借助仿真保证冷藏车的制冷效率

Caty Fairclough 2016年 9月 6日

为了避免运送物品变质,冷藏车必须保持低温。因此优化车辆的隔热材料和制冷系统是设计中的一项重要流程。为了确保制冷设备在开-关门的过程中的运行效率,法国液化空气集团(Air Liquide)联手 COMSOL 认证咨询机构 SIMTEC,使用 COMSOL Multiphysics® 软件执行了传热与 CFD 耦合仿真。

使冷藏车保持低温

为了保证食品和其他易变质的食物在运输过程中的新鲜度,冷藏车需要具备保持低温的功能。如果产品不能始终处于适当的低温环境,当环境温度超过可承受的温度范围时,食物可能会因受热而变质。如果长时间暴露在高温下,问题会更加严重。

一辆冷藏车图片。
冷藏车。

维持货车正常制冷听上去很简单,但是人们必须顾及若干重要因素:其一,为了保持适当的温度,必须优化制冷系统的设计;其二,为维持理想温度,货车的墙壁必须具备充分的隔热性,也就是说要挑选合适的材料。

在货车上装货或卸货时,冷藏车会反复经历开-关门的循环,这就增加了上述因素的复杂性。但是,为了使车辆的制冷效率取得实际效果,人们必须解决开关门期间的制冷问题。

在下文中,我们将一起探讨 COMSOL 认证咨询机构 SIMTEC 如何帮助工业和医疗技术、气体以及相关服务的领导者——法国液化空气集团模拟这一过程。

设计并分析冷藏车模型

为了给高效的空气制冷系统选择最佳的隔热材料,研究人员需要全面了解运输车冷藏箱内的气动热装置。在 COMSOL Multiphysics 中耦合 CFD 和传热现象可实现上述操作,下文中的案例充分说明了这一点。

为了仿真研究,SIMTEC 团队创建了一个气动热模型,模拟一辆冷藏车在正常运行时的传热现象。他们的目标是:预测货车内部的温度分布和空气流速分布,了解打开和关闭后门会发生什么情况。

我们从研究模型几何入手。工程师们将货车的冷藏区(冷藏厢)模拟为一个带有制冷系统的平行六面体框。制冷系统由两个用于抽取空气的圆孔和一个用于将冷气吹进的矩形洞口组成。模型几何关于 yz 平面对称,所以半个模型便足以充分描述发生在整个冷藏室中的物理现象。

冷藏箱几何的示意图。
冷藏车的几何结构。图片显示了整个冷藏箱的几何结构、半个箱体的几何结构,以及通风和制冷系统的特写。图片由 Alexandre Oury、Patrick Namy 和 Mohammed Youbi Idrissi 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 格勒诺布尔站发表的展示作品

为了进行分析,研究小组调查了冷藏车运行周期的两个阶段,并采用两种计算方法预测温度和气流分布。第一阶段持续约三个小时,此时货车后门关闭,制冷系统打开。风扇和制冷机组均处于运行状态,为冷藏箱提供制冷。制冷系统中空气的初始温度为 -27°C,之后空气接触到较热的厢壁,温度逐渐升高。在这段制冷期间,工程师们将仿真部分解耦,把系统的自由度减到最少。

图片显示了冷空气在冷藏车内流动。
后门关闭时,冷空气在冷藏车内流动。图片由 Alexandre Oury、Patrick Namy 和 Mohammed Youbi Idrissi 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 格勒诺布尔站发表的展示作品。

第二阶段持续十分钟左右,在制冷阶段后打开货车后门,关闭制冷机组和通风系统。与第一阶段不同,第二阶段完全耦合了 CFD 和传热,以求解 CFD 和传热方程。研究小组之后使用上述方程分析吹进箱内的气流和这一期间的温度变化。

开关门如何影响冷藏车?

