冷藏集装箱温度分布分析
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3 仿真结果及讨论
不同工况下箱内温度场分布情况的模拟结果如下：
工况 1工况 2ຫໍສະໝຸດ 况 3工况 4工况 5
工况 6
工况 7 图 2 冷藏集装箱箱内温度场分布情况
由第一组的三个工况(工况 1、工况 2、工况 3) 对比分析可以发现，随着箱内货物堆码高度的增 加，箱内温度场分布不均匀程度增加，箱内温差呈 增大趋势，冷藏效果变差。究其缘由，主要是因为 随着冷藏货物堆垛高度的增加，其上方回风通道变 窄，气流回路受助，即便是制冷机组送风温度及送 风量不便，但因回路不畅，空气与货物及箱壁之间 的对流换热强度变低，温度场均匀度变差，箱内最 高和最低温度之差变大。
4 结论
为确保海运冷藏集装箱的运输品质，综合考虑 在运输过程中箱外热环境的影响，笔者采用 k- ε 方 程紊流模型，利用 CFD 软件对箱内冷藏货物堆垛 形体尺寸对箱内温度场分布影响情况进行了仿真， 模拟了不同长宽高的堆垛对集装箱内温度场的分 布，经对比分析，得到以下结论：
多，由于现有货物堆放方式不合理、温度分布不均 匀, 致使箱内温差甚至超过 10℃, 这类货物对温度
较为敏感，温度过高会腐烂变质，温度过低会冻伤
[4,5]
。故而保证其运输途中的箱内温度场分布均匀且
维持在一定范围内相当重要。研究箱内温度场分布 和货物堆放方式, 使冷藏货物处于温度均匀、气流
组织合理的环境下是保证货物品质的关键。
堆码长/mm 5 000 5 000 5 000 4 500 5 300 5 000 5 000
表 1 货物堆放工况
堆码宽/mm 堆码高/mm 堆码数量
1 070
1 780
2
1 070
2 080
2
1 070
2 180
2
1 070
2 080
2
1 070
2 080
2
1 000
2 080
2
700
2 080
通过第二组三个工况(工况 2、工况 4、工况 5) 的对比结果分析发现，随着堆码长度的增加，其温 度场不均匀度增大，温差亦增大，冷藏效果变差。 从仿真结果看，工况 4 温度波动范围为 278~282K， 温差为 4K；工况 2 温度波动范围为 278~284K，温 差为 6K，工况 5 温度波动范围为 278~285K，温差
中文分类号：U693+.1 文献标志码：A
THE EFFECT OF CARGO LOADING METHODS ON THE TEMPERATURE DISTRIBUTION INSIDE MARINE REEFER CONTAINER
Kan Ankang, Zhang Xuelai, Liu Hongmin
口及底板导轨送风方式进行简化，忽略送回风口内
栅格对气流的影响，简化成整体通道。
图 1 冷藏集装箱计算物理模型（单位：mm）
1.2 数学模型 本文采用 k- ε 方程, 对冷藏集装箱运输中的热
解。对于箱壁附近区域,因紊流 Re 数很低,需考虑分
子黏性的影响,采用壁面函数法来处理[15]。建立相应
过程进行数学描述，为了便于计算，对模型有必要
放方式, 为海运冷藏集装箱运输货物堆放提供理论 依据和技术支持。
1 冷藏集装箱模型
1.1 物理模型 本文以 THERO-KING20 英尺机械制冷冷藏集
装箱为研究对象，箱体物理模型如图 1 所示。箱体 外部尺寸为 6 058mm×2 438mm×2 950mm；内部尺 寸为 5 440mm×2 280mm×2 310mm；箱体送风方式 为下送上回，其送风口尺寸为 2 260mm×30mm；上 部回风口尺寸为 1 840mm×130mm；箱内冷藏货物 呈规则立方体结构，在集装箱内左右对称分布。货 物堆码立方体离集装箱侧壁的距离记为 a，立方体 之间的距离记为 b。为了简化计算模型，在仅研究 集装箱内温度场的情况下，对其内部送风口、回风
国内外学者对冷藏集装箱内温度场的分布问
题展开大量研究，较早采用的是实验分析的方式进
[6-11]
行的 。随着计算机科学技术的应用和发展，仿
真技术已被广泛应用于制冷设备气流组织分布等
[12-14]
的研究中来 。笔者以
20
英尺海运冷藏集装箱
为例, 采用 CFD 模拟在不同货物堆放方式下冷藏
箱内温度场的分布情况，继而提出冷藏货物最佳堆
都有影响。
为了研究堆放方式对箱内温度场的影响，本文 列出表 1 中几种货物堆码工况，表中各尺寸为单组
货物尺寸。堆码时，各个工况中，每组货物在集装
箱室中呈左右对称分布。堆码立方体离集装箱侧壁 的距离记为 a，两立方体之间的距离记为 b，货物 距箱内门端的距离为 10cm。
工况 1 2 3 4 5 6 7
1)固体壁面:针对粘性流动，壁面均采用无滑移
[11]
边界条件 ，也就是壁面与气体间相对速度为零，
即：对于物面上的边界条件，我们假设物面，这被
称为无滑移条件。本论文将集装箱壁定为静止，当
气流流过壁面时，有： u = v = w =0.
