冷藏集装箱数值模拟与分析

1、。黎茹磋戮 事灸学、： 汹秘；黪画E 嚼避孵。| j j 1 77 j 。每髫；誊缸雳奠? 雾。：繁j i 黪警鬻j 1 ? ： ：鋈参警鼍一。二“7 萝差羹 h 一_ 。v 。 i “ 。一一- 黎譬竺灌蠢鐾萎茎鏊- 。翻繁羲业= 剑垒鹫翅娄萋o 鸯 ：I 摔者蠢表! ! ：尊攀l _ ? 善，答 黎囊连鏊燮筮妻蘩完成裔瓤毒：二三二三：壁挈点堡至盟士毒气i ， 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究T 作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，0 i 包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声

2、明并表示r 谢意。 作者签名：捆垫日期：竺业 论文使用授权声明 本人同意上海盘事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段 保存论文。保密的沦文在解密后遵守此规定。 作一：监铆签襁吼堕 J 二海海事大学硕士论文冷藏集装箱数值模拟与研究 摘要 冷藏集装箱内部的空气流场和温度分布是冷藏运输和集装箱设计与应用中关注 的要点，因此本文以一台t h e r m ok i n g 冷藏集装箱为研究对象，对其流场和温度场进行 了计算模拟和实验研究。 本文采用数值模拟对冷藏集装箱内部气体流

3、动状况研究，在冷藏集装箱实体上对 内部温度分布进行了测量，以提供计算模拟所需的边界条件初值和待比较特征点温度 值。借助于计算流体力学的方法并以F L U E N T 软件为数值计算平台，作者采用k 一5 紊 流模型对冷藏集装箱内部的三维稳态空气流场进行了计算模拟，通过与测量结果和特 征点温度值的比较，验证了数值计算和数学模型的合理性，研究了货物堆积的结构形 式对集装箱内流场和温度等参数分布的影响，结果表明货物的堆放对于温度场的均匀 分布将产生很大的影响。本文的结论为进一步开展冷藏集装箱货物配载以及结构设计 研究具有一定的指导与借鉴意义。 关键词：冷藏集装箱：紊流模型：数值计算。 论文类型：应用

4、基础 上海海事大学硕士论文冷藏集装箱数值模拟与研究 A b s t r a c t T h ed is t r i b u t i o no ft h ea i rf l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l di n s i d et h e r e f r i g e r a t e dc o n t a i n e ri s t h ek e yp o i n t so fc o n t a i n e tt r a n s p o r t a t i o na n d d e s i g n ，t h e r e f o r e ，

5、t h es i m u l a t j o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h ea i rf l o w f i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l df o rt h er e f r i g e r a t e dc o n t a i n e ro fat h e r m ok i n g r e f r i g e r a t o rc o n t a i h e risin v e s t i g a t e d S i m u l a t i o nm e t h o d

6、i su s e dt ot h er e s e a r c ho fa i rf l o wf i e l da n dt e m D e r a t u r e f i e l di n s i d et h er e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r B e s i d e s ，t h ee x p e r i m e n ti sc o n d u c t e d t oo b t a i nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n si n s i d et h ef r e e z

7、 i n gc o m p a r t m e n t ， w h i c hp r o v i d e st h ei n i t i a lv a l u e sn e e d e di nn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dv a l u e s o ft y p i c a lp o i n t st ob ec o m p a r e dw i t ht h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t s W i t ht h ea i d o fc o m p u t a t i o n a F I

8、u i dD y n a m i c st e c h n i q u e t h ek 一占t u r b u l e n c em o d e li s a d o p t e dt o s i m u l a t et h et h r e e d i m e n s i o n a s t a t i ca i r f l o wa n dt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni n s i d et h ef r e e z i n gc o m p a r t m e n to nt h ep l a t f o r mo fF

9、L U N E T ，a n d t h e r e l i a b i l i t yo f n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dt h em o d e li sv e r i f i e d b y c o m p a r i n gt h es i m u l a t i n g r e s u l t sw i t h t h em e a s u r e m e n tr e s u l t so ft h e t e m p e r a t u r eo ft y p i c a lp o i n t s T h ei n f l

10、 u e n c eo ft h ec a r g op i1i n gs t y l et ot h e a i rf l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l di n s i d et h er e f r i g e r a t e dc o n t a i n e ri sa l s o b ec o n c e r n e d A st h er e s u l th a ss h o w e d ，r e a s o n a b l ec a r g op i l i n gs t y l ei s h e l p f u l

11、t ot h eb a l a n c eo ft h ea i rf l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l di n s i d et h e r e f r i g e r a t e dc o n t a i n e t T h ec o n c l U S i o n so ft h i st h e s i sh a v ee s t a b l i s h e da f o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho ft h ef l o wf i e l

12、da n d t h et e m p e r a t u r ef i e l d i nt h er e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r ，a n dw i l lb eag u i d et ot h ed i s p o s a lo ft h ec a r g o i nt h er e f r i g e r a t e dc o n t a i h e r T y p eo ft h e s i s ：p r a c t i c a lf u n d a m e n t K e yW o r d s ：R e f r i g e r a

