运血车血库气流组织与温度分布的仿真分析

段德光，李 昊，苏 琛*，王懿男，孟令帅

（1.军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，天津 300161；2.军事科学院系统工程研究院，北京 100071）

0 引言

运血车是一种在冷藏条件下由一个中心血站向另一个中心血站或用血单位集中输送冷藏血液的运载工具[1]。在反恐应急、疾病防控、突发自然灾害救援、训练演习等重大活动中，运血车发挥了至关重要的保障作用。在运输血液的过程中，血库内温度是影响血液运输后输注质量的重要因素[2]。当运血车贮运全血或悬浮红细胞时，要求血库温度必须控制在（4±2）℃，如果高于或低于此温度范围，会使血液产生色泽异常、溶血、凝块、重度乳糜等情况[3-4]，不满足GB 18469—2012《全血及成分血质量要求》的相关规定[5]，造成血液的浪费。

运血车血库的结构设计、蒸发器布局、血筐位置等共同形成了血库内的气流组织形式，直接决定了血库内的温度分布情况[6-7]。因此，运血车血库内部的气流组织与温度分布是保证运输过程中血液质量的关键因素之一。本文以研制的某型运血车[8]为例，应用计算流体动力学和传热学方法对运血车血库内的气流组织与温度分布进行仿真模拟和数值计算，为改善与优化血库内部蒸发器及血筐的布局、保障血液运输过程中的质量提供理论依据和技术指导。

1 血库结构及布局

运血车车厢为冷藏、保温厢式车结构，采用大板粘接成型工艺，在蒙皮和内部骨架间采用隔热措施，防止产生“冷热桥”。车厢中部设有隔板，分为前后两部分，分别作为前血库和后血库。前血库内部尺寸为1 100 mm×2 034 mm×1 100 mm，有效容积 2.4 m3；后血库内部尺寸为987 mm×2 034 mm×1 455 mm，有效容积2.8 m3。前、后血库均设有12个血筐，血筐尺寸为660 mm×300 mm×200 mm。制冷机2个室内机组（蒸发器）分别放置在前、后血库内顶部。前后血库内部布局如图1所示。

图1 运血车血库结构及布局

2 血库气流组织模型建立及数值分析

为建立血库内空气流动与传热学模型，对血库进行如下假设：血库内空气不可压缩，空气密度变化仅对浮升力产生影响；流动为稳态紊流；气体为低速不可压缩流动，忽略流体黏性力做功引起的耗散热；认为血库气密性良好，不考虑漏风影响。因此，血库内空气流动的控制方程可简化为下列形式[9-11]：

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

其中，ρ为流体密度，t为时间，ui为组分i的空气流速，uj为组分j的空气流速，p为压力，μ为动力黏性，fi为体积力，H为焓，K为导热系数，cp为比热容，SH为源项。

血库内的空气流动可以简化为湍流运动，因此，应用k-ε紊流方程模型[12]对血库内的空气流场与温度场进行三维数值仿真计算与分析。设定环境温度为46℃，蒸发器出风口温度为4℃，车厢壁板的传热系数为0.4 W/（m2·K）。在近壁区域考虑分子黏性的影响，计算空气与固体表面间的传热，应用壁面函数进行处理[13]。送风口处采用速度入口，已知所选制冷机组的蒸发器总送风量为760 m3/h，出风口风速为3.3 m/s。

分析数值模拟的结果时，在每个方向上分别选择血库内血筐的最外侧两端边截面和血库中截面进行分析。

3 血库气流组织和温度分布的数值模拟结果分析与讨论

3.1 血库内气流组织数值模拟结果分析与讨论

前后血库内气流组织形式的数值模拟结果如图2、3所示。由图2、3可以看出，由于将前后血库制冷机组的蒸发器分别横向放置在前后血库内顶部，血库内顶部的气流速度略高，为1.3~1.8 m/s；血库内底部的气流速度最低，为0.6~1.0 m/s。受血筐的布置影响，前后血库内的左右两侧的气流组织形式具有对称性，且血筐中间区域形成的漩涡能有效地带动其周围空气流动。前后血库内气流速度整体分布较为均匀。同时发现，在血库内蒸发器的斜对称位置，由于离蒸发器距离最远，且血库内壁与血库地板的夹角为直角，气流组织受到影响，速度已降低至0.3 m/s左右。如果在血库内增加气流搅拌风扇或将血库内壁与血库地板的夹角改进为圆弧形过渡角，会进一步提高血库内的气体流动。

3.2 血库内温度分布数值模拟结果分析与讨论

前后血库内温度均衡性仿真结果如图4、5所示。由图4、5可以看出，外界环境温度设定为46℃且蒸发器出风口温度为4℃时，当血库内温度达到平衡状态后，前后血库内除了特别靠近内壁区域的温度略高外，血筐所处区域的温度分布均匀，在X、Y、Z3个方向上无明显的温度梯度，温度偏差小于1℃，满足全血或悬浮红细胞存储标准要求。

图2 前血库气流组织仿真结果

4 结论

依据运血车血库结构及布局的设计方案，建立血库三维空气流动与传热计算的数学模型，应用计算流体动力学方法对血库内气流组织形式与温度分布均衡性进行仿真计算，对仿真结果进行分析可知：该运血车采用前后2个血库设计布局，将制冷机2个室内机组（蒸发器）分别横向放置在前、后血库内顶部，使蒸发器送风口射出的高速气流到达血库壁板后折向血库下部，经血筐底部后回到回风口。血库内气流速度分布较为均匀，平均在1 m/s左右，两血筐中间区域形成的漩涡能有效地带动血筐周围空气流动。从温度分布结果可以看出，血库温度分布均匀，血筐所在区域温度偏差小于1℃，满足全血或悬浮红细胞存储标准要求。因此，该运血车血库内部蒸发器及血筐的布局合理，能有效保证运输过程中全血或悬浮红细胞的质量。

图3 后血库气流组织仿真结果

图4 前血库温度均衡性仿真结果

图5 后血库温度均衡性仿真结果