通风风速对气调运输车厢换气性能影响的数值模拟

2017-05-23王昱郭嘉明吕恩利陆华忠

江苏农业科学 2017年7期

王昱+郭嘉明+吕恩利+陆华忠

摘要：维持车厢内适宜的氧氣体积分数是保障果蔬运输品质的重要因素之一。为分析果蔬气调保鲜运输换气性能，以果蔬气调保鲜运输车车厢为研究对象，以荔枝作为货物，建立二维紊流数值计算模型。基于FLUENT软件，结合有孔介质模型，采用SIMPLE算法，对不同通风风速下的换气性能进行数值计算，获得了车厢内氧气体积分数变化和温度分布规律。研究结果表明，提高通风风速可以缩短换气时间，当风速达到一定值时，进一步提高通风风速对换气时间的影响减小；通风风速越大，空气平均温度递增速度越快，但温度递增减缓越早；缩短换气时间，可以减小换气对车厢内空气和货物温度的影响。经试验验证，氧气体积分数模拟值与试验值偏差不超过0.2%，试验结果与模拟结果吻合较好。该研究揭示了果蔬气调保鲜运输厢体的换气性能，对气调保鲜运输装备的设计和优化具有一定的参考价值。

关键词：气调；运输；换气；氧气体积分数

中图分类号： U492.3+36.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）07-0207-04

维持车厢内适宜的氧气体积分数是保障果蔬气调运输品质的重要因素之一[1-3]。氧气体积分数过低可能会导致果蔬进行无氧呼吸，易产生腐烂变质[4-6]。因此，在保鲜环境中氧气体积分数过低时，需通过换气将氧气体积分数升高。缩短厢体换气时间，同时提高厢内氧气体积分数分布均匀性，对气调保鲜运输装备的节能和保障运输品质有重要影响。通风风速是影响换气过程的重要因素之一，但对其影响机制尚不了解。以上问题，可以通过试验研究进行解决，但试验研究成本高、难度大，传感器精度也对试验结果有较大的影响，并且难以获得整个厢体的流场分布特性。相比于试验方法，计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）方法具有研究成本较低、研究结果直观等优点，近年来被广泛应用到冷链设备流场的研究中。

卢立新等采用RNG k-ε湍流模型研究了抽气方式和充气压力对盒式气调包装气体置换性能的影响[7]；刘琳等、Defraeye 等、陈秀勤等都对包装内部流场特性进行了研究[8-10]。Ho等结合三维和二维模型，研究了冷库内冷风机高度以及出口风速对制冷过程的影响，证明二维模型同样可以表征库内流场特性[11]；Delele等采用数值模拟方法对葡萄冷库预冷特性进行了研究，获得了包装形式、堆码方式等因素对葡萄温度变化和水分蒸发的影响规律[12]；Ambaw等对冷藏库内流场分布特性进行了研究[13]。韩佳伟等对不同节能模式对节能效果以及温度场分布的影响进行了数值分析[14]；郭嘉明等研究了不同堆码方式对冷藏厢体内温度场分布的影响[15-16]。吕恩利等对厢体的降氧过程进行了研究[17-18]，但暂未发现对气调保鲜运输厢体换气特性进行研究的相关文献。本试验以果蔬气调保鲜运输车车厢为研究对象，结合有孔介质模型，采用数值模拟方法，对车厢的换气性能进行研究。研究结果对于气调保鲜运输厢体换气性能优化具有一定的参考价值。

1物理模型

果蔬气调保鲜运输车，简称气调车，主要由汽车底盘和气调车厢组成，具有温度、湿度、气体成分调节等功能[1]。车厢材料为聚氨酯加不锈钢板。其中，车厢内气流由风机带动，循环形式为顺时针方式。本试验主要研究气调车车厢的换气性能，即车厢内氧气体积分数从3%升至5%的过程。进气阀位于厢体迎风面，由2个通径为5 cm的电磁阀组成；排气阀处于车厢后部厢门下方，离厢体底部距离为25 cm，由4个通径为5 cm的电磁阀组成。换气原理为：当车厢内氧气体积分数过低时，车厢内外存在氧气体积分数差或内外压差时，产生空气交换而实现换气。车厢总体尺寸（长×宽×高）为 400 cm×180 cm×180 cm。将气调保鲜运输车简化成二维形式，如图1所示。该模型中，车厢总体尺寸（长×高）为 400 cm×180 cm；风机区域尺寸（长×高）为10 cm×15 cm；单排货物尺寸（长×高）为80 cm×160 cm。为模拟气调车跑动时的换气过程，对模型添加远场。通过风机出口风速改变通风风速。

