船舶冷藏集装箱舱室内通风方式的数值模拟及实验研究

阚安康 王宁 毛赏 杨帆 曹丹

摘要：为研究风冷式冷藏集装箱在远洋运输中的船舶舱室内的通风散热问题，以舱室内的通风散热系统为研究对象，采用ANSYS-CFD软件，模拟在送风和排风两种不同通风方式下舱室内的温度分布状况，并与实验结果对比。模拟结果与实验结果具有良好的一致性。最佳通风方式被推荐，为集装船舱室通风设计提供参考。

关键词：风冷式冷藏集装箱; 船舶舱室; 通风方式; 优化设计

中图分类号：U169.42

文献标志码：A

Abstract：In order to study the ventilation and heat dissipation of air-cooled reefer container cabins during ocean-going transportation， the ventilation and heat dissipation system of cabins is studied by ANSYS-CFD. The temperature distribution in a cabin is simulated under two different ventilation modes that are air supply and air exhaust， and the results are compared with the experimental results. The simulation results are in good agreement with the experimental results. The best ventilation mode is recommended， and the results provide a reference for ventilation design of container cabins.

Key words：air-cooled reefer container; ship cabin; ventilation mode; optimization design

收稿日期：2018-08-08

修回日期：2018-09-25

基金項目：上海市自然科学基金（15ZR1419900）

作者简介：

阚安康（1981—），男，山东济宁人，高级工程师，博士后，研究方向为多孔介质传热传质、低温与制冷技术等，（E-mail）ankang0537@126.com

0 引 言

集装箱运输船上装载冷藏集装箱，一般是直接将集装箱堆砌成箱堆放置在甲板上，但由于甲板上各种机械设备占据了一定空间，甲板上能放置的冷藏集装箱量有限。随着国际海运贸易量的增加，集装箱船队的运输规模也不断扩大。为提高集装箱船的空间利用效率，降低船队整体运输成本，必须增加船舶的集装箱装载数量，在甲板装载冷藏集装箱的同时也要充分利用舱室内部空间，因此将集装箱装入舱室内部势在必行[1]。

对于集装箱进舱后舱室内的通风散热问题，孔丁峰等[2]、李曼[3]、刘亚姣等[4]利用CFD软件模拟了不同通风形式下的舱室内部温度分布状况，得出送风形式优于排风形式的结论;蔡建国[5]利用变频风机对舱室内通风系统进行改造，为舱室通风系统的节能改造提供了参考。陈旭[6]通过搭建1∶1的单个集装箱模型，研究了送风量和集装箱冷凝器散热量对舱室内温度场和流场的影响。刘静[7]搭建了缩小比例的舱室相似模型进行实验，并与基于AIRPARK软件的模拟结果进行对比分析，研究不同通风形式的优缺点并提出改进意见，为集装箱进舱后舱室通风设计提供了参考价值。

以上研究多偏向于基于相似理论的模型实验而缺乏与三维仿真软件的模拟对比分析，因此本文重点研究装载风冷式冷藏集装箱的舱室内的通风散热系统，主要运用ANSYS-CFD软件模拟机械送风和机械排风两种通风工况的流场和温度场，并与实验结果进行对比，

以达到优化舱室内通风效果的目的，为集装箱船舱室通风设计优化提供参考。

1 舱室通风模型

1.1 物理模型

本文研究的舱室几何尺寸为：长14.4 m，宽23.2 m，高16.85 m。舱内最多可以放6层高为2.6 m的冷藏集装箱。受舱室内部空间大小和现有导架位置的限制，下面5层共能布置43个40英尺（1英尺=0.304 8 m）冷藏集装箱，第6层共能布置9个20英尺集装箱。共有9根通风管道，通风管道设置在舱室端部，每根通风管道单独配置1台轴流风机，每根管道上有4～5个送风口，风口总数为43个。在船舱的两侧和后侧共有20个排风口。舱室某列集装箱堆通风示意图见图1，舱室集装箱堆砌方式见图2。

1.2 数值模型假设

为方便计算，对数值模型作出以下简化假设：

（1）舱室内空气为不可压缩流体，空气热值不随温度变化而变化;（2）舱室内空气满足Boussinesq假设，即舱室内空气的物性参数都为定值，仅考虑密度变化对浮升力的影响，只计算密度在动量方程中与体积有关的项;（3）集装箱为稳定内热源，在研究送风速度、风量对舱室内温度分布的影响时，不考虑集装箱与舱室壁面间的热辐射;（4）舱室内传热过程为稳态传热，忽略时间对微分方程的影响。