2) 热源边界:外界热环境不断透过箱体隔热壁 向箱内传入热量,假定各个壁面传热负荷分别均匀 分布在每个壁面的各节点上作为能量方程的附加 源项处理。换热系数取 0.3 W/(m2·K)，环境温度定 为 305K, 将送风口风速和温度的平均值作为送风 速度和送风温度,箱内空气平均温度取 278K，空气 密度 ρ=1.27kg/m3, 送风速度取 6.0 m/s，货物表面定 为绝热边界条件。
0 前言
海运冷藏集装箱食品运输以其安全快速、方便
基金项目：上海海事大学科技基金项目（20120091） 作者简介：阚安康（1981- ），男，博士，讲师。
[1-3]
经济等特点己成为国际冷藏运输的主要形式 。冷
藏集装箱所运载的货物主要有冷冻货和冷却货。对
于冷冻货，只要保证运输途中冷藏集装箱内温度始 终处于货物所需温度以下即可；但对于冷却货物(主 要是指诸如果蔬等鲜活易腐货物)而言，就复杂得
2 堆放方式工况设置
为了确保箱内冷藏温度均匀且维持在正常范
围，必须确保箱内气流循环。箱内堆码不合理将造
成空气循环差，进而引起箱内货物间温差增大。所
以箱内货物堆放时应注意：(1)在货板间或端部不要 留太大的间隙，以免松紧不均，造成热量积聚。(2)
冷藏货物端部与门之间用木板或空纸箱将间隙填 满。 (3) 在货物上部与顶板间必须留有空隙，如无 间隙空气循环将会受阻。(4) 纸板箱需垂直分开(隔 开)，尤其对于鲜活货物，最好用通风型的纸板箱。 一些货物具有较高的气阻,这对于空气循环与温度
做以下假设。 1) 箱内空气为不可压缩流体, 且空气密度变
化仅对浮升力产生影响; 2) 忽略温度变化对货物和空气物性参数的影
响，假定其为常数； 3) 忽略货物水分蒸发等引起的传质影响，假定
货物无内热源。 4) 箱内气密性良好, 无漏气现象; 5) 忽略箱体和货物壁面间的热辐射。 根据上述假设，采用 k- ε 方程紊流模型进行求
的控制方程，基于三维坐标系中，其连续方程为：
∂ρ ∂τ
+
ρ ( ∂u ∂x
+
∂ν ∂y
+
∂w ) ∂z
=0
（1）
式中： ρ 为箱内空气密度， kg / m3 ； u 、 v 、
w 分别为 x 、 y 、 z 方向上的速度，m / s ；τ 为时
间，s。
1.3 边界条件
本文计算模型的边界条件处理如下:
域，造成货物散热不佳，但堆码之间多出一条间隙，
可明显改善货物整体与空气对流换热效果，使箱内 整体温度场得到改善。工况 7 与 2 的对比情况还可
以发现，增大堆码与集装箱壁之间的距离，室外环 境热量经箱体壁面传热给箱内货物的量明显减弱， 这数要是因为空气隔离层增大了热量传递热阻，空 隙间的空气流通也有利于将通过集装箱壁渗透入 箱内的热量及时排出，故而工况 7 相应的箱内温度 场分布情况较之工况 2 要均匀得多。
为 7K。究其缘由，货物堆码长度影响了制冷机组 的送风能力，堆垛越长，送风阻力越大，气流组织
紊流现象越严重，冷藏效果逐渐变差。 对于第三组三个工况(工况 2、工况 6、工况 7)，
从货物堆码间隙与堆码与集装箱壁之间距离的角 度进行对比分析发现，工况 7 和工况 6 的箱内温度 变化范围为 278~282K，温差为 4K，工况 2 温度波 动范围为 278~284K，温差为 6K。从仿真的结果看， 工况 7 和 6 的温度场分布情况明显优于工况 2。对 比工况 2 和 6 发现，货物间隙增大，温度场分布变 得均匀。对比工况 7 和 6 发现，工况 7 中货物两侧 出现了明显的局部高温区域，即箱内出现湍流区
3
a /mm
40 40 40 40 40 70 50
b /mm
50 50 50 50 50 140 40
显然，可以将工况 1、2、3 定为第一组，可以研究货物堆码高度对冷藏集装箱内温度场的影响；将工 况 2、4、5 定为第二组，研究货物堆码长度对温度场的影响，将工况 2、6、7 定为第三组，研究货物堆码 宽度对温度场的影响。
变箱内货物的堆放组织形式，对冷藏箱内温度场分布情况进行仿真。仿真结果表明，随着堆垛高度的增加，
箱内温度场分布不均匀度增大；随着堆垛长度的增加，箱内温差变大，温度场不均匀度增大；随着堆垛间
隙及与箱壁距离的增大，箱内温度场分布显著改善。文章对冷藏集装箱内货物堆放方式的选择具有指导和
借鉴意义。
关键词：海运冷藏集装箱 货物 堆放方式 温度场分布
(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai, China 201306)