运用AutoCAD软件进行二维建模，设置远场尺寸（长×高）为1 500 cm×650 cm，运用ICEMCFD对模型进行网格划分，采用非结构化网格划分方法，网格类型为三角形/四边形网格。同时，将风机以及进排气阀等位置进行局部加密。本试验共涉及1个网格模型，网格数量约为230 000。网格最大单元为5.0 cm，最小尺寸为0.1 cm。网格划分情况如图2所示。

2数学模型

为方便计算，对模型进行如下假设[7-15]：（1）货物为有孔介质模型，由于换气时间较短，忽略荔枝货物呼吸作用对厢体内温度和氧气体积分数的影响；（2）厢体密封性良好，不存在漏气现象；（3）厢体内气体为不可压缩气体，符合Boussinesq假设[19]；（4）厢体内气体为牛顿流体；（5）厢体内部气体成分为H2O、O2和N2，忽略其他气体对换气性能的影响；（6）忽略蒸发器、加湿装置、回风道等设备对换气性能的影响。

本试验采用工业上广泛应用的k-ε模型、组分传输模型以及比较成熟的SIMPLE算法对果蔬气调保鲜运输车换气过程进行仿真计算。采用有限体积法中的控制方程，包括质量、动量和能量守恒等方程[20]。

2.1质量守恒方程

2.2动量守恒方程

2.3能量方程

2.4组分传递方程

3边界条件设置及求解

对厢体模型进行雷诺数求解，根据雷诺数经验公式（8）[21]求得所有模型的雷诺数Re均达到了103以上，属于高雷诺数紊流模型[22]。

式中：U为速度特征尺度，m/s；L为长度特征尺度，m；γ为运动学黏性系数。

3.1入口条件

该模型具有2个入口，分别是远场入口和风机出口。其中远场入口设置为速度入口条件，设置入口风速为45 km/h。为实现厢内空气循环，将风机入口设置为风机边界条件，入口风速分别设为2、4、6、8 m/s，通过三维至二维转换[23]，压降分别为0.13、0.36、0.80、1.41 Pa。输入紊流参数为湍流强度I和水力直径DH。I，按式（9）[21]求出。

式中：ReDH为以水力直径求出的雷诺数。

3.2出口条件

该模型具有2个出口，分别为远场出口和风机入口，远场出口设为压力出口条件，风机入口设置为风机边界条件。

3.3进、排气阀

为真实模拟进、排气阀的开启与关闭，在稳态模拟即初始化过程中将其设为壁面边界条件，在瞬态求解过程中设置为内部面。

3.4货物

假设车厢内货物为荔枝。为考虑货物对换气性能的影响，将货物设置为有孔介质，开孔率为0.3。黏性阻力系数和惯性阻力系数根据式（4）、（5）求得。因换气时间较短，忽略货物呼吸对换气过程的影响。

模型中具体物性参数如表2所示。由于车厢材料采用聚氨酯加不锈钢板材料，其物性参数按比例[24]求得。

3.5求解

先采用稳态求解器进行求解，待车厢内外流场稳定后，初始化车厢外温度为303.15 K，厢内温度为278.15 K，氧气体积分数为3%。运用瞬态求解器进行求解，添加浮升力影响因素，设置环境重力加速度为9.8 m/s2。实际换气时，若只取一位置的传感器读数作为结束标准，关闭换气阀后，厢体内氧气体积分数可能会由于传感器响应时间等因素导致超调现象，因此本试验采用厢体氧气体积分数平均值作为控制标准，即当车厢内平均氧气体积分数达到5%时，停止运算。

4模拟结果与分析

4.1通风风速对换气时间的影响

通过对模拟结果进行处理，得到了通风风速对换气时间的影响情况，结果如图3所示。

从图3可以看出，通风风速越大，换气时间越短，即增大通风风速有利于促进换气。当通风风速为2、4、6、8 m/s时，车厢内氧气体积分数从3%升至5%分别需要约260、195、140、110 s。这可能是由于当通风风速增大后，促进了车厢内空气的流动，加快了车厢内外空气的交换。同时，随着通风风速的增大，相同间隔风速之间的换气时间差异趋于减小。因此，当通风风速增大到一定值时，进一步提高通风风速对换气时间影响减小，但会提高风机的转速，从而增加换气能耗[26]。

