CN109063367A - 一种基于cfd的蓄冷空间优化方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于CFD的蓄冷空间优化方法和系统，适用于冷链物流领域，该方法包括：构建不同组装方案的蓄冷空间三维模型，其中，蓄冷空间的组装方案包括设置在蓄冷箱内且用于提供冷源的蓄冷板的数量和具体位置；基于蓄冷空间三维模型进行计算流体力学CFD仿真，模拟不同组装方案下的蓄冷空间温度场分布；选择温度分布均匀性最好的温度场所对应的蓄冷空间三维模型作为最优方案，以该最优方案对蓄冷箱和蓄冷板的组装进行优化。本发明通过适当改变模型中蓄冷板的布置方式，使得空间温度场的均匀性和稳定性最优，同时降低实际配送过程中的耗能成本。

Description

一种基于CFD的蓄冷空间优化方法和系统

技术领域

本发明属于冷链物流领域，尤其涉及一种基于CFD的蓄冷空间优化方法和系统。

背景技术

为营造最后一公里环节的生鲜货物所需的低温环境，通常将生鲜货物放置在城市配送车的蓄冷箱中进行低温储存，通过在蓄冷箱周围覆盖泡沫、棉絮等保温材料，或是在蓄冷箱中放置冰盒、冰袋等冷媒对生鲜货物进行降温或维持低温环境，但由于普通保温材料的保温能力有限，不能满足生鲜货物所需的低温条件，并且冰瓶、冰袋等冷媒与生鲜货物直接接触，易对货物造成损坏。

作为改进，技术人员在冷藏车厢中设置了制冷机组，在配送过程中，通过该制冷机组持续为蓄冷车厢内部空间降温，但由于冷源有限，容易导致车厢内部的温度分布不均匀的情况，并且，配送电动车的动力耗能和制冷耗能均通过其蓄电池供应，势必导致蓄电池耗能高，续航时间短，无法满足城市配送的需求。

发明内容

本发明提供了一种基于CFD的蓄冷空间优化方法和系统，旨在解决冷藏车内部空间温度分布不均匀以及利用制冷机组制冷导致蓄电池耗能高，续航时间短的技术问题。

本发明提供了一种基于CFD的蓄冷空间优化方法，该方法包括：

构建不同组装方案的蓄冷空间三维模型，其中，蓄冷空间的组装方案包括设置在蓄冷箱内且用于提供冷源的蓄冷板的数量和具体位置；

基于所述蓄冷空间三维模型进行计算流体力学CFD仿真，模拟不同组装方案下的蓄冷空间温度场状况；

选择温度分布均匀性最好的温度场所对应的蓄冷空间三维模型作为最优方案，以所述最优方案对蓄冷箱和蓄冷板的组装进行优化。

本发明还提供了一种基于CFD的蓄冷空间优化系统，所述系统包括：

建模模块，用于构建不同组装方案的蓄冷空间三维模型，其中，蓄冷空间的组装方案包括设置在蓄冷箱内且用于提供冷源的蓄冷板的数量和具体位置；

仿真模块，用于基于所述蓄冷空间三维模型进行计算流体力学CFD仿真，模拟不同组装方案下的蓄冷空间温度场状况；

优化模块，用于选择温度分布均匀性最好的温度场所对应的蓄冷空间三维模型作为最优方案，以所述最优方案对蓄冷箱和蓄冷板的组装进行优化。

本发明的有益效果在于：本发明构建了蓄冷空间三维模型并对其进行CFD仿真，通过仿真温度场来代替实际物理状态下的温度场，由于无需搭建硬件设备，仅虚拟仿真实验即可获取不同组装方案下蓄冷空间的温度场分布状况，能够节省大量的人力物力和时间。并且，通过适当改变模型中蓄冷板的布置方式，使得空间温度场的均匀性和稳定性最优，同时在实际配送过程中降低耗能成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例提供的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为第一实施例提供的一种基于CFD的蓄冷空间优化方法的流程示意图；

图2为第二实施例提供的蓄冷空间的中心剖面温度分布云图；

图3为第二实施例提供的蓄冷空间的参考剖面温度分布云图；

图4为第三实施例提供的蓄冷空间的中心剖面温度分布云图；

图5为第三实施例提供的蓄冷空间的参考剖面温度分布云图；

图6为第四实施例提供的蓄冷空间的中心剖面温度分布云图；

图7为第四实施例提供的蓄冷空间的参考剖面温度分布云图；

图8为第五实施例提供的一种基于CFD的蓄冷空间优化系统的结构示意图。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为第一实施例提供的一种基于CFD的蓄冷空间优化方法的流程示意图。

