CC BY
22
УДК 621.64
Е. К. Коровяковский, М. А. Хаджимухаметова
К ВОПРОСУ О ЦИРКУЛЯЦИИ ВОЗДУХА ВНУТРИ КОНТЕЙНЕРА ПРИ ОТКРЫТОМ ЛЮКЕ ПОД ОПРЕДЕЛЕННЫМ УГЛОМ ПРИ МОДИФИКАЦИИ КОНТЕЙНЕРОВ ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ СКОРОПОРТЯЩИХСЯ ГРУЗОВ
Дата поступления: 31.10.2017 Решение о публикации: 15.11.2017
Аннотация
Цель: Исследовать вопрос циркуляции воздуха внутри контейнера за счет открытия люка под определенным углом. Методы: Для численной реализации течения потока воздуха внутри контейнера использована явная конечно-разностная схема Мак-Кормака. Стационарное решение было достигнуто методом установления. Для получения более точных результатов расчета в работе были применены современные модели турбулентности. К ним относятся прямое численное моделирование (Direct Numerical Simulation) и метод моделирования крупных вихрей (Large Eddy Simulation). Однако они очень трудоемкие, и поэтому в решении поставленной задачи применены полуэмпирические методы. Результаты: Установлено, что циркуляцию воздуха внутри контейнера можно создать с помощью открытого люка контейнера, который фиксируется под определенным углом. Для расчета возникающего турбулентного потока предложена математическая модель. Полученные численные результаты гидродинамических уравнений показывают, что простым конструктивным изменением контейнера можно существенно улучшить внутри него циркуляцию воздуха. Практическая значимость: Данное явление дает неплохую перспективу для использования универсальных контейнеров при перевозке плодоовощной продукции, так как обеспечивает циркуляцию воздуха внутри контейнера и тем самым помогает существенно уменьшить порчу продукции за счет регулирования выделения тепла и влаги из самих продуктов.
Ключевые слова: Модель, модификация, универсальный контейнер, плодоовощная продукция, поток воздуха, система координат, система уравнений, циркуляция воздуха, холодная транспортная цепь.
Evgeny K. Korovyakovskiy, Cand. Eng. Sci., associate professor, head of department, prorector, logist@pgups.ru (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University); *Matluba A. Kha-djimukhametova, Cand. Eng. Sci., associate professor, matluba_78@mail.ru (Tashkent Institute of Railway Transport engineers) ON AIR CIRCULATION INSIDE CONTAINER WITH OPEN MANHOLE UNDER CERTAIN ANGLE IN MODIFYING CONTAINERS FOR PERISHABLE CARGO TRANSPORTATION
Summary
Objective: Investigate the issue of air circulation inside the container at the expense of manhole opening under a certain angle. Methods: For numerical realization of air stream flow inside the container explicit finite-difference MacCormack scheme was used. Stationary solution was achieved byarelaxation method. Modern turbulence models were applied for more accurate calculation results They include direct calculation simulation (Direct Numerical Simulation) and large eddy simulation method (Large Eddy Simulation). However, they very labour-intensive and therefore semi-empirical methods were applied in solving a set problem. Results: It is stated that air circulation inside the container can be created with the help of an open container manhole, which is fixed under a certain angle. For calculation
of emerging turbulent stream, a mathematical model is suggested. The obtained numerical results of hydrodynamic equations show that the air circulation inside the container can be essentially improved by trivial constructive change. Practical importance: The given phenomenon presents reasonably good perspective for using universal containers in transporting horticulture production as it provides air circulation inside the container and thus helps essentially decrease production spoilage at the expense of heat and moisture regulation from products themselves.
Keywords: Model, modification, universal container, horticulture production, air stream, frame of reference, system of equations, air circulation, cold transport chain.