根据上述假设，因气体在集装箱内部为复杂湍流运动，本文采用标准k-ε紊流模型进行求解。标准k-ε紊流模型在工业实例中普遍应用，其计算收敛性较高，精确性符合工程要求[8]。考虑分子黏性对箱壁附近区域的影响，采用壁面函数法进行处理[9]。计算方法采用比较成熟的SIMPLE算法，对集装箱机组运行过程中箱内温度变化进行仿真计算，计算公式为有限体积法控制方程中的质量、动量和能量守恒等方程[10]。质量守恒方程为

式中：μ为动力黏度，N·s/m2;u、v和w分别是速度矢量在x、y、z上的分量;

p为压力;g为重力加速度;

cP是比热容，J/（kg·K）;T为温度，K;K为流体的传热系数，W/（m2·K）;ρ为密度，kg/m3，不随时间的变化而变化。上述方程是以空气为研究对象，以空气传热过程吸收的热量进行数值模拟的。

1.3 数值模型边界条件设定

入口边界条件。本文求解的对象是舱室内的温度分布，机械送风情况下送风口边界条件设定为速度进口边界条件velocity-inlet，机械排风情况下设定入口边界条件为pressure-inlet。送风速度为变量，变化范围为2～10 m/s。

出口边界条件。在流场求解前流场出口处的速度与压强未知，故机械送风、自然排风情况下出口边界条件应选用outflow[11]，机械排风、自然进风情况下出口边界条件应选用pressure-outlet。送、回风口温度采用安捷伦设备采集仪进行采集，每3 min采集1组送风温度数据。

壁面边界条件。针对黏性流动，内壁面采用无滑移边界条件，因此有u=v=w=0。当舱室内外热平衡时，舱室环境将达到稳定状态。

热源边界条件。将冷藏集装箱看作恒定内热源，每台制冷机组的功率为6 kW。根据冷藏集装箱壁面材料的物理属性，取换热系数为0.3 W/（m2·K）。

将划分好的网格文件代入FLUENT 14.5进行计算，求解方法采用有限容积法，温度、压力和标准k-ε方程对流项均选用二阶迎风离散格式。添加浮升力的影响，考虑重力加速度g=9.81 m/s2，采用adaptive自动调节时间步长，当方程求解精度达到设定要求时计算完成[12]。在计算中，先采用较疏的网格，再不断进行细化。计算流场划分的最小间距为805 mm×565 mm×916 mm。舱室模拟计算的整个流场内最终网格数为389 666，节点数为402 968。

2 实验与数值模拟对比分析

设定送风温度为31 ℃，测定机械送风、自然排风和机械排风、自然进风两种不同通风方式下舱室后端、顶端、缝隙处的温度，集装箱进、出风口温度等的变化状况。

2.1 送风工况分析

2.1.1 舱室后端温度

舱室后端布置4排测点，序号为21～40，将各列测点温度分布整理成拟合曲线，见图3。

由图3可以看出，各排测点温度变化呈现一定规律。随着测点高度的增加，测点温度不断升高，测点温度随高度增加变化趋势符合二次函数变化规律。

舱室后端的最高温度为35.92 ℃，比舱室前端温度和舱室缝隙处温度都低。由此可知集装箱冷凝器大部分散热量通过左、右两侧的排风口排出，只有少量热量通过集装箱堆间缝隙和舱室顶端的空间流动到舱室后面，故舱室后端温度相对较低。

由于数值模拟结果忽略了各种外界因素的干扰，故舱室前、后端温度分布较均匀，在与舱底垂直的方向上温度梯度变化不明显。由图4可以看出，舱室前端温度明显低于后端的温度，温度分布规律与实验相符，验证了数值模型的合理性。

2.1.2 舱室顶端温度

在舱室顶端布置9个测点测量温度，测点序號为41～49，测点温度分布折线图见图5。

从图5可以看出：3个测点序列温度变化趋势一致，测点距离集装箱冷凝器越远，所测温度越低。温度随高度方向变化范围较小，最大温差不超过1 ℃。

舱室顶端平均温度为34.85 ℃，低于舱室前端和集装箱堆间缝隙处的温度，这是因为舱室顶部的空间较大，冷凝器产生的高温空气部分被排走，部分通过缝隙上升至舱室顶部，被舱室内流动的的常温空气稀释，所以温度下降。

舱室顶端温度数值模拟结果见图6。由图6可以看出，舱室顶端温度分布相对均匀，端面内不同位置温度相差不大，平均温度与集装箱堆间缝隙处温度相近，与实验测量数据分布规律一致。

2.1.3 舱室缝隙处温度

舱室缝隙指舱室前端、后端、集装箱各壁面之间及各列集装箱堆之间的缝隙。在各缝隙处布置多个测点，集中研究最左、最右两侧集装箱与舱室壁面之间的空隙（见图7中测点序列2、3）和集装箱堆正中间位置缝隙处的温度分布（见图7中测点序列1）。