在本发明实施例中，基于CFD的蓄冷空间优化方法包括：

步骤S101、构建不同组装方案的蓄冷空间三维模型，其中，蓄冷空间的组装方案包括设置在蓄冷箱内且用于提供冷源的蓄冷板的数量和具体位置。

蓄冷板是利用内部蓄冷剂凝固后所储存的相变潜热来为冷藏车厢降温，维持货物储运所需低温。本实施例中的蓄冷板可以在充冷站预先冻结后移至冷藏车厢中，也可以在冷藏车使用前将制冷机组与外接电源接通，对蓄冷板进行充冷后使用。根据蓄冷板在蓄冷箱内的实际安装数量和位置，构成蓄冷空间的多种组装方案。通常情况下由于蓄冷箱的底面承载货物，不便设置蓄冷板，因此蓄冷空间的实际组装方案包括：蓄冷板设置于蓄冷箱的顶面上，或者，蓄冷板设置于蓄冷箱的侧面上，或者，蓄冷板设置于蓄冷箱的顶面和侧面上。对于不同组装方案的蓄冷空间，其蓄冷能力各有优劣。

在本发明实施例中，步骤S101具体包括：

(1)根据蓄冷箱和蓄冷板的几何尺寸，利用三维建模软件分别对其进行建模，得到蓄冷箱模型和蓄冷板模型；

(2)将蓄冷板模型按照实际的物理状态组装于蓄冷箱模型内，通过改变蓄冷板模型的数量和具体位置以生成不同组装方案的蓄冷空间三维模型。

本步骤首先测量建模所需的基本参数，例如实际蓄冷箱的长、宽、高和厚度等尺寸，利用AutoCAD或Gambit建模软件分别对蓄冷箱和蓄冷板进行几何建模，得到蓄冷箱和蓄冷板的三维模型后，将蓄冷板模型按照实际的物理状态组装于蓄冷箱模型内，有多种组装方案：

方案一：仅蓄冷箱模型的顶面上设置有若干蓄冷板模型。

方案二：蓄冷箱模型的若干个侧面上设置有蓄冷板模型。

方案三：蓄冷箱模型的顶面和至少一个侧面上设置有若干蓄冷板模型。

示例性的，若蓄冷箱模型为长方体，按照方案三，该蓄冷箱模型的顶面和长高面，或者，顶面和宽高面上设置有若干蓄冷板模型。

在实际应用中，冷藏车主要是用于城市之间的配送，运行时间一般不超过10小时，而由于空载时蓄冷箱内部的初始温度与外界空气温度相同，导致蓄冷板提供的冷能将空间内的温度降至所需温度花费的时间最长，因此空载被视为最恶劣工况。由于蓄冷板的布置方式具有多样性，导致不同组装方案的蓄冷空间的温度场状况各不相同，本发明实施例基于此，模拟了不同组装方案下的蓄冷空间在空载工况下的温度场分布状况。

步骤S102、基于蓄冷空间三维模型进行计算流体力学CFD仿真，模拟不同组装方案下的蓄冷空间温度场状况。

计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)是利用控制方程(质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程)对流体流动进行数值模拟，通过求解方程组得到流场内各个位置上的物理量的分布以及这些物理量随时间的变化情况。

在本发明实施例中，蓄冷空间内的气流为低速、不可压缩流体，且符合湍流模型。流体力学软件如FLUENT等通过建立蓄冷空间内流体的CFD计算模型，并建立可迭代求解的偏微分方程组进行温度场计算。

步骤S102具体包括：

1、对蓄冷空间三维模型进行网格划分，得到蓄冷空间网格模型。

在CFD的前处理阶段，需对CAD格式的蓄冷空间模型进行有限元或有限体积的网格划分，以生成计算网格模型。其中，对蓄冷空间内的流场采用非结构化网格划分，对蓄冷箱模型和蓄冷板模型采用结构化网格划分。在整个计算域上，网格通过节点联系在一起。

2、将蓄冷空间网格模型导入流体力学软件中，建立相应的温度场模型，通过预置材料属性、施加边界条件、设置初始条件完成温度场数值仿真模型的设定。

在本步骤中，流体力学软件在接收到网格文件后，选择标准κ-ε湍流模型，将相应的控制方程(连续方程、动量方程和能量方程)以及附加的湍流方程离散到每一个网格单元上，通过建立温度场模型，并设定分析条件，包括：定义固体材料属性和流体材料属性、施加计算域的边界条件、设置初始条件以及输出调节控制等，使得仿真实验条件与模拟的环境相同。其中，初始条件是指所研究的对象在物理过程开始的时刻各个求解变量的空间分布情况，例如空载工况下蓄冷空间内的空气初始温度，边界条件是指在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随时间和位置的变化规律，包括进出口边界条件和壁面边界条件等。