В настоящее время рациональное размещение и оптимизация транспортировки плодоовощных продуктов для Республики Узбекистан и Российской Федерации имеют большое значение [1]. В Узбекистане созданы новые и реконструированы старые линии железных дорог, которые обеспечивают выход поставщиков Узбекистана на любые регионы мира [2]. Поэтому доставка плодоовощной продукции Узбекистана, имеющей большой спрос во всем мире, по железной дороге играет ключевую роль. Сейчас перевозка плодоовощной продукции осуществляется в основном по железной дороге в крытых вагонах. Однако крытые вагоны обладают широким спектром эксплуатации, и ощущается их нехватка для транспортировки плодоовощной продукции. Опираясь на опыт перевозок плодоовощной продукции в крытых вагонах, предлагается воспользоваться универсальными контейнерами, которые имеются в парке АО «Узбекистан темир йуллари». Однако универсальные контейнеры предназначены в основном для транспортировки непродовольственных товаров, и для перевозки скоропортящихся грузов их следует модифицировать. Одним из главных недостатков контейнеров является их недостаточная теплоизоляция, т. е. в солнечные дни они сильно нагреваются, а в холодные дни охлаждаются. Это отрицательно сказывается на качестве перевозимой продукции [3]. Кроме того, циркуляция воздуха внутри контейнера недостаточна для перевозки скоропортящихся грузов. Потому такие контейнеры для перевозки плодоовощной продукции применяются очень редко. Однако исследования, проведенные в последнее вре-
мя, показали, что, применяя известные аэродинамические эффекты, можно существенно улучшить циркуляцию воздуха и тем самым понизить температуру воздуха внутри контейнера. Для этой цели следует модифицировать контейнер [4] и воспользоваться движением поезда, т. е. энергию относительного движения окружающего воздуха можно направить на циркуляцию воздуха внутри контейнера, что позволит уменьшить температуру и влажность. Следовательно, подвод дополнительной энергии не потребуется.
Разработка и внедрение программы экспорта плодоовощной продукции является одним из главных факторов развития для любой страны. Рекомендуется перевозить плодоовощную продукцию в рефрижераторных контейнерах, с возможностью регулирования температуры и влажности [5]. Такой способ перевозки приводит к удорожанию продукции и трудно осуществим в связи с тем, что парк большинства южных республик СНГ не располагает рефрижераторными контейнерами. Закупка рефрижераторных контейнеров требует больших денежных вложений. Применение контейнеров дает возможность доставлять продукцию с поля до потребителя, что намного улучшает качественные показатели продукта за счет снижения порчи при транспортировке. Однако существующие контейнеры внутри не обеспечивают циркуляцию воздуха. В результате в солнечные дни они быстро нагреваются, что приводит к порче продукции. Для этой цели можно использовать контейнеры с приспособлением для принудительной вентиляции. Но оснащение контейнеров такими вентиляторами тоже требует значительных капитальных
вложений и времени. К данной проблеме добавляется еще и проблема доставки электрической энергии к вентиляторам.
В работе [6] описаны способы модификации контейнеров для перевозки плодоовощных продуктов. Во-первых, рассмотрена обшивка контейнеров изнутри доступным и недорогим теплозащитным материалом в целях уменьшения перегрева воздуха внутри контейнера. Во-вторых, внедрена идея использовать поток воздуха, обтекающий контейнер, для создания циркуляции воздуха внутри контейнера. Для этой цели разработаны люки, вырезанные полоской по ширине на верхней и нижней частях контейнера. Они должны открываться на определенный угол, как показано на рис. 1. Идея данного простого приспособления заключается в том, что при движении контейнера происходит обтекание люков потоком воздуха. При таком движении воздуха на выходе из верхнего люка образуется разрежение воздуха, а на входе в нижний люк -избыточное давление. Следовательно, поток воздуха входит в контейнер через нижний люк и выходит через верхний.
На рис. 1 направление потока показано стрелками. Таким образом, предлагаемое приспособление играет роль вентилятора, способствующего циркуляции воздуха по всему объему контейнера. Циркуляция воздуха приводит к снижению температуры внутри контейнера. Особенно это нужно, как было сказано выше, в солнечные дни, когда за счет солнечной радиации температура внутри контейнера мо-
жет существенно увеличиться. Однако для достижения описанного эффекта циркуляции воздуха внутри контейнера нужно изучать аэродинамику обтекания люка воздухом. В работе [6] для изучения процесса инжекции в верхнем люке использована однопараметри-ческая модель турбулентности Прандтля [7]. Данный аэродинамический эффект является сложным, так как он связан с турбулентностью потока. Как видно из рис. 1, поток воздуха имеет двумерный характер. Следовательно, в аэродинамических уравнениях удобно применять полярную систему координат. Данную систему уравнений невозможно решить аналитическим путем. Поэтому исследование проведено численным путем с помощью метода «установления», суть которого заключается в том, что стационарное решение есть решение нестационарной задачи при t ^ <х>. Для этой цели в уравнении неразрывности введена так называемая «искусственная» сжимаемость потока и записаны нестационарные уравнения Навье-Стокса.