4.2通風风速对换气过程中车厢内温度变化的影响

不同通风风速对换气过程中车厢内空气平均温度变化的影响如图4所示。

从图4可以看出，随着换气过程的进行，车厢内空气平均温度呈先快速递增后减缓的趋势。其中，通风风速越大，空气平均温度递增速度越快，但温度递增减缓越早。当通风风速为2、4、6、8 m/s，换气结束时，车厢内的空气平均温度分别从278.15 K升至约279.56、279.42、279.29、279.14 K。提高通风风速不仅促进了车厢内外空气交换，加快厢内氧气体积分数上升，同时也促进了厢内空气的热交换，缩短热交换时间。提高通风风速可以缩短换气时间，从而减小换气对车厢内空气温度的影响。

4.3通风风速对车厢内温度分布的影响

不同通风风速下，换气结束后，车厢内的温度分布情况如图5所示。

从图5可以看出，在换气过程中，车厢内温度分布呈上部和后部区域高，前部和底部区域低分布。这是由于气调运输车在运输过程中换气，厢外空气从进气阀进入车厢后，在风机的驱动下到达车厢后部，部分从车厢后部的排气阀排出，所以大部分高温空气集中在车厢上部和后部区域。同时，可以看出，由于通风风速的提高，促进空气的热交换，从而使得高温空气区域面积减小。同时，由于在通风风速较高时，空气沿车厢壁面流动速度和比例增大，促进了空气与车厢的热交换，但降低了与货物的交换。此外，缩短换气时间也可以降低换气过程对货物温度的影响。因此，从图5可以看出，当通风风速较小时，对货物的影响深度[27]较大。综上分析，提高通风风速，可以缩短换气时间，从而降低换气过程对货物温度变化的影响。

4.4试验验证

为验证模型的准确性，采用气调保鲜运输车进行了验证试验，气调车处于静止状态，车厢空载。为更加准确监测厢体内平均氧气体积分数，在厢体内后部和前部各放置1个氧气体积分数传感器（型号：EC810；量程：0～25%；精度：±1%），厢内氧气体积分数取2个传感器读数平均值。传感器具体位置如图1所示，连接数据记录仪，每隔1 min记录1次数据。试验时，室外气温为（28±1）℃，相对湿度为（70±5）%。进行液氮充注后，待厢体氧气体积分数稳定在（3±0.1）%，温度为（5±1）℃，开启进、排气阀和风机，并采用无纸记录仪记录厢内氧气体积分数传感器读数的变化。待2个传感器氧气体积分数平均值达到5%时，关闭相关调节设备。对试验数据进行处理，获得厢体内氧气体积分数随换气时间的变化情况并与模拟结果进行对比，如图6所示。

从图6可以看出，试验和模拟研究中车厢换气所需时间较吻合，皆为18 min左右，证明了模型的准确性。产生偏差的原因可能是模型简化策略和传感器精度问题导致的。基于此模型可以改变目标参数水平研究保鲜厢体换气性能，具有一定的准确性[11]。

5结论与讨论

本试验以果蔬气调保鲜运输车车厢为研究对象，通过改变通风风速，对换气性能进行模拟。对不同风速下的换气时间及换气对车厢内温度变化和分布的影响进行了分析。最后，通过试验验证了模型的准确性，得出了以下结论：（1）提高通风风速可以缩短换气时间，当风速达到一定值时，进一步提高通风风速对换气时间的影响减小；（2）换气过程中，通风风速越大，空气平均温度递增速度越快，但温度递增减缓越早；（3）缩短换气时间，可以减小换气对车厢内空气和货物温度的影响；（4）本研究将数值模拟与试验验证相结合。通过分析，同一换气时间，氧气体积分数模拟值与试验值差异不大于0.2%，模拟结果与试验结果较吻合，证明了模型的准确性，为气调保鲜运输车的换气性能优化研究提供了参考。

值得讨论的是车厢内外温差、货物堆码方式也可能会对研究结果造成一定的影响，笔者所在课题组将对其进行进一步的研究。

参考文献：

[1]吕恩利，陆华忠，罗锡文，等. 果蔬气调保鲜运输车的设计与试验[J]. 农业工程学报，2012，28（19）：9-16.