13、t o rc o n t a i n e r ，N u m e r i c a lC a l c u l a t i o n ，T u r b u l e n tM o d e l 。 上海海事大学硕士论文 冷藏集装箱数值模拟与研究 1 1 冷藏集装箱概述 1 1 1 冷藏集装箱的特点 第一章绪论 所谓冷藏集装箱，是符合国际标准的具有隔热性能，能保持一定低温要求和特 殊货物冷藏贮运而特殊设计的集装箱。冷藏集装箱属于运输制冷装置，是冷藏链中重 要的一环节。它在国际贸易领域已经成为最重要的运输形式之一。它代表了货物运输 形式的发展趋势。集装箱是当今公认的一种经济合理的运输工具，而冷藏集装箱则是 运

14、输易腐货物的理想工具。它除了拥有普通箱的优点外，还有以下主要特点。 ( 1 ) 冷藏货物在水陆运输中，不必把冷藏货物从冷库中倒出来进行车船倒装。 ( 2 ) 适应于不同运输方式的批量灵活的运输要求。有利于保持运输条件的连续 性和稳定性。易腐货物的运输过程中需要保持合适的温度，湿度，风速等。冷藏集装 箱就象一座移动的大冰箱，具有供给这样条件的能力。这是冷箱集装箱运输的最大优 势所在 随着工业的飞速发展以及人们生活水平的提高，对冷藏集装箱的发展也提出了 更高的要求。近年来，公路，铁路，海上食品冷藏运输已经越来越多的要求各种类型 的冷藏集装箱被广泛采用。 冷藏集装箱的性能和许多方面有密切关系，如压缩

15、机效率，隔热材料，蒸发器 和冷凝器的表面积，控制系统等。除此之外，冷藏集装箱内部温度场流体组织等的分 布也与冷藏箱的效率密切相关，对此的研究将对提高冷藏集装箱的效率产生积极的影 响。 另外，冷藏集装箱内部的货物保存质量将直接依赖于箱内的空气流场和温度分 布，而食品在储藏过程中，会产生干耗效应，由于干耗效应是不可逆的，这对冷箱温 度场分布以的均匀性及稳定性都提出了较高的要求。 ， 1 1 2 冷藏集装箱的类型 冷藏集装箱有以下几种主要类型： 1 )保温集装箱具有良好的隔热性能，但自身没有制冷装置。它的主要 作用是保温。 2 )外置式的冷藏集装箱无制冷装置，隔热机构良好，端部有软管联结 器，可以与

16、船舶或者陆地上的制冷站相连，使船上或者制冷站上的冷气在集装箱内循 环，产生制冷作用。 3 )内藏式冷藏集装箱设有制冷装置，由船上或者陆地上的电网供应自 带发电机使制冷压缩机运行，向供冷装置提供冷源。 4 )液氮或干冰冷藏集装箱利用液氮或干冰直接膨胀实现制冷。 P a 2 e5 上海海事大学硕士论文冷藏集装箱数值模拟与研究 目前外置式的冷藏集装箱和内藏式的冷藏集装箱应用最为广泛。外置式冷箱是 一个能够被船舶制冷系统冷却的保温柜，冷却了的空气从前部的孔道吹进，在岸上， 这些箱子必须与一个制冷装嚣相连，大多数情况下是自行附在制冷装置上的。 内藏式冷箱相对于外置式冷箱来说。它装有自带制冷系统，内藏式冷

17、箱只要有 船舶电网、岸电装置或者卡车所提供的电源。内藏式冷箱的优势在于其灵活性，船舶 不必装有专门的冷却系统。所以当前的冷藏集装箱绝大多数采用机械内藏式冷藏集装 箱，这种冷箱更能够适应长距离运输。而其中尤其内藏式的冷藏集装箱占有以其自身 的优点，逐渐占统治地位。 内藏式冷藏集装箱风管短，各箱温度又可以任意调节( 1 8 1 2 摄氏度) ，所以 被认为是较理想的冷藏集装箱。这种集装箱由于是设有专门的制冷装置，调节部件很 多，而且每个系统均要求有进新鲜空气和疏水管系等。内藏式的冷气循环制冷机组通 常在箱的端头，冷风由一端送入箱内，近年来，新设计的内藏式的冷藏集装箱，趋于 下送上回的冷风循环。下设

18、铝合金送风轨道作为箱底离水隔栅之用。并提高了结构强 度。为了减少自身的重量，箱体外壁采用铝合金结构，内壁选用不锈钢板。 1 1 3 冷藏集装箱的结构与工作原理 冷藏集装箱的制冷，相当于一个单问或组装式冷库，所以它的制冷系统与一个 单问冷库比较相似。其特点多为风冷冷凝机组。采用直接吹风式冷却。箱内的可调节 范围比较大。冷藏集装箱的温度控制可以分为冷冻、冷却、加热等三档。冷藏集装箱 的制冷装置必须安全，可靠，在一3 0 一5 0 的环境下仍能够正常工作。另外在工况自 动转换，运行安全保护、故障预报显示方面等都有较高的要求。 本文中所研究的冷藏集装箱就是内藏式冷箱，它是一台底部供风的全电气化， 整体

19、式的制冷机组。该装置是为海陆运输的控温集装箱而专门设计的，以运输深冻， 冷冻，保鲜和加热货物。机组安装在集装箱的前壁，机组的正前方有两个叉车孔，可 以很方便的进行装卸操作。 P a g e6 上海海事大学颂士论文 冷蔽集装箱数值模拟与研究 图卜1 冷藏集装箱正面视图( 规格为2 2 8 2 2 9 c m ) 机组整个由铝合金构成，具有抗腐蚀功能。机组的蒸发器，冷凝器，压缩机， 节流阀等主要制冷部件都是在集装箱的正面前部，可以较方便的加以维护。加热器位 于集装箱内部，可以用来加热货物。 机组特性包括一个半封闭式的带有液体注射系统的往复式的压缩机，一个带有 内置数据的记录器和的微处理控制器，可变