Таким образом, полученное решение при больших значениях времени и будет стационарным. Для численного решения системы в работе применена явная конечно-разностная схема Мак-Кормака [7]. Она является двух-шаговой и имеет точность второго порядка. При решении данной задачи на твердых границах ставились условия прилипания, т. е. скорость потока на поверхностях контейнера и люка равна скорости контейнера, а на достаточно большом удалении от них равна нулю.
/777/77777777777777777777777777777777777 Рис. 1. Картина циркуляции воздуха внутри контейнера
На выходе из люка радиальная скорость потока приравнивалась скорости контейнера. Что касается давления, на бесконечности оно приравнивалось давлению окружающей среды. Давление внутри контейнера также было принято равным атмосферному.
На рис. 2 приведен результат численного решения системы для угла люка 45° (а) и 60° (б). На нем показана картина течения потока воздуха при движении люка слева направо. Видно, что открытый люк перед собой толкает, а за собой влечет поток воздуха, и возникает вихревой поток.
Эта модель дает хорошие результаты, например, для основного участка свободной струи, где решение имеет автомодельный характер. Но для поставленной задачи при использовании данной модели возможно получить только качественную картину. Для построения более точных результатов расчета необходимо использовать современные модели турбулентности. К таким методам относятся прямое численное моделирование (Direct Numerical Simulation (DNS)) и метод моделирования крупных вихрей (Large Eddy Simulation (LES)). Но они очень трудоемкие. Поэтому при решении поставленной задачи аэродинамики применены полуэмпирические методы. В основе всех полуэмпирических моделей турбулентности лежит уравнение Рейнольдса [8, 9]. Однако в нем остаются неизвестными так называемые рейнольдовы напряжения, и полученная система уравнений является незам-
а
Рис. 2. Картина течения потока воздуха
кнутой. Для ее замыкания предложено большое количество различных математических моделей, основанных на гипотезах Буссинеска, Прандтля, Кармана, Колмогорова и т. д. Проведя их анализ, можно утверждать, что современными и широко используемыми являются модели Спаларта и Аллмараса [10], модель Ментера [11, 12]. С помощью этих моделей получены численные решения для широкого спектра аэродинамических задач. Тем не менее проблему замыкания уравнений Рейнольдса нельзя считать завершенной, потому что во многих случаях требуется введение дополнительных, имеющих только приближенный характер, допущений. Особенно это относится при расчетах закрученных турбулентных потоков или течений при обтекании тел с большой кривизной. Последнее объясняется тем, что практически все существующие модели турбулентности основаны на теории переноса, где не учитываются факторы сил инерции. Потому при исследовании обтекания люка можно ожидать, что полученные результаты такими существующими моделями будут неадекватно описывать реальное течение. Таким образом, обтекание кромки люка относится к течениям с большой кривизной.
В последнее время появилась работа [13], в которой дана новая математическая модель турбулентности. Она основана не на замыкании уравнения Рейнольдса, а на динамике двух жидкостей. То есть идея работы заключается в том, что турбулентный поток представляется
б
—I f ' I
г - ^
У ✓ А \
' lit 4 А 1 V
открытого люка для угла 45° (а) и 60° (б)
Ap/pF:
0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
1 Угол, град.
0 10 20 30 40 50 60 Рис. 3. Изменение давления разрежения в зависимости от угла люка
как движение двух жидкостей с различными скоростями, так называемых молей. Так как эта модель построена на основе динамики, она хорошо описывает вращающиеся потоки и была использована для исследования поставленной задачи, которая состоит из двух частей: первая - обтекание люка внешним потоком, вторая - течение потока внутри контейнера. Для описания первой задачи удобной является полярная система координат. Для решения второй - течения потока внутри контейнера, в которой воздух проходит между грузовыми местами, для математического моделирования примем закон Дарси.
Таким образом, стыкуя две задачи, возможно решить поставленную проблему.
Для численного изучения система уравнений гидродинамики приведена к безразмерному виду. Для этого все скорости отнесены к скорости движения контейнера (У0), размеры -к ширине люка, а давление - к величине р ¥02. Безразмерный коэффициент принят равным к = 0,05. Численная реализация системы уравнений основана на явной конечно-разностной схеме Мак-Кормака [14]. Стационарное решение было достигнуто методом установления. Для решения уравнений использовался метод итераций верхней релаксации [15], который применялся на каждом временном шаге схемы Мак-Кормака.