Abstract: On the sea-going process of the marine reefer container，the interior temperature distribution of the container plays an important role on the refrigerated effect of the cargo. What’s more, the cargo stake mode in the container is the main factor which disturbs the interior temperature distribution. The CFD technology was taken to simulate and numerical analyze a 20’ standard reefer container. Various stake modes were involved to emulate the situations of the interior temperature distribution. And the result was that, the interior temperature distribution would be uneven with the incremental change of the stack height, and the same with the incremental change of the stack length, which enlarges the temperature difference inside the container. But the incremental changes of the stacks’ gaps and distance from the walls can improve the uniformity of the interior temperature distribution. Therefore, it was a useful reference for the marine reefer container to load the chill cargo. Keywords： Marine reefer container; Cargo; Stack mode; Temperature distribution
货物堆放方式对海运冷藏集装箱内温度场分布的影响
阚安康，章学来，刘红敏
（上海海事大学商船学院 上海 201306）
摘 要：在冷藏集装箱海上运输时, 货物冷藏品质的优劣与箱内温度场分布情况密切相关，而货物的堆放
形式又是影响温度场分布的重要因素。文章采用 CFD 对 20 英尺冷藏集装箱进行建模和数值分析，通过改
不同工况下箱内温度场分布情况的模拟结果如下：
工况 1工况 2ຫໍສະໝຸດ 况 3工况 4工况 5
工况 6
工况 7 图 2 冷藏集装箱箱内温度场分布情况
由第一组的三个工况(工况 1、工况 2、工况 3) 对比分析可以发现，随着箱内货物堆码高度的增 加，箱内温度场分布不均匀程度增加，箱内温差呈 增大趋势，冷藏效果变差。究其缘由，主要是因为 随着冷藏货物堆垛高度的增加，其上方回风通道变 窄，气流回路受助，即便是制冷机组送风温度及送 风量不便，但因回路不畅，空气与货物及箱壁之间 的对流换热强度变低，温度场均匀度变差，箱内最 高和最低温度之差变大。
4 结论
为确保海运冷藏集装箱的运输品质，综合考虑 在运输过程中箱外热环境的影响，笔者采用 k- ε 方 程紊流模型，利用 CFD 软件对箱内冷藏货物堆垛 形体尺寸对箱内温度场分布影响情况进行了仿真， 模拟了不同长宽高的堆垛对集装箱内温度场的分 布，经对比分析，得到以下结论：
多，由于现有货物堆放方式不合理、温度分布不均 匀, 致使箱内温差甚至超过 10℃, 这类货物对温度
较为敏感，温度过高会腐烂变质，温度过低会冻伤
[4,5]
。故而保证其运输途中的箱内温度场分布均匀且
维持在一定范围内相当重要。研究箱内温度场分布 和货物堆放方式, 使冷藏货物处于温度均匀、气流
组织合理的环境下是保证货物品质的关键。
堆码长/mm 5 000 5 000 5 000 4 500 5 300 5 000 5 000
表 1 货物堆放工况
堆码宽/mm 堆码高/mm 堆码数量
1 070
1 780
2
1 070
2 080
2
1 070
2 180
2
1 070
2 080
2
1 070
2 080
2
1 000
2 080
2
700
2 080
通过第二组三个工况(工况 2、工况 4、工况 5) 的对比结果分析发现，随着堆码长度的增加，其温 度场不均匀度增大，温差亦增大，冷藏效果变差。 从仿真结果看，工况 4 温度波动范围为 278~282K， 温差为 4K；工况 2 温度波动范围为 278~284K，温 差为 6K，工况 5 温度波动范围为 278~285K，温差
中文分类号：U693+.1 文献标志码：A
THE EFFECT OF CARGO LOADING METHODS ON THE TEMPERATURE DISTRIBUTION INSIDE MARINE REEFER CONTAINER