[2]杨松夏，吕恩利，陆华忠，等. 荔枝气调贮藏时间对货架期品质变化的影响[J]. 现代食品科技，2013，29（9）：2068-2074.

[3]Mahajan P V，Goswami T K. Extended storage life of litchi fruit using controlled atmosphere and low temperature[J]. Journal of Food Processing and Preservation，2004，28（5）：388-403.

[4]姜爱丽，孟宪军，胡文忠，等. 高CO2冲击处理对采后蓝莓生理代谢及品质的影响[J]. 农业工程学报，2011，27（3）：362-368.

[5]刘战丽，王相友，朱继英，等. 高氧气调对果蔬采后生理和品质影响研究进展[J]. 农业机械学报，2009，40（7）：112-118.

[6]王丹，李雪，马越，等. 包装规格对鲜切西兰花品质的影响[J]. 食品工业，2014，35（10）：128-131.

[7]卢立新，刘琳. 抽气方式与充气压力对盒式气调包装气体置换性能的影响[J]. 农业工程学报，2010，26（3）：341-345.

[8]刘琳，卢立新，王利强，等. 冲洗式气体置换的流场分析及其结构优化[J]. 包装工程，2009，30（8）：16-18.

[9]Defraeye T，Lambrecht R，Delele M A，et al. Forced-convective cooling of citrus fruit： cooling conditions and energy consumption in relation to package design[J]. Journal of Food Engineering，2014，121：118-127.

[10]陈秀勤，卢立新，王军. 包装箱内层装果品差压预冷温度场的数值模拟与验证[J]. 农业工程学报，2014，30（12）：249-257.

[11]Ho S H，Rosario L，Rahman M M. Numerical simulation of temperature and velocity in a refrigerated warehouse[J]. International Journal of Refrigeration，2010，33（5）：1015-1025.

[12]Delele M A，Ngcobo M E K，Opara U L，et al. Investigating the effects of table grape package components and stacking on airflow，heat and mass transfer using 3-D CFD modelling[J]. Food and Bioprocess Technology，2013，6（9）：2571-2585.

[13]Ambaw A，Verboven P，Delele M A，et al. CFD modelling of the 3d spatial and temporal distribution of 1-methylcyclopropene in a fruit storage container[J]. Food and Bioprocess Technology，2013，6（9）：2235-2250.

[14]韩佳伟，赵春江，杨信廷，等. 基于CFD数值模拟的冷藏车节能组合方式比较[J]. 农业工程学报，2013，29（19）：55-62.

[15]郭嘉明，吕恩利，陆华忠，等. 保鲜运输车果蔬堆码方式对温度场影响的数值模拟[J]. 农业工程学报，2012，28（13）：231-236.

[16]张哲，郭永刚，田津津，等. 冷板冷藏汽车箱体内温度场的数值模拟及试验[J]. 农业工程学报，2013，29（增刊1）：18-24.

[17]吕恩利，杨洲，陆华忠，等. 保鲜运输用液氮充注气调的温度调节性能优化[J]. 农业工程学报，2012，28（13）：237-243.

[18]Chong K L，Peng N，Yin H，et al. Food sustainability by designing

and modelling a membrane controlled atmosphere storage system[J]. Journal of Food Engineering，2013，114（3）：361-374.

[19]陶文銓. 数值传热学[M]. 2版. 西安：西安交通大学出版社，2001.

[20]Anonymous. FLUENT 6.1 user's guide[Z]. Lebanon，NH： Fluent，Inc，2003.

[21]朱红钧. FLUENT流体分析及仿真实用教程[M]. 北京：人民邮电出版社，2010.

[22]孙帮成，李明高. ANSYS FLUENT 14.0仿真分析与优化设计[M]. 北京：机械工业出版社，2014.

[23]郭嘉明，吕恩利，陆华忠，等. 盒装荔枝果实降温特性数值分析与验证[J]. 农业机械学报，2016，47（5）：218-224.

[24]冯妍卉，张欣欣，武文斐. 枝晶尺度溶质再分配对连续铸造凝固过程的影响[J]. 热科学与技术，2003，2（3）：215-220.