На рис. 2, б приведен результат численного решения поставленной задачи для угла люка 60°. На нем показана картина течения потока воздуха при движении контейнера. Видно, что открытый люк за счет инжекции высасывает воздух из контейнера. Обратная картина возникает в нижнем люке. Здесь, наоборот, внешний воздух нагнетается внутри контейнера. Таким образом, внешний воздух входит через нижний люк и выходит через верхний.
Для исследования наиболее эффективной работы люка численным путем был произведен расчет разрежения потока при его различных углах наклона. На рис. 3 приведен график зависимости безразмерного значения разрежения давления от значений угла люка. Из него видно, что при открытии люка под углом от 0 до 26° по возрастающей увеличивается эффект инжекции потока. Однако при открытии люка под углом от 26 до 30° достигается максимальный эффект. Для максимального эффекта циркуляции воздуха внутри контейнера рекомендуется открытие люка контейнера под углом 30°.
Таким образом, установлено, что в результате небольших конструктивных решений можно организовать циркуляцию воздуха внутри контейнера. Данное решение позволит транспортировать скоропортящиеся сельскохозяйственные продукты в модифициро-
ванных контейнерах и увеличит экспортный потенциал Республики Узбекистан. Вместе с тем необходимо учитывать требования и принимать меры по сокращению стоянок поезда на станциях до минимума.
Библиографический список
1. Постановление Президента Республики Узбекистан от 15.09.2017 г. № ПП-3281 «О мерах по рациональному размещению сельскохозяйственных культур и прогнозных объемах производства сельскохозяйственной продукции в 2018 году».
2. Статистические данные АО «Узбекистан те-мир йуллари» за последние 5 лет. - URL : uzrailway. uz (дата обращения : 10.09.2017).
3. Дзюба И. С. Перевозка скоропортящихся грузов / И. С. Дзюба. - Гомель : БелГУТ, 1999. - 22 с.
4. Rahimov R. V. Development of improved technical means for transportation fruits and vegetables / R. V. Rahimov, Z. X. Rakhmatov, M.A. Xadjimuxame-tova // European Science Review. - Vienna. - 2016. -N 1-2. - Р. 175-177.
5. Ибрагимов Н. Н. Совершенствование комплексной системы обеспечения сохранности свежих плодоовощей при транспортировке / Н. Н. Ибрагимов, У Н. Ибрагимов, М. А. Хаджимухаметова // Труды XVI Междунар. науч.-практич. конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Анализ и прогнозирование систем управления в промышленности и на транспорте». - СПб. : ПГУПС, 2015. -С. 191-199.
6. Маликов З. М. Способы модификации простых контейнеров для перевозки скоропортящихся продуктов / З. М. Маликов, М. А. Хаджимухамето-ва // Проблемы механики. - 2017. - № 1. - С. 58.
7. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй / Г. Н. Абрамович. - М. : ЭКОЛИТ, 2011. - 720 с.
8. Гарбарук А. В. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений : учеб. пособие / А. В. Гарбарук, М. Х. Стрелец, М. Л. Шур. -СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2012. - 88 с.
9. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа / Л. Г. Лойцянский. - М. : Дрофа, 2003. - 840 с.
10. Spalart P. R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows / P. R. Spalart, S. R. Allmaras // AIAA. - 1992. - P. 439.
11. Menter F. R. Zonal two-equation k-w turbulence models for aerodynamic flows / F. R. Menter // AIAA. -1993. - Р. 2906.
12. Menter F. R. TenYears of Industrial Experience with the SST Turbulence Model / F. R. Menter, M. Kuntz, R. Langtry // Turbulence, Heat and Mass Transfer 4 : Proceedings of the Fourth Intern. Symposium of Turbulence, Heat and Mass Transfer ; eds by K. Hanjalic, Y. Nagano, M. Tummers. - Antalia, Turkey, 2003. - 12-17 October. - Р. 625-632.
13. Маликов З. М. Двухжидкостная математическая модель турбулентного потока / З. М. Маликов // Междунар. науч.-технич. конференция по проблемам «Прочность конструкций и сейсмоди-намика зданий и сооружений». - Ташкент : Ин-т сейсмостойкости сооружений АН РУз, 2016. -С.145-149.