在FLUENT软件中，流体和固体的物理性质都是由其材料属性来反映，数值模拟之前需要为计算区域的每个研究实体指定一种材料，模型参数采用用户自定义的方式从数据库信息中读取并输入到Fluent模型中。本发明实施例中流体域的流体材料只有空气，采用软件中默认的属性值。固体的材料属性包括密度、比热容、热传导系数等参数，在软件中选择实际使用的固体材料的材料属性即可。

可选地，蓄冷箱的制作材料为聚氨酯，其底面设有若干个调压口，用于平衡内外气压。同时在调压口施加压力出口边界条件。

可选地，蓄冷板为铝制板，其内部储存有包括氯化钠和氯化钾溶液按特定比例调制成的蓄冷剂。蓄冷剂熔点为零下21℃左右，该蓄冷剂在冷藏车运行过程中由凝固状态逐渐转变为固液共存状态，不断吸热以保证蓄冷箱内的低温环境。

3、对温度场数值仿真模型进行迭代求解，得到计算域不同截面的温度分布云图。

在本步骤中，CFD仿真对离散方程组采用数值迭代计算的方法，获得满足精度要求的“近似解”，再经过后处理输出计算域不同截面的温度场状况，包括蓄冷空间内部的温度波动状况和湍流动能变化。温度分布云图采用渲染的方式，将空间流场截面上的温度用连续变化的颜色块表示其分布状况，不仅能直观地显示温度场计算结果，还有助于全面分析整个计算域的气流流动状态以及不同位置的温度分布。根据温度分布云图提取若干个关键温度值，包括温度最大值、最小值、平均值等数据，可以通过计算温度场数据的均方差获取温度的波动情况，通过计算局部平均值获取不同截面的温度差异。

为便于分析，本发明实施例中沿蓄冷箱模型的宽边方向选择两个截面，即中心剖面(截点为宽边的中点处)和参考剖面(截点为宽边的四分之一点处)，分别获得中心剖面和参考剖面的温度分布云图。在实际应用中，还可将求解得到的流场特性与理论分析或实际研究成果进行比较，验证计算结果的可靠性。

S103、选择温度分布均匀性最好的温度场所对应的蓄冷空间三维模型作为最优方案，以该最优方案对蓄冷箱和蓄冷板的组装进行优化。

在整体温度控制的基础上引入温度场均匀性指标来表征蓄冷空间内的温度分布，例如在某一高度的平面温度场，引入温度均方差来衡量其均匀性；在垂直方向的温度场，引入温度梯度指标用于衡量其均匀性。需要说明的是，本实施例中以温度均方值最低、局部温度平均值变化最小、湍流动能最小且温度上升最慢的温度场作为温度分布均匀性最好的温度场。

假设蓄冷箱为长方体，本发明实施例根据蓄冷板顶置和顶置+侧置的具体分布方式中选择三种，分别对其仿真温度分布云图进行分析：

1、蓄冷箱的顶面均匀分布有6块蓄冷板。

如图2和图3所示，图2为第二实施例提供的蓄冷空间的中心剖面温度分布云图，图3为第二实施例提供的蓄冷空间的参考剖面温度分布云图。

当蓄冷板全部顶置时，蓄冷空间上部空气的温度最低，密度最大，由于自然对流，顶部的低温空气向下流动，且根据自然对流的特点，在顶部冷空气下沉的过程中，中心剖面会出现比较明显的温度分层情况，导致中心剖面上的温度分布梯度较为明显(如图2所示)。蓄冷箱壁面不断与外界换热，导致靠近箱壁的空气温度梯度变大，特别是参考剖面中靠近壁面区域的空气温度较高(图3中的颜色较浅的部分)。

2、蓄冷箱的顶面均匀设置有6块蓄冷板，且蓄冷箱的两个长高面上分别设置有2块蓄冷板。

如图4和图5所示，图4为第三实施例提供的蓄冷空间的中心剖面温度分布云图，图5为第三实施例提供的蓄冷空间的参考剖面温度分布云图。

除蓄冷箱顶部的蓄冷板外，本实施例中在蓄冷箱的纵向方向增设了蓄冷板，与图2相比，图4所示的中心剖面温度场的平均温度值较低，同时，对于图5所示的参考剖面温度场中靠近壁面的相对高温区的温度也有所改善，也即该纵向分布的蓄冷板对空间温度场的均匀性有一定的增强效果。