经计算得出集装箱与舱室壁面之间空隙处的平均温度为37.21 ℃，集装箱堆之间的缝隙处平均温度为37.61 ℃，舱室其余各缝隙处温度差异较大。

将实验测量的数据整理成拟合曲线图以供直观分析。从图7可以看出：集装箱与舱室壁面之间温度变化较大，最大温差为3.81 ℃;集装箱堆之间空隙处温度变化较小，最大温差为1.96 ℃。这说明受空间位置影响，集装箱堆间容易形成空气流通死角，该部位局部散热较慢。

各空隙处温度分布呈现一定规律，随着高度的增加温度逐渐升高，这与单个集装箱散热实验结果相吻合。

舱室缝隙处平均温度为37.48 ℃，而舱室排风口处平均温度为36.82 ℃，说明舱室内还有大量热量未被有效排出，舱室内通风换热效果有待改进，需要对舱室缝隙处和舱室顶部等局部位置进行散热强化处理。

取舱室左、右两侧舱壁和集装箱堆之间的缝隙处截面建立温度云图。由图8可以看出：左、右两侧舱壁温度相近，3个截面中集装箱堆间缝隙处温度最高;各截面处的温度随高度的增加而逐渐升高。数值模拟结果与实验结果相符合，验证了数值模型的合理性。

2.1.4 集装箱进、出风口处的温度

舱室内集装箱共堆砌5层，将集装箱从下向上依次编号为1、2、3、4、5，测量前两排集装箱端面进、出风口处的温度，研究集装箱进、出风口处的温度随集装箱层数变化的情况。

由表1中的数据计算得出，集装箱进风口处的平均温度为36.04 ℃，出风口处的平均温度为41.53 ℃。与舱室送风温度31℃相比，集装箱进风口处的温度上升了5.04 ℃。这说明集装箱进风口处的空气不仅包含送风口处吹出的室外冷风，还包含从集装箱冷凝器周围流动过来的热空气。

从图9可以看出，随着集装箱层数的增加，集装箱进风口处温度和出风口处温度都随着高度的增加而升高。两排集装箱温度曲线重合度较高，说明各排集装箱堆进、出风口处温度相差不大。由于集装箱模型内加热器功率相同且各送风口处送风温度相同，理论上每层集装箱出风口处的温度应该相同。实验测得集装箱第4层出风口比第1层出风口温度高2 ℃左右，这说明下层集装箱散热产生的热气流上浮，提高了上层集装箱端面附近空气的温度，从而导致上层集装箱冷凝器散热效果较差。本试验4层集装箱的温升就有2 ℃，说明当集装箱堆积层数较多时必须装配设计合理的通风系统。

2.2 排风工况分析

2.2.1 舱室后端温度分布

与送风工况测点布置相同，排风工况下舱室后端温度测量数据见表2。

从表2可以看出，舱室后端的温度在30～31℃范围内波动，非常接近室外环境温度，这是因为排风工况下，舱室内空气被风机抽走造成室内负压，外界冷空气受压从舱室两侧和舱室后部的风口进入舱室内，通过集装箱与舱室顶部间的缝隙以及集装箱堆间的缝隙进入舱室端部，舱室后部无热空气流动且有外界冷风进入，所以舱室后端温度相对较低且波动较小。

图10是舱室后端温度数值模拟结果。由图10可以看出，与实验测量数据相比，模拟结果偏大，这是因为模拟时设定舱室内壁导热系数较小，数值模型中风口位置贴近舱室顶板，风口与集装箱冷凝器端面距离较大。

2.2.2 舱室顶端温度分布

测点41～49为舱室顶端的温度测点，这些测点测得的数据见表3。从表3可以看出，舱室顶端的温度在31 ℃附近波动，与舱室后端温度接近。这是因为排风工况下集装箱冷凝器附近的热空气大部分直接被抽走，只有少量空气上升，而且舱室顶端没有热源，冷空气从风口自然进入时也经过舱室顶部。

由图11可以看出，舱室顶端温度分布相对较为均匀，顶端温度模拟结果比实验数据高1～2 ℃，但整体温度波动不大。这说明舱室顶部气流组织较为稳定，无强气流扰动。

2.2.3 集装箱堆间缝隙处温度分布

测点68～81位于集装箱堆间缝隙处，这些测点测得的数据见表4。由表4中的数据可以计算得出，集装箱堆间缝隙处平均温度为31.95 ℃，与排风口温度非常接近。由表4还可以看出，测点68、69、70处的温度低于测点71、72、73处的温度，测点75、76、77处的温度低于测点78、79、80处的温度。由此可推断，抽风工况下测点位置越高温度越低。这是因为排风工况下外界冷空气是通过舱室顶部的风口进入室内，由上层空间向下层运动，通过上层集装箱后流入舱室内部的。