14. Anderson D. Computational fluid mechanics and heat transfer : in 2 vol. / D. Anderson, J. Tannehill, R. Pletcher. - M. : Mir, 1990. - Vol. 1. - 774 р.
15. Patankar S. Numerical heat transfer and fluid flow / S. Patankar. - New York : Hemiphere Publishing Corporation, 1980. - 195 р.
References
1. Postanovlenie prezidenta respubliki Uzbekistan ot 15.09.2017 g. no. ПП-3281 "O merakhpo ratsion-alnomu razmeshcheniyu selskokhozyaistvennoi produk-tsii v 2018 godu" [Resolution of Uzbekistan republic president of15.09.2017g. no. ПП-3281 "On measures for rational agricultural products stowage and prognostic volume of agricultural production in 2018"] (In Russian)
2. Statisticheskie dannye AO "Uzbekistan temir iy-ullari" za poslednie 5 let [Statistical data of "Uzbekistan railways", Joint stock Company for the last five years]. URL: uzrailway.uz (accessed: 10.09.2017) (In Russian)
3. Dzyuba I. S. Perevozka skoroportyashchikhsya gruzov [Transportation of perishable cargo]. Gomel, BelGUT Publ., 1999, 22 p. (In Russian)
4. Rakhimov R. V., Rakhmatov Z. X. & Khad-jimukhametova M.A. Development of improved technical means for transportation of fruits and vegetables. European Science Review. Vienna, 2016, no. 1-2, pp.175-177.
5. Ibragimov N. N., Ibragimov U. N. & Khad-jimukhametova M. A. Sovershenstvovanie kompleksnoi sistemy obespecheniya sokhrannosti svezhikh plodo-ovoshchei pri transportirovke [Improving a complex system of safekeeping fresh fruits and vegetables in transportation]. Proceedings of XVI International scientific-practical conference of young scientists, students and postgraduates "Analysis and prognosis of management systems in industry and transport ". Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2015, pp. 191-199. (In Russian)
6. Malikov Z. M. & Khadjimukhametova M.A. Spo-soby modifikatsii prostykh konteinerov dlya perevozki skoroportyashchikhsya produktov [Modification techniques of simple containers for perishable products transportation]. Problems of mechanics, 2017, no. 1, 2017, p. 58 (In Russian)
7. Abramovich G. N. Teoriya turbulentnykh strui [Theory of turbulent jets]. Moscow, EKOLIT Publ., 2011, 720 p. (In Russian)
8. Garbaruk A. V., Strelets M. Kh. & Shur M. L. Modelirovanie turbulentnosti v raschetakh slozhnykh techenii [Modelling turbulence in calculations of complicated currents]. Saint Petersburg, Peter the Great Polytechnic University Publ., 2012, 88 p. (In Russian)
9. Loitsyansky L. G. Mekhanika zhidkosti i gaza [Mechanics of fluid and gas]. Moscow, Drofa Publ., 2003, 840 p. (In Russian)
10. Spalart P. R. & Allmaras S. R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows. USA, AIAA Publ., 1992, 439 p.
11. Menter F. R. Zonal two-equation k-m turbulence models for aerodynamic flows. USA, AIAA Publ., 1993, 2906 p.
12. Menter F. R., Kuntz M. & Langtry R. Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model. Turbulence, Heat and Mass Transfer 4. Proceedings of the Fourth Intern. Symposium of Turbulence, Heat and Mass Transfer. Eds by K. Hanjalic, Y. Nagano, M. Tummers. Antalia, Turkey, 2003, 12-17 October, pp. 625-632.
13. Malikov Z. M. Dvukhzhidkostnaya matema-ticheskaya model turbulentnogo potoka [Two-fluid mathematical model of turbulent flow]. International scientific-technical conference in problems "Construction strength and seismodynamics of buildings and structures ". Tashkent, Construction seismic resistance institute AS PYz Publ., 2016, pp. 145-149. (In Russian)
14. Anderson D., Tannehill J. & Pletcher R. Computational fluid mechanics and heat transfer. In 2 vol. Moscow, Mir Publ., 1990, vol. 1, 774 p.
15. Patankar S. Numerical heat transfer and fluid flow. New York, Hemiphere Publishing Corporation Publ., 1980, 195 p.
КОРОВЯКОВСКИЙ Евгений Константинович - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, проректор, logist@pgups.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I); *ХАДЖИМУХАМЕТОВА Матлуба Адиловна - канд. техн. наук, доцент, matluba_78@mail.ru (Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта).