20、速蒸发器风扇和新鲜空气交换系统。风冷 冷凝器为抽风式，空气从冷凝器下部吸入，经过冷凝器然后被风机吸出。高温高压制 冷剂由此被冷凝。 冷藏集装箱的制冷系统由压缩机，冷凝器，干燥器，节流阀，蒸发器等构成 压缩机排气经过冷藏箱的冷凝器凝后进入高燥过滤器，去除水分和杂质，再经过节流 装置。节流后的气液混合物在蒸发器中吸收热量蒸发，使冷藏集装箱内的温度达到货 物要求，从蒸发器中流出的制冷剂再进入压缩机内，完成一个循环。 P a g e7 | 二海海事大学硕：t 论文 冷藏集装衔数值模拟与研究 1 压缩机2 一排气截止阀3 一冷凝器 6 电磁阀7 一膨胀阀8 一蒸发器 4 回热器兼贮液器5 一过滤器 9

21、一吸气截，止阀1 0 - 冷却阀 图卜2 冷藏集装箱制冷系统图 冷空气从蒸发器开始，在循环风扇的驱使下，会经过货物的周围，如果冷藏箱 子内装载的是预先冷却的货物，由于货物本身不释放热量，冷空气只是环绕货物流动， 把从外界进入的热量带走。而如果装载的是水果蔬菜等货物，空气同时还要将这些货 物的自身呼吸作用产生的热量带走。 为了适应集装箱的安全运行，系统内还设有回热器，过滤干燥器，液体可视镜 等。还增加了热气旁通控制阀以及电磁阀。系统中还有高低压以及油压控制器等装置。 冷藏集装箱多采用电热融霜的方式。它由空气冷却器的微压差控制器输入控制信号， 接通电热器，使空气冷却器温度升高，霜层融化。然后通过温

22、度控制器的作用，在温 度升高到1 5 。C 时切断电源，融霜停止，制冷系统自动运行。 1 1 4 冷藏集装箱的内部热环境简述 现实中冷藏集装箱的内部热环境是由空气温度，空气湿度，热辐射和气流速度 4 个参数综合而成的，它们共同构成影响货物的周围环境，也是冷藏集装箱内部设备 产生制冷效果的基本参数。集装箱所处的环境是影响集装箱内部热环境的外部因素， 同时，制冷系统如风机等，在运转过程中所散发的热量以及冷箱内部货物所释放的热 量是构成冷藏集装箱的内部热源。也是影响冷藏集装箱的内部热环境的主要因素。而 冷箱制冷系统的主要工作，就是将这些所产生的热量通过空气强制对流，通过制冷剂 在蒸发器的蒸发，将箱子

23、内部的热量释放到大气中去，降低内部的温度以维持货物所 需要的温度。 由于冷藏集装箱在运输过程中，货物的种类，所处的气候条件等不尽相同，在 不同的条件下，冷箱温度场和空气流场偶合作用下的热环境对于货物的质量会产生重 要的影响，而其中在这四个影响冷藏集装箱的参数中，空气温度是判定箱内货物质量 l a Q c8 上海海事大学硕：论文 冷藏集装箱数值模拟与研究 以及制冷系统工作正常与否的重要依据，因此，本文主要进行冷箱内温度场的研究。 影响冷箱内部温度的因素很多，所以必须把冷藏集装箱和货物作为一个整体来进行研 究，确定冷箱内部的温度场，可以判定冷箱运输的质量。 图1 3冷藏集装箱在装载情况内部空气流动

24、示意图 1 2 目前冷藏集装箱的研究现状 目前，国内外专门对于冷藏集装箱温度场和流场的研究较少，但针对空调房间， 冰箱冷冻等温度模拟的相应研究则相对较多。由于原理相同，其研究方法完全可以应 用于对冷藏集装箱的研究与分析。对于冷藏集装箱内流场和温度场的研究主要有三种 方法：实验方法：数值模拟计算：经验公式。 ( 1 ) 实验方法：目前实验方法主要有两种方式。一种是在实际的现场进行实验， 在冷藏集装箱内选定适当数量的位置用温度计测试温度，测知各位置的温度上升特性 和大致的温度分布，应用示踪法进行流体的直接观察。另外就是应用比例模型实验， 可用丙烯树脂制成适当比例的模型。其中应用示踪法进行流体的直接

25、观察可以采用超 声波加湿器微小水滴示踪法，适当减小水滴，配合碘坞灯的窄光，能够直接观察到箱 内任意断面的流体状态。从实用角度上讲，这是最有效的实验方法以及记录方式( V T R 磁带摄影机) 。 ( 2 ) 数值模拟方法：冷藏集装箱内空气的速度场、温度场是研究冷藏集装箱室内 气流组织设计及冷藏集装箱内热环境评价的基础。以往冷藏集装箱的气流组织设计是 参照室内气流组织设计的，将送风气流看成射流，通过求解射流的经验公式来确定车 厢内各个断面的温度分布和速度分布，再视该温度分布和速度分布是否满足设计要求 再调整送风口位置、尺寸以及送风速度等。由于射流的经验公式无法考虑到冷藏集装 箱内部形状等的影响，

