中的耦合输运现象（气流、热量和质量传递）。随着计算流体力学数值模拟技术的不断成熟，精确性和可靠性的不断提高，近年来在食用农产品冷链物流中得到广泛的应用，对提高冷藏类食用农产品运输所需低温环境的温度均匀性、确定货物堆栈方式、合理控制制冷时间，以及对提高整体冷链物流经济效益都具有重要意义。本文主要的研究内容分为以下3部分：（1）以目前短距离运输车为研究对象，利用计算流体力学（computational fluiddynamics，CFD）三维非稳态SST-湍流模型和FLUENT流体模拟软件，以土豆为试验货物区冷藏运输食品，模拟不同货物堆栈方式、不同制冷风机速度下车厢内部微环境温度场分布情况，在特定边界条件下，交替改变出风口风速和货物堆栈方式，通过对比分析，确定最佳出风口风速和货物堆栈方式,。结果表明当风速为5m/s，堆栈方式为中间及两侧留空时冷藏车厢体内温度场分布均匀性最佳。经试验验证，模拟结果与实测结果基本吻合，温度平均绝对误差不高于1℃。（2）在合理控制货物堆栈方式、制冷风机速度的同时，维持货物所需低温环境的前提下，通过减少不必要的冷却时间，可直接减少冷藏车不必要的能量消耗。该文依据冷藏车制冷机组功率和货物最佳冷藏温度范围，模拟2种不同制冷温度（0和3℃），不同冷却时间车厢内的温度场分布情况。结果表明在组合方式为制冷温度3℃，制冷时间和关闭制冷风机阶段都为10min时比制冷温度为0℃，制冷时间15min和关闭制冷风机为20min时要节约3.6×105J能耗。（3）为充分利用模拟结果数据，使得对车厢内部点位置温度进行查询，快速了解内部温度场分布情况以及直观的得到某点位置温度值，以致开发车厢微环境立体监测系统成为必要。通过SQLserver2000管理和存储数据，以Microsoft VisualStudio2005+MATLAB R2009a为开发工具，在Windows环境下开发、编译和调试，开发基于CFD的车厢微环境立体监测系统，将模拟结果直观的展示给用户，使得用户可以方便、快捷的对结果进行查询、分析、验证。本系统以生成图表的形式对模拟结果进行分析和对比验证，存储用户提交的操作过程中所遇到的突发性错误，以便改进、提高、完善系统稳定性。本文以目前主流短距离冷藏车为研究对象，模拟车厢内部微环境温度场的变化以及分布情况，确定有利于减少货物区内部温差的堆栈方式和有利于车厢内部温度均匀分布的制风机速度，并结合冷藏车制冷机组功率和货物最佳冷藏温度范围，提出更有利于减少不必要能耗的制冷温度和制冷时间节能方式组合，试验结果与测试值基本吻合，体现了试验过程的合理性和试验结果的准确性。结合模拟结果数据，开发车厢微环境立体监测系统，使更直观、快捷的对车厢内部温度查询和分析。本文揭示了不同边界条件下以及不同制冷时间下车厢内部的温度场空间分布情况，并对未来CFD应用在冷链物流上的发展趋势进行了展望，该研究为降低冷藏运输车厢内部温差，减少能量浪费，降低运输成本，以及为实现车厢内部温度自动化、智能化控制提供了可靠的理论支持和参考，以期最终实现农产品冷链物流节能、环保、智能、降耗高效发展。
【图文】：

湿度分布,冷藏库,纵截面

式和堆栈尺寸下，货物之间的水平和垂直空隙对整，模拟结果与实测值的平均温差为 1.4±0.98℃。研究时间随堆栈宽高比的增大而降低，然而体积和高度显的影响，当货物之间的水平空隙超过 0.05m 以后时间都没有明显变化，反而降低了冷藏库内部容量。果蔬在长期的冷藏存储中，室内湿度对果蔬的水分响，用蒸汽或雾化水滴加湿冷气是常用的保持内部湿快微生物损坏，降低果蔬质量安全[44]。Delele[15]等以室（如图 1-1）为研究对象，随时控制加湿系统打开质，模拟室内速度、温度、湿度分布情况，以及水滴库内部湿度在一定范围提供有效的操作参数，使内部沉积。结果表明在-1℃、相对湿度 93.8%存储环境下5min 连续交替执行，可使室内相对湿度提高 2.5%，力、喷头的位置与方向对喷洒水在货物和壁面上的

环境条件,相对湿度,模拟结果,风幕

上海海洋大学硕士学位论文Ge[33]利用 CFD 模拟多层冷藏展示柜内部、食物以及周围环境的温度分布情况，在环境条件为 25℃，相对湿度为 50%时的模拟结果如图 1 所示。从图 2-1a 可以看出，风幕形成有效的热交换屏障，阻碍冷藏柜内部与外界环境发生热交换，由于风幕自身与外界环境的热交换，以致冷藏柜内靠近风幕一侧的温度偏高。从图 2-1b 可以看出，外界空气的流入和内部空气的流出是影响冷藏柜内部温度主要因素，外界空气流入重要发生在风幕上部区域，流出发生在下部区域。Moureh[23]利用与真实比例为 1:3.3 的试验模型，模拟有无通气管道情况下冷藏车内温度均匀性分布特点，模拟结果如图 2 所示。从图 2-2a 可以看出，无通气管道时尾部温度相对较高，前后温差较大，有通气管道时（图 2-2b）车厢内温度分布相对更均匀，平均温差从 12K 降低到 8K。（a）空气和产品温度分布云图（b）空气流动矢量图
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U469.66

【参考文献】