Kan Ankang, Zhang Xuelai, Liu Hongmin
口及底板导轨送风方式进行简化，忽略送回风口内
栅格对气流的影响，简化成整体通道。
图 1 冷藏集装箱计算物理模型（单位：mm）
1.2 数学模型 本文采用 k- ε 方程, 对冷藏集装箱运输中的热
解。对于箱壁附近区域,因紊流 Re 数很低,需考虑分
子黏性的影响,采用壁面函数法来处理[15]。建立相应
过程进行数学描述，为了便于计算，对模型有必要
放方式, 为海运冷藏集装箱运输货物堆放提供理论 依据和技术支持。
1 冷藏集装箱模型
1.1 物理模型 本文以 THERO-KING20 英尺机械制冷冷藏集
装箱为研究对象，箱体物理模型如图 1 所示。箱体 外部尺寸为 6 058mm×2 438mm×2 950mm；内部尺 寸为 5 440mm×2 280mm×2 310mm；箱体送风方式 为下送上回，其送风口尺寸为 2 260mm×30mm；上 部回风口尺寸为 1 840mm×130mm；箱内冷藏货物 呈规则立方体结构，在集装箱内左右对称分布。货 物堆码立方体离集装箱侧壁的距离记为 a，立方体 之间的距离记为 b。为了简化计算模型，在仅研究 集装箱内温度场的情况下，对其内部送风口、回风
国内外学者对冷藏集装箱内温度场的分布问
题展开大量研究，较早采用的是实验分析的方式进
[6-11]
行的 。随着计算机科学技术的应用和发展，仿
真技术已被广泛应用于制冷设备气流组织分布等
[12-14]
的研究中来 。笔者以
20
英尺海运冷藏集装箱
为例, 采用 CFD 模拟在不同货物堆放方式下冷藏
箱内温度场的分布情况，继而提出冷藏货物最佳堆
都有影响。
为了研究堆放方式对箱内温度场的影响，本文 列出表 1 中几种货物堆码工况，表中各尺寸为单组
货物尺寸。堆码时，各个工况中，每组货物在集装
箱室中呈左右对称分布。堆码立方体离集装箱侧壁 的距离记为 a，两立方体之间的距离记为 b，货物 距箱内门端的距离为 10cm。
工况 1 2 3 4 5 6 7
1)固体壁面:针对粘性流动，壁面均采用无滑移
[11]
边界条件 ，也就是壁面与气体间相对速度为零，
即：对于物面上的边界条件，我们假设物面，这被
称为无滑移条件。本论文将集装箱壁定为静止，当
气流流过壁面时，有： u = v = w =0.
2) 热源边界:外界热环境不断透过箱体隔热壁 向箱内传入热量,假定各个壁面传热负荷分别均匀 分布在每个壁面的各节点上作为能量方程的附加 源项处理。换热系数取 0.3 W/(m2·K)，环境温度定 为 305K, 将送风口风速和温度的平均值作为送风 速度和送风温度,箱内空气平均温度取 278K，空气 密度 ρ=1.27kg/m3, 送风速度取 6.0 m/s，货物表面定 为绝热边界条件。
0 前言
海运冷藏集装箱食品运输以其安全快速、方便
基金项目：上海海事大学科技基金项目（20120091） 作者简介：阚安康（1981- ），男，博士，讲师。
[1-3]
经济等特点己成为国际冷藏运输的主要形式 。冷
藏集装箱所运载的货物主要有冷冻货和冷却货。对
于冷冻货，只要保证运输途中冷藏集装箱内温度始 终处于货物所需温度以下即可；但对于冷却货物(主 要是指诸如果蔬等鲜活易腐货物)而言，就复杂得
2 堆放方式工况设置
为了确保箱内冷藏温度均匀且维持在正常范
围，必须确保箱内气流循环。箱内堆码不合理将造
成空气循环差，进而引起箱内货物间温差增大。所
以箱内货物堆放时应注意：(1)在货板间或端部不要 留太大的间隙，以免松紧不均，造成热量积聚。(2)
冷藏货物端部与门之间用木板或空纸箱将间隙填 满。 (3) 在货物上部与顶板间必须留有空隙，如无 间隙空气循环将会受阻。(4) 纸板箱需垂直分开(隔 开)，尤其对于鲜活货物，最好用通风型的纸板箱。 一些货物具有较高的气阻,这对于空气循环与温度
做以下假设。 1) 箱内空气为不可压缩流体, 且空气密度变
化仅对浮升力产生影响; 2) 忽略温度变化对货物和空气物性参数的影
响，假定其为常数； 3) 忽略货物水分蒸发等引起的传质影响，假定
货物无内热源。 4) 箱内气密性良好, 无漏气现象; 5) 忽略箱体和货物壁面间的热辐射。 根据上述假设，采用 k- ε 方程紊流模型进行求
的控制方程，基于三维坐标系中，其连续方程为：
∂ρ ∂τ
+
ρ ( ∂u ∂x
+
∂ν ∂y
+
∂w ) ∂z
=0
（1）
式中： ρ 为箱内空气密度， kg / m3 ； u 、 v 、
w 分别为 x 、 y 、 z 方向上的速度，m / s ；τ 为时
间，s。
1.3 边界条件
本文计算模型的边界条件处理如下:
域，造成货物散热不佳，但堆码之间多出一条间隙，
可明显改善货物整体与空气对流换热效果，使箱内 整体温度场得到改善。工况 7 与 2 的对比情况还可