为了回答这个问题,我们首先研究第一阶段后门关闭时的仿真结果。下图显示了 10000 秒后(近 2 小时 45 分钟)气流的局部速度流线。在这个时间点上,箱子顶部面向入口和沿门壁的气流速度最大。当空气流经箱内的其他位置时,速度迅速下降。

仿真绘图突出显示了在冷藏车关门阶段的局部空气流速。
流线显示了在关门阶段中 10000 秒后空气的局部速度。图片由 Alexandre Oury、Patrick Namy 和 Mohammed Youbi Idrissi 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2015 格勒诺布尔站发表的论文

温度场的分布情况与空气速度非常相似,温度最低的区域对应速度最大的区域,反之亦然。下图说明了最热的区域是位于箱底的回流区,此处的空气温度大于 0°C 。

图像显示了在冷藏车关门阶段的气流温度。
流线显示了在关门阶段中 10000 秒后气流的局部温度。图片由 Alexandre Oury、Patrick Namy 和 Mohammed Youbi Idrissi 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2015 格勒诺布尔站发表的论文。

工程师们还计算了冷藏箱内的能量损耗。根据计算结果,他们发现了货车内部的空气会逐渐冷却,全局能量损耗随着时间的推移而增加。大部分能量损耗发生在侧壁和后壁,二者具有相似的损耗剖面。因为地板由特厚的材料制成,是最佳的隔热层,因此在它的表面上损耗的能量非常有限。

绘图对比了五面箱壁的平均热量损耗。
在关门制冷期间,五个箱壁中每面的平均热量损耗。图片由 Alexandre Oury、Patrick Namy 和 Mohammed Youbi Idrissi 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2015 格勒诺布尔站发表的论文。

下面关注第二阶段。关闭制冷系统和通风系统后,工程师们强调唯一的空气驱动力是由内外温差引起的自然对流。由于箱内的温度要低得多,暖流会流入箱体。

如下图的模拟结果所示,起初热空气迅速流入箱体,但 50 秒后,平均风速下降到 10 cm/s,到了 500 秒时,平均风速低至 2 cm/s,原因可能是箱体内与外部环境之间的温差大幅降低。

仿真结果显示了货车厢在不同时间点的平均空气速度。
打开后门后,货车厢在 2、10、50 和 500 秒时的平均空气速度。图片由 Alexandre Oury、Patrick Namy 和 Mohammed Youbi Idrissi 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2015 格勒诺布尔站发表的论文。

至于温度,货车后门打开约 10 秒后,大部分箱体的温度与外界温度(约 25℃)基本相同。箱壁周围的区域是一个例外,此区域的热惰性有助于周围的空气保持低温。

图片显示了货车厢在四个不同时间点的温度。
打开后门后,货车厢在 2、10、50 秒和 500 秒时的温度。图片由 Alexandre Oury、Patrick Namy 和 Mohammed Youbi Idrissi 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2015 格勒诺布尔站发表的论文。

该小组随后比较了仿真结果与货车后门多次开启关闭下的物理实验数据,发现模型预测与实验温度基本一致。但是,仿真结果明确显示开门期间内温度发生了振荡,而物理实验没有观察这一现象。工程师们提出了一个解释:模型和物理传感器计算的是不同位置上的温度。另一个可能原因是传感器固有的惯性也许对温度产生了均化影响。模型本身显示了空气的瞬时温度。

绘图比较了温度的仿真结果与实验数据。
绘图比较了仿真结果与实验数据。图片由 Alexandre Oury、Patrick Namy 和 Mohammed Youbi Idrissi 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2015 格勒诺布尔站发表的展示作品。

多物理场仿真打开高端冷藏车的设计之门

SIMTEC 团队发现,借助 COMSOL Multiphysics,他们很容易耦合湍流 CFD 和传热现象,进而顺利地为冷藏车模型执行气动热力学仿真。仿真成果可用作设计下一代冷藏车的强大工具,不仅能为车厢壁寻找到最佳材料,还能指明如何提高制冷系统的功率规格和安装位置。

了解更多有关 COMSOL 认证咨询机构 SIMTEC 及其服务的信息,请访问他们的官方网站

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