26、也无法考虑到排风气流对射流形成的影响，因此采用射流的经 验公式获得的经验数据结果是比较粗糙的。因此现在多采用k 一三维紊流模型，应 用有限元法计算了冷藏箱偶合传热问题，对冷藏箱内气流组织，主要是对速度场和温 度场进行了数值模拟。这种方法主要是利用计算流体力学软件对冷藏集装箱进行温度 场，流场的三维数值模拟计算，并通过模拟计算和试验的对比分析，加深对箱内的温 度场分布和流场分布的认识，为冷藏集装箱的开发提供了方法和经验。其中第一步是 P a e c9 上海海事大学硕：L 论文 冷藏集装箱数值模拟与研究 建立几何模型，即冷藏集装箱的轮廓模型( C A D 模型) 。模型应该考虑货物等内部突起 形状

27、的表达。其次是选用适当的数学模型，通常选用高雷诺数的k 一紊流模型，而 且还要考虑一系列的假设。第三步是确定模型的边界条件，主要有入口，出口边界条 件和箱体壁面( w a l1 ) 边界条件。最后是对模型划分网格进行数值计算，划分网格时 多采用贴体坐标划分计算网格，对于数值求解方法可以应用有限差分法离散控制微分 方程，应用适当算法求解离散控制方程。数值模拟计算的方法具有直观，理论性强， 可重复性强等优点，是目前研究温度场的主要方法。 ( 3 ) 经验公式方法：目前对于冷箱内温度场的研究有两种较流行的方法，即实验 测量和数值模拟。前者的结果较精确可靠，但代价太大，周期很长：后者的结果有一 定的精

28、度，代价相对较小，周期较短，不过数值计算的工作量也很大，对计算机的软 硬件都有一定的要求，编写的程序及运行时间也较长因此将这两种方法结合后，可 以得到较好的预测与检验效果。在考虑诸多影响因素后，针对冷藏箱室内温度场提出 一种更为简化的经验分析方法，得到其温度分布特性的动态经验公式。这种方法仅依 靠代数方程的演算就可获得一定精度的箱内温度分布，在软件和硬件上的要求很低， 对不同的型号或运行环境具有很强的适用性，与昂贵而又耗时的实验测量方法和编程 繁复而专用性强的数值模拟方法相比，经验公式法是一种简洁和较可靠的方法，其最 主要的特点就是简单、迅速、直观和通用由于冷箱内部设备布局的复杂性，导致冷箱

29、内部的热流状况极其复杂，而且，目前缺乏研究冷箱热环境的必要的研究工具。国内 外大多数研究工作局限于影响冷箱热环境的结构如局部冷却系统( 如散热器、冷却风 扇等，人们从整体上进行温度、流场的研究还不够细致。 1 3 数值计算方法简介 描写传热问题的方程是一组复杂的非线性的偏微分方程，除了简单的情形外， 很难获得这些篇微分方程的精确解。对于多数有实际意义的问题必须采用实验研究或 近似解法。 许多工程问题，如固体力学中的位移和应力场分析，传热学中的温度场分析， 振动特性分析，流体力学中的流场分析等都可以归结为在给定边界条件下的求解偏微 分方程的问题。这些控制方程只有在比较简单的情况下才能获得直接解析

30、解，大部分 情况下不能获得直接的解析。 在制冷领域等的空气流动研究上，传统的方法是利用流体力学的原理进行预测 和分析，或利用相似性原理进行模拟与实验，随着近年来系统的多样化和复杂化，前 一种方法不能给出令人满意的答案，而后一种方法需要大量的人力物力等，需要花费 较多的时间，有的甚至没法得到解决，这样影响了设计人员的设计方法，以致许多不 合理的现象存在。 随着计算机技术的飞速发展，湍流流动问题模型的改进和计算传热学的发展， 另一种研究方法一一数值分析法出现了，它实际上是计算流体力学( C F D C o N M P u T I O N A LF L U I I DD Y N A M I C S

31、) 应用与特定空问的空气温度，湿度与流动等物理现 象的分布情况的一种方法。数值计算与实验相比，具有以下特点。 1 成本低在大多实际应用中，计算机运算成本要比相应的实验研究的成 本低几个数量级。在进行实验的同时，求得计算机的伴随解来补充实验数据资料也很 有价值。 P a l ! e 1 0 上海海事大学硕士论文冷藏集装箱数值模拟与研究 2 速度快数值计算可以在较短的时间内研究数种不同的方案，并从中选 择出最佳的工况，相应的实验研究则需要几个月甚至更长的时间。 3 资料完备在某些特殊的领域，由于传感器引起的流场扰动，实验研究 存在着测量上的严重困难，而数值计算的能够提供整个计算区域内的有关变量(

32、如温 度，湿度，速度，压力等) 的数值。 4 具有模拟真实计算的能力不需要采用放大或者缩小的模型。 5 具有模拟理想条件的能力在研究一种基本物理现象的同时，人们希望 实现若干理想化的条件，在数值计算中，人们很容易给定这样的条件，相反，再精确 的实验安排也难以达到这样的理想化条件。 从本世纪6 0 年代末以来，传热数值解法很快成了解决实际问题的重要工具。数 值解法是一种离散近似的计算方法，它所能获得的不象分析解那样是被研究区域的未 知量的连续函数，而只是某些代表性的点的上的近似值，计算机中的一切计算都是通 过加减乘除四则运算来进行的。为了用计算机解出的节点上的近似值，首先要从给定 的微分方程或者