由圖12可以看出，排风工况下集装箱堆间缝隙处温度比舱室顶端和舱室两端的温度高，且截面温度随高度的增加而降低，温度变化规律与实验结果相吻合。

2.2.4 集装箱排风口处温度分布

测量前两列集装箱排风口处的温度，从下向上用1、2、3、4、5依次编号。这些测点测得的数据见表5。

为便于观察分析测点温度变化规律，将表格数据拟合成曲线，见图13。由图13可以看出，集装箱排风口处温度随集装箱层数增加呈上升趋势。因为风管抽风口与集装箱排风口间有一定的距离，所以从抽风口抽取的空气只有一部分是冷凝器附近的热空气，还有一部分是舱内流动的气体。集装箱冷凝器散出的热量并未完全被排出，部分热空气受浮力作用上升至高处，导致上层温度升高，但由于排风工况下室外冷空气是从舱室顶端风口进入然后流向下层集装箱的，最高层（第5层）集装箱的排风口处温度反而比第4层处的低。各层集装箱测点最高温度为42.35 ℃。

3 结 论

本文研究装载风冷式冷藏集装箱的舱室内通风散热系统，主要运用ANSYS-CFD模拟机械送风和机械排风两种通风工况下的流场和温度场，并与实验结果进行对比论证以达到优化舱室内通风效果的目的，研究结论如下：

（1）排风工况下的舱室平均温度比送风工况下的平均温度低，但排风工况下舱室内部最大温差比送风工况下的高。

（2）送风工况和排风工况下的温度分布规律有较大差异，送风工况下最高温度出现在顶层集装箱冷凝器端面处，排风工况下集装箱堆第4层温度最高，顶层的温度次高。

（3）排风工况下排风口与集装箱冷凝器端面距离较近，冷凝器附近的热空气未经扩散便被直接抽走，所以舱室内热空气分布较为集中，舱室平均温度较低。而送风工况下冷凝器附近的热空气在舱内大幅度扩散，使得舱室内平均温度较高。相同时间内排风工况下排出的热量更多，即排风工况下散热效率更高。

（4）排风工况下舱室内温度分布均匀性较差，冷凝器端面附近局部温度过高，直接影响冷凝器的散热效率，进而影响集装箱内部货物的存储品质。因此，考虑到集装箱的散热效果和气流分布的均匀性，采取送风方式散热效果更佳。

参考文献：

[1]郭志鹏， 阚安康， 孟闯， 等. 冷藏集装箱内温度场的数值模拟与实验[J]. 上海海事大学学报， 2017， 38（2）：82-87. DOI：10.13340/j.jsmu.2017.02.016.

[2]孔丁峰， 柳建华， 郑光平， 等. 船舶舱室通风系统气流组织的数值模拟研究[J]. 中国航海， 2009， 32（1）：38-42.

[3]李曼. 冷藏集装箱内部流场及送风形式的研究[D]. 天津：天津商业大学， 2015.

[4]刘亚姣， 杨小凤， 庄春龙， 等. 机械式冷藏集装箱内温湿度场的数值模拟及其试验研究[J]. 保鲜与加工， 2016， 16（1）：81-86. DOI：10.3969/j.issn.1009-6221.2016.01.017.

[5]蔡建国. 冷藏集装箱在船舱装载情况下的散热优化研究[D]. 上海：上海海事大学， 2006.

[6]陈旭. 冷藏集装箱船舱内通风模型试验研究[D]. 上海：上海交通大学， 2008.

[7]刘静. 装载冷藏集装箱的货舱通风研究[D]. 上海：上海交通大学， 2008.

[8]李鹏飞， 徐敏义， 王飞飞. 精通CFD工程仿真与案例实战[M]. 北京：人民邮电出版社， 2011：120-127.

[9]韩占忠， 王敏， 兰小平. FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M]. 2版. 北京：北京理工大学出版社， 2010：2-61.

[10]朱红钧， 林元华， 谢龙汉. FLUENT流体分析及仿真实用教程[M]. 北京：人民邮电出版社， 2010：20-113.

[11]田津津， 王飒飒， 张哲， 等. 冷藏集装箱内部流场的动态数值模拟与验证[J]. 食品与机械， 2016， 32（4）：136-142. DOI：10.13652/j.issn.1003-5788.2016.04.033.

[12]于学兴. 船舶机舱的自然通风[D]. 大连：大连海事大学， 2004.

（编辑 贾裙平）