以发现，增大堆码与集装箱壁之间的距离，室外环 境热量经箱体壁面传热给箱内货物的量明显减弱， 这数要是因为空气隔离层增大了热量传递热阻，空 隙间的空气流通也有利于将通过集装箱壁渗透入 箱内的热量及时排出，故而工况 7 相应的箱内温度 场分布情况较之工况 2 要均匀得多。
为 7K。究其缘由，货物堆码长度影响了制冷机组 的送风能力，堆垛越长，送风阻力越大，气流组织
紊流现象越严重，冷藏效果逐渐变差。 对于第三组三个工况(工况 2、工况 6、工况 7)，
从货物堆码间隙与堆码与集装箱壁之间距离的角 度进行对比分析发现，工况 7 和工况 6 的箱内温度 变化范围为 278~282K，温差为 4K，工况 2 温度波 动范围为 278~284K，温差为 6K。从仿真的结果看， 工况 7 和 6 的温度场分布情况明显优于工况 2。对 比工况 2 和 6 发现，货物间隙增大，温度场分布变 得均匀。对比工况 7 和 6 发现，工况 7 中货物两侧 出现了明显的局部高温区域，即箱内出现湍流区
3
a /mm
40 40 40 40 40 70 50
b /mm
50 50 50 50 50 140 40
显然，可以将工况 1、2、3 定为第一组，可以研究货物堆码高度对冷藏集装箱内温度场的影响；将工 况 2、4、5 定为第二组，研究货物堆码长度对温度场的影响，将工况 2、6、7 定为第三组，研究货物堆码 宽度对温度场的影响。
变箱内货物的堆放组织形式，对冷藏箱内温度场分布情况进行仿真。仿真结果表明，随着堆垛高度的增加，
箱内温度场分布不均匀度增大；随着堆垛长度的增加，箱内温差变大，温度场不均匀度增大；随着堆垛间
隙及与箱壁距离的增大，箱内温度场分布显著改善。文章对冷藏集装箱内货物堆放方式的选择具有指导和
借鉴意义。
关键词：海运冷藏集装箱 货物 堆放方式 温度场分布
(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai, China 201306)
Abstract: On the sea-going process of the marine reefer container，the interior temperature distribution of the container plays an important role on the refrigerated effect of the cargo. What’s more, the cargo stake mode in the container is the main factor which disturbs the interior temperature distribution. The CFD technology was taken to simulate and numerical analyze a 20’ standard reefer container. Various stake modes were involved to emulate the situations of the interior temperature distribution. And the result was that, the interior temperature distribution would be uneven with the incremental change of the stack height, and the same with the incremental change of the stack length, which enlarges the temperature difference inside the container. But the incremental changes of the stacks’ gaps and distance from the walls can improve the uniformity of the interior temperature distribution. Therefore, it was a useful reference for the marine reefer container to load the chill cargo. Keywords： Marine reefer container; Cargo; Stack mode; Temperature distribution
货物堆放方式对海运冷藏集装箱内温度场分布的影响
阚安康，章学来，刘红敏
（上海海事大学商船学院 上海 201306）
摘 要：在冷藏集装箱海上运输时, 货物冷藏品质的优劣与箱内温度场分布情况密切相关，而货物的堆放
形式又是影响温度场分布的重要因素。文章采用 CFD 对 20 英尺冷藏集装箱进行建模和数值分析，通过改