33、基本物理定律出发，建立起这些节点上未知量近似值之间的代数方 程。( 即离散方程) 然后对其进行求解。在传热学中应用数值计算的方法很多，大多 数方法的基本思想都可以归结为：把原来时间上空间上的连续的物理量，如速度场， 温度场等，用有限个离散点的值的集合来代替，按照一定的方程建立起关于这些值的 代数方程并求解。获得物理量的近似值。 目前传热领域中所采用的一些数值求解方法主要有，有限差分法，有限元法， 边界元法以及有限分析法。有限元法，以及有限分析法在最近几年有很大发展，并能 够成功解决一些问题，但是，就方法的成熟程度，应用的广泛程度来看，有限差分法 具有相当大的优势，特别是一些求解集合形状不十分复

34、杂的问题，这种方法已经有很 多成功的例子。因此得到较广泛的应用。近年来国内外学者采用有限差分方法进行空 腔内部换热问题的研究。这与计算机的计算速度的提高和存储空间有密切的关系。 由于有限元法程序使用方便，计算精度高，其计算结果已经成为各种工业产品 设计和性能分析的重要依据。有限元分析，计算图形学，优化技术与可靠性相结合可 形成完整的计算机辅助设计系统，从而可以显著提高设计性能，缩短研究周期。目前 的众多有限分析软件已经大量应用于工程研究中 本文就是用有限元法来进行数值模拟与解析的数值分析与实验研究之间虽然 许多传热问题难以得到分析解，但因为分析解的结果具有普遍性，各种影响因素清晰 可见。同时为

35、检验数值计算的准确性提供有效的参考。，而实验研究仍然是研究任何 问题最有效最直接的方法。任何一种传热、传质现象的基本数据都要通过实验手段获 得，并加以测定。数值计算所采用的数学模型只有通过对实验现象的观察和测定的比 较才+ 能建立。而数值计算的准确性也往往通过与实验结果的对比才能准确的确认。采 用何种数学模型，对于问题的描述是至关重要的。这是工作中的重要一个环节。假如 模型的建立不准确或者不适合问题的描述，那么即使再准确的数值计算都无法提高整 个计算的准确程度。另一方面，如果数学模型准确的建立，将会使得数值计算计算很 大的作用。总之，数值计算方法具有低成本以及能模拟较复杂工况的特点，它可以拓

36、宽实验研究的范围，减少实验的工作量。将实验研究与数值计算的方法有机结合起来 可以的到相互补充、相互验证的效果。这也是研究传热问题的理想而有效的手段。 P a 2 0 上海海掌大学颂：J 一论文 冷藏集装箱数值模拟与研究 本文研究中所采用的紊流模型是 一占双方程模型，该模型是有H a r l o w 和N a k a y a m a 在 1 9 6 7 年发展起来的。这个模型已经被广泛用来预测多种类型的紊流现象。在一系列研 究工作中，与实际情况吻合的很好。目前，许多学者在通过分析温度场模拟来研究各 种冷藏空间问题。这是目前冷藏节能研究的一个重要的发展方向。如何建立正确的湍 流模型，如何合理的进行

37、网格划分也正处在重要的发展阶段。 1 4 本文主要包括以下几个方面的工作 由于冷藏箱内的温度分布手到诸多因素的影响，要揭示其规律，一般的做法是 通过模型实验，得出经验或半经验公式，然后在这些公式的基础上进行气流组织的计 算。这样的方法不但耗时耗力，而且受到模型实验条件的限制，同时由于实验条件的 不同，得出的公式也各不相同，因此局限性很大。很难模拟出空间流动的全部特征。 近年来，计算流体力学( C F D ) 得到了快速的发展，出现了大批优秀的流体计算软 件，如F L U E N T ，P H O N E N I C S ，C F X ，S T A R - C D 等。本文就F L U E N

38、T 软件对箱内的气流组 织进行数值模拟，并与实验研究相结合，讨论冷藏集装箱内的温度场分布。 1 数值模拟计算。建立冷藏集装箱的三维计算模型，其中考虑不同的货物装载 形式确定冷藏集装箱内部的边界条件，采用k - e 标准模型，对室内温度场进行网格 划分，模拟冷藏集装箱内部的空气三维流动情况。 2 对模拟的结果、数据进行处理与分析。 3 实验部分。采用上海海事大学船舶低温储运实验室的实验平台。对冷藏集装 箱运行状态的各个参数进行采集，设置边界条件。并对数值计算模拟结果进行验证。 上海海事大学硕士论文 冷藏集装箱数值模拟与研究 第二章数学与物理模型的建立与数值解析 2 1 概述 流体的流动和传热现象

39、几乎是到处可见，在工业设备，自然环境中常发生这些 过程，在各种各样的实际场合，都能观察到这些所起的重要作用。 传热速率是由传热方式( 传导，对流和辐射) 和定解条件( 初始条件及边界条件) 决定。对于简单形状的物体和边界条件，根据描述传热过程的偏微分方程及定解条件， 可得到问题的解析解，并用之确定整个内部的温度分布和边界的传热效率。但在大多 数情况下，即使存在解，这种解的形式也是很复杂的，并且是无穷级数的形式，致使 计算值难以达到。在大多数有实际意义的情况下，由于复杂的几何形状和边界条件， 变物性或内热源随温度变化，或出现相变过程，使得描述传热过程的定解问题难以得 到解决，而只能采用近似的数值