3、蓄冷箱的顶面均匀设置有6块蓄冷板，且蓄冷箱的两个长高面上分别设置有2块蓄冷板，两个宽高面上分别设置有1块蓄冷板。

如图6和图7所示，图6为第四实施例提供的蓄冷空间的中心剖面温度分布云图，图7为第四实施例提供的蓄冷空间的参考剖面温度分布云图。

与其他方案相比，按照实际物理状态调整蓄冷板的数量和具体位置，本实施例中蓄冷箱的垂直方向、纵向方向和横向方向均设置有蓄冷板冷源，使得图6和图7所示的剖面温度场的平均温度最低，温度梯度最小。实际上在相同的成本和蓄冷箱可用容积的情况下，本方案中的截面温度场的温度均方值最低、局部温度平均值变化最小、湍流动能最小且温度上升最慢，因此本方案得到的蓄冷空间的温度分布均匀性最好。根据本方案指导蓄冷箱和蓄冷板进行实际组装，可得到温度场分布最均匀、最稳定且制冷效果最优的蓄冷空间。

进一步地，如图8所示，本发明第五实施例还提供了一种基于CFD的蓄冷空间优化系统，该系统包括：

建模模块100，用于构建不同组装方案的蓄冷空间三维模型，其中，蓄冷空间的组装方案包括设置在蓄冷箱内且用于提供冷源的蓄冷板的数量和具体位置。

仿真模块200，用于基于蓄冷空间三维模型进行计算流体力学CFD仿真，模拟不同组装方案下的蓄冷空间温度场状况。

优化模块300，用于选择温度分布均匀性最好的温度场所对应的蓄冷空间三维模型作为最优方案，以该最优方案对蓄冷箱和蓄冷板的组装进行优化。

在本发明实施例中，利用CFD对运输车厢内的仿真温度场进行不同条件的数值模拟，通过仿真温度场来代替实际物理状态下的温度场，由于无需搭建硬件设备，仅虚拟实验即可获取不同组装方案下蓄冷空间的温度场分布状况，比较后得到温度分布均匀性最好的组装方案，能够节省大量的人力物力，还提高了实验数据的精度。并且，通过适当改变模型中蓄冷板的布置方式以提高温度场的均匀性和稳定性，尽可能延长蓄冷时间，从而降低实际运输过程的耗能成本。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明实施例提供的一种基于CFD的蓄冷空间优化方法和系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于CFD的蓄冷空间优化方法，其特征在于，所述方法包括：

构建不同组装方案的蓄冷空间三维模型，其中，蓄冷空间的组装方案包括设置在蓄冷箱内且用于提供冷源的蓄冷板的数量和具体位置；

基于所述蓄冷空间三维模型进行计算流体力学CFD仿真，模拟不同组装方案下的蓄冷空间温度场状况；

选择温度分布均匀性最好的温度场所对应的蓄冷空间三维模型作为最优方案，以所述最优方案对蓄冷箱和蓄冷板的组装进行优化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建不同组装方案的蓄冷空间三维模型包括：

根据蓄冷箱和蓄冷板的几何尺寸，利用三维建模软件分别对其进行建模，得到蓄冷箱模型和蓄冷板模型；

将所述蓄冷板模型按照实际的物理状态组装于所述蓄冷箱模型内，通过改变所述蓄冷板模型的数量和具体位置以生成不同组装方案的蓄冷空间三维模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，仅所述蓄冷箱模型的顶面上设置有若干所述蓄冷板模型。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述蓄冷箱模型的若干个侧面上设置有所述蓄冷板模型。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述蓄冷箱模型的顶面和至少一个侧面上设置有若干所述蓄冷板模型。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述蓄冷空间三维模型进行计算流体力学CFD仿真，模拟不同组装方案下的蓄冷空间温度场状况包括：

对所述蓄冷空间三维模型进行网格划分，得到蓄冷空间网格模型；

将所述蓄冷空间网格模型导入流体力学软件中，建立相应的温度场模型，通过预置材料属性、施加边界条件、设置初始条件完成温度场数值仿真模型的设定；

对所述温度场数值仿真模型进行迭代求解，得到计算域内蓄冷空间不同截面的温度分布云图。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，蓄冷箱的制作材料为聚氨酯，其底面设有若干个调压口；

在所述调压口施加压力出口边界条件。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，蓄冷板为铝制板，其内部储存有包括氯化钠和氯化钾溶液按特定比例调制成的蓄冷剂。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，以温度均方值最低、局部温度平均值变化最小、湍流动能最小且温度上升最慢的温度场作为所述温度分布均匀性最好的温度场。

10.一种基于CFD的蓄冷空间优化系统，其特征在于，所述系统包括：

建模模块，用于构建不同组装方案的蓄冷空间三维模型，其中，蓄冷空间的组装方案包括设置在蓄冷箱内且用于提供冷源的蓄冷板的数量和具体位置；

仿真模块，用于基于所述蓄冷空间三维模型进行计算流体力学CFD仿真，模拟不同组装方案下的蓄冷空间温度场状况；

优化模块，用于选择温度分布均匀性最好的温度场所对应的蓄冷空间三维模型作为最优方案，以所述最优方案对蓄冷箱和蓄冷板的组装进行优化。