40、方法来求解。随着计算机的发展，数值方法来求解传 热问题得到很快的发展。各种各样的传热问题必须首先变成为离散的有限的数值模 型，在数学上表示为有限差分，有限单元，有限基本解或有限分析等形式，计算传热 必须从各种传热的实际现象出发，依据传热学究总结出来的规律性，建立在物理上合 理，在数学上适应，并适合于在计算机上进行的有限数值模型。 冷藏集装箱的计算模型是一种典型的高雷诺数的湍流模型，下面本文将对这种 计算模型展开分析。 2 2 湍流流动数学模型 2 2 1 湍流模型概述 湍流会影响到其它的物理现象如浮力和可压缩性。湍流模型提供了很大的应用 范围，而不需要对特定的应用做出适当的调节，而且它涵括了其

41、它物理现象的影响， 如浮力和可压缩性。通过使用扩展壁面函数和区域模型，它可以对近壁面的精度问题 有很好的考虑。 各种热传导模式是可以被模拟的，其中包括具有或不具有其它复杂性如变化热 传导的，多孔介质的自然的、受迫的以及混合的对流。模拟相应介质的辐射模型及子 模型的设定通常可以将燃烧的复杂性考虑进来。 由H a r o w 和N a k a y a m a 二人于1 9 6 8 年提出的女一占湍流模型是到目前为止应用最 为广泛的湍流模型。主要原因在于，长时间以来人们普遍认为在靠近固壁处，除了占 外不再需要其它任何条件。并且对k - 模型的广泛研究、应用和检验，使人们对其优 点和缺陷有了充分的了解

42、，关于此模型的论文也屡见不鲜。标准k 一占两方程模型是 依据湍流动能k 和它的耗散项的输运方程而建立起来的半经验模型。k 一占方程除了 雷诺方程以外，还引入了有关湍流内部结构信息。其指导思想是，从方便地提供湍流 尺寸角度考虑将湍流能量耗散率作为除湍流脉动动能k 外待求解的第二个变量。 P a c 1 3 上海海事大学硕：j j 论文 冷藏集装箱数值模拟与研究 妄c 肚，+ 击c 础u ，= 毒n + 箦 等 + 瓯+ G 一胪一匕+ 墨 ， 啬c 问+ 丢c 瞒) = 毒( ( + 兰) 簧 + G 。丢c G + G 。G ，一G 。p 等协。一。， 其中： q 为由于平均速度梯度产生的湍流

43、动能。其计算如下 G 一腭叶云 D z f j 瓯为由浮力而产生的湍流动能，可以由下式计算而得到 G b = p g i 瓦 1 i 瓦6 T ( 2 3 ) 式中中P r 为湍流普朗特数，口为重力矢量在第i 个方向的分量。对于标准k 一模 型P r 的值为0 8 5 。热膨胀系数由下式得到 肛文现 由于本文中采用的是理想气体，所以就变为下式 G 6 = 一g ，鬲I _ t , 瓦6 p 虼为在可压缩流中波动膨胀对于全部耗散率所占的比率，可以由式( 2 7 ) 计算得到 匕= 2 p s M 2 , I a g c l 4 j ：海海事大学硕士论文冷藏集装箝数值模拟与研究 其中肘，为湍流马赫

44、数由式( 2 8 ) 计算得到 M t 式中a 为音速。 c 1 。，c 2 。和c 3 。为k 和的普朗特常数。它们的值分别如下 C l 。= 1 4 4 ，C 2 。2 1 9 2 ，C = 0 0 9 ，o - k = 1 0 ，仃。= 1 3 在F l u e n t 中C 3 。二没有指定，而是由下式计算得到： C 3 。：鼬I I I “l 其中v 是指平行于重力矢量方向的速度分量，u ) b 垂直于重力矢量方向的速度分 量。这样对于主流方向平行于重力方向的浮力剪切层其值大小为1 ，而对于主流方向 平行于重力方向的浮力剪切层其值大小为1 ，而对于垂直于重力方向的浮力剪切层它 的值则

45、为0 。 湍流粘性从可由下式计算得到 哆t ：p C u 堕 占 其中，e 为一个常数。 2 3 湍流模型的数值计算方法 就目前来看，湍流的数值模拟还远未达到成熟的地步，仍然是计算流体力学中 困难最多因而研究最为活跃的领域之一，从己有的研究成果来看，湍流的数值计算方 法大致分为直接数值模拟( D N S ，D i r e c tN u m e r i c a S i m u l a t i o n ) 、大涡流模拟( L E S ， L a r g eE d d yS i m u a t i o n ) 、R e y n o l d s ( 雷诺) 时均方程等三类。 2 3 1 直接数值模拟

46、直接数值模拟又叫完全模拟，是用非稳态的N a v i e r S t o k e s 方程对湍流进行直接 上海海事大学硕士论文 冷藏集装箱数值模拟与研究 计算的方法，这种方法具有精度高、收敛快、有准确的微商、在传播数值解时没有相 位误差等特点。如果此方法能够成功地加以应用，则所得结果的误差就仅是一般数值 计算所引起的那些误差，并且可以根据需要而加以控制。但是要对高度复杂的湍流流 动进行直接的数值模拟计算，必须采用很小的时间与空间步长。该方法对计算机的内 存和速度要求是非常高的，超过了现代计算机所能提供的可能，很少研究者能对层流 到湍流的过度转挨区域流动进行这种完全模拟探索。近十年来，随着超级计

47、算机的发 展，在这方面已取得了一些可喜的进展。 2 3 2 大涡流模拟 按照湍流的涡旋理论，湍流的脉动与混合主要是由各种不同尺度的涡流造成的， 大尺度的涡流从主流中获得能量，它们是高度的各向异性的，而且随着流动的情形而 异。大尺度的涡旋通过相互作用把能量传递给小尺度的涡流。小尺度的涡流的作用是 耗散能量，它们几乎是各向同性的，而且不同流动中的小尺度涡流有许多共性。关于 涡旋的上述认识就导致了对大尺度的涡流模拟的数值解法。这种方法的基本思想就是 应用运动微分方程来直接模拟大尺度的涡流，但不直接计算小尺度的涡流，小涡对大 涡流的影响在运动方程中表现为类似于雷诺应力一样的应力项，称之为亚格子雷诺应

48、力。它们需通过建立模型来模拟。这种方法在完全模拟的基础上忽略小涡流，对计算 机内存和速度的要求有所降低，但仍然需要相当大的容量。 2 3 3R e y n o ld s ( 雷诺) 时均方程方法 在这类方法里，将非稳态的控制方程对时间作平均，在所得到的关于时均物理 量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等未知量，于是所得的方程个数就小于未 知量的个数。而且不可能依靠进一步的时均处理而使控制方程组封闭。要使方程组封 闭，必须做出假设，即建立模型。这种模型把未知的更高阶的时间平均值表示成较低 阶的在计算中可以确定的量的函数。这是目前工程湍流计算中广泛采用的基本方法。 2 3 4 湍流流动的大涡流模

49、拟 大涡流数值模拟的基本思想是直接计算大尺度运动，而只对小尺度运动做模型 假定。所以，实现大涡流模拟的第一步是把小尺度脉动过滤掉。下面先介绍过滤方法， 然后再导出大尺度运动的控制方程和小尺度脉动的封闭方法。 2 4 高R 数的k 一占两方程模型 2 4 1 基本假设 流体力学在2 0 世纪中叶得到了飞速发展。尤其是随着航空业的发展，人们在实 验的基础上揭示了空气运动及其飞行器相互作用的一般规律，并建立了流体运动所遵 循的足够普遍和精确的纳维斯托克斯方程( N - S 方程) ，以及适用于各种不同范围 的近似方程。流体流动所遵循的规律为：质里守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定 律和热力学第一、二

50、定律。对于无源的流体流动，它的连续方程如下： 安+ 可( 矽) = o 上海海事大学硕士论文冷藏集装箱数值模拟与研究 对粘性流体而言，在描述其运动状态时，用到本构方程，即应力与变形速度之 间的关系。通常，本构方程是按, , 昭, , S t o c k s 提出的关于应力与变形速度之间关系的三个 假设得到的 假设1 ：应力与变形速度成线性关系。由牛顿内摩擦定律而知，切向应力与剪切 变形速度成比例： 岛= 如= 2 p 如2 玛22 其中为粘性系数 P，=p。=2tc=(2-12) 假设2 ：每一点的变形速度主轴均与应力主轴重合。符合这一假设的流体是各向 同性流体，应力与变形速度之间的关系与坐标

51、轴的选取无关，由此可得到： p 。一p 拶 1 。一删 P y y p z 2 O e y y s z z pz z p 。 O e z z 一】。c = 2 , u 假设3 ：流体内每一点的平均法向应力是由不直接依赖与变形速度的压强以及与 体变形速度成比例的附加应力组合而成的： p = = - p + 2 u + k 引口 p 炒= - p + 2 u 岛+ ( ，- 种 p 二= = 一p + 2 毛+ ( 一； 秒 式中：P 是第二粘性系数，0 是体变形速度。 2 4 2 控制方程 连续性和动量方程 对于所有的流动，本文都是解质量和动量守恒方程。对于包括热传导或可压性 的流动，需要解能量

52、守恒的附加方程。对于包括组分混合和反应的流动，需要解组分 守恒方程或者使用P D F 模型来解混合分数的守恒方程以及其方差。当流动是湍流时， P a g e l7 上海海事大学硕：t 论文 冷藏集装箱数值模拟与研究 还要解附加的输运方程。 质量守恒方程 质量守恒方程又称连续性方程： 、 鲁+ 毒妇扣豇 。一，。， 该方程是质量守恒方程的一般形式，它适用于可压流动和不可压流动。源项 是从分散的二级相中加入到连续相的质量( 比方说由于液滴的蒸发) ，源项也可以是 任何的自定义源项。 二维轴对称问题的连续性方程为： 詈+ 昙妇) + 昙咖) 等2 已 ( 2 一1 6 ) 昙伽小专b 一) 一毒+

53、善+ 昭，他 。：一， 其中P 是静压，o 是下面将会介绍的应力张量，P g ，和f 分别为i 方向上的重 矿M 考+ 筹 _ ；等岛。川， P a g e l 8 上海海事大学硕士论文 冷藏集装箱数值模拟与研究 釉+ 去( 删曲+ 昙( 砂忙裂去K 2 釉2V 咖 + 吾昙K 2 瓣舭 c z 卅， 以及 拶吲1c 3 秽10 r O cr 排专o r 割o q 程蚓r 榷书甸Id驴驴矿l口I j l 鹾敏v 甸+ 啊 r5 rr 其中： v 哥：塑+ 堡+ 兰 a x8 r r w 是漩涡速度 能量方程 昙+ 毒“( 厨棚= 毒卜毒一州乃_ 协。：吨， 其中k - 占是有效热传导系数( 其

54、中k 是湍流热传导系数，根据所使用的湍流模 型来定义) ，是组分j 的扩散流量。上面方程右手边的前三项分别描述了热传导、 组分扩散和粘性耗散带来的能量输运。S 包括了化学反应热以及其它用户定义的体 积热源项。 在上面的方程中： P a g e l 9 上海海事大学硕：f ：论文冷藏集装箱数值模拟与研究 E ：向一旦+ 生 D 2 其中，理想气体的显焓定义为： h =m j hj 在上面的方程中，M j7 是组分J 的质量分数，而且 h | l t = b ，d T ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 其中T 的参照数值是为2 9 8 1 5K 能量方程中的方程l 包含了不可压流动中常常忽略

55、的压力作用和动能项。因此， 在默认的情况下，分离解算器在解不可压流动时不考虑压力作用和动能项。 能量方程中的方程1 和湍流模型的能量方程中的方程1 包括了粘性耗散项，该 项所描述的是粘性剪切所产生的热能。使用分离解算器时，本文默认的能量方程不包 括它( 因为粘性热可以忽略) 。当B r i n k m a n 数B r 接近或者大于1 ，粘性热将会很重 要。其中： B ，：丝 尬丁 ( 2 2 6 ) DT 为系统温度的差分。 c 当使用耦合解算器时，所解的能量方程总会包含粘性耗散项。 包括组分扩散项能量方程一节中的方程1 和P D F 模型的能量方程一节中的方程 1 包括了由于组分扩散而导致

56、的焓的输运的影响。当使用分离解算器时，在默认情况 下，毒莩_ t 会包含在能量方程中。如果不想包括它，可以在组分模型面板中关闭 扩散能量源项的选项。 能量方程一节中的方程1 的能量源项S h 包括了由于化学反应而产生的能量源 项： I a Q e2 0 厂 上海海事大学颂：j j 论文 冷藏集装箱数值模拟与研究 。= 特如列胛R j 其中够是组分j 的生成焓，R j 是组分j 的体积生成速度。 ( 2 2 7 ) 2 5 计算区域以及微分方程的离散 2 5 1 离散方法简介 上述的各微分方程相互偶合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数值方法 进行求解。这就需要对实际问题的求解区域进行离散。数

57、值方法中常用的离散形式有： 有限体积法( F V M ) ，有限差分法( F D M ) 以及有限元法( F E W 。下面简单介绍以下这三种方 法。 1 F D M ( F i n i t eD i f f e r e n c eM e t h o d ) 即有限差分法，是利用差分替代微分方程 组的偏微分，得到响应的差分方程组，对于汽车的一些特殊几何结构，将贴体坐标转 换到正交计算网格的转换矩阵有可能不存在，有限差分格式需对计算网格加以限制， 对于外形复杂的曲面比较难以处理。 2 ，F E M ( F i n i t eE l e m e n tM e t h o d ) 即有限元法，它是由

58、试探函数方法演变而来， 以变分法或加权余量法为基础，从结构分析的矩阵法起步，其计算量较大，和F V M 的 主要差别在于求解过程不同。 3 F V M ( F i n i t eV o l u m eM e t h o d ) 即有限体积法( 或有限体积法) ，是一种介于F D M 和F E M 之间的离散方法，兼有两者的优点，在空气动力学数值模拟中得到了广泛应用。 F v M 由流动方程组的守恒，积分形式出发，导出离散方程组，方程组形式简洁，离散 较易，程序编制方便和通用性较好，空间离散单元的控制体适用于各种形状边界，贴 体积网格可提高边界附近的计算精度，对不同形状的中指体，程序结构变化不大

59、。 2 5 2 计算区域离散化 在对对流与传热问题进行数值计算时，首先要进行计算区域的离散化，即对空 间上连续的计算区域进行剖分，把它划分成许多个子区域，并确定每个区域中的节点， 这一过程又称为网格生成。 所谓区域离散化实质上就是用一组有限个离散的点来代替原来的连续空间。一 般的实旌过程是：把所计算的区域划分成许多个互不重迭的子区域，确定每个子区域 中的节点位置及该节点所代表的控制容积。区域离散化过程结束后，可以得到以下4 种几何要素 节点一需要求解的未知物理量的几何位置。 控制容积一应用控制方程或守恒定律的最d , J L 何单 + 界面一它规定了与各节点相对应的控制容积的分界面位置。 网格线一沿坐标轴方向联结相邻两节点而形成的曲线簇。 P a g e2 上海海事大学硕士论文冷藏集装箱数值模拟与研究 在控制容积法中，我们把节点看成是控制容积的代表。控制容积与子区域并不 总是重合的。在区域离散化过程开始时，由一系列与坐标轴相应的直线或曲线簇所划 分出来的小区域称为子区域。根据节点在子区域中位置的不同，可以把区 域离散化方法分为两大类：外节点法与内节点法。 外节点法 节点位于子区域的角顶上，划分子区域的曲线簇就是网格线，但子区域不是控 制容积。为了确定各节点的控制容积，需要在相邻两节点的中间位置