集装箱运输环境与其内部温度场耦合关系研究综述

Review of Coupling Relationship between Container Transportation Environment and Its Temperature Field

摘要

集装箱运输因标准化与统一化的优点，已成为多式联运领域的重要发展方向，而集装箱内部温度场会直接影响货物品质和运输质量。为系统梳理和深入探讨集装箱内部温度场与运输条件的耦合关系，主要从集装箱内部温度场的研究现状、理论模型、计算方法等方面对国内外相关研究进行综述。结果表明：不同运输条件下的内部温度场研究涉及到不同学科交叉，研究内容从箱内温度变化探究，发展到集装箱的机械设计和保温材料发明；研究方法从单一的流体分析，变为复杂的辐射、对流、导热耦合研究；在理论模型计算方面，从标准湍流模型扩展到可信赖湍流模型、剪切应力模型等适合不同运输环境的模型。研究可为集装箱多式联运安全防护和运输组织提供参考。

Abstract

Container transportation, due to its advantages of standardization and uniformity, has become an important development direction in the field of multimodal transport. The internal temperature field of containers directly affects the quality of goods and the transportation quality. To systematically sort out and explore the coupling relationship between the internal temperature field of containers and transportation conditions, the research reviewed the relevant Chinese and foreign studies in terms of the current research status, theoretical models, and calculation methods of the internal temperature field of containers. The results show that studies related to the internal temperature field under different transportation conditions involve interdisciplinary research, ranging from investigating temperature changes inside the container to developing mechanical design and insulation materials for containers. The research methods have evolved from a single fluid analysis to complex studies of radiation, convection, and thermal coupling. In terms of theoretical model calculations, the standard turbulence model has been expanded to reliable turbulence models, shear stress models, and other models suitable for different transportation environments. This research can provide references for the safety protection and transportation organization of multimodal transport of containers.

Graphical abstract

关键词

集装箱运输 / 外部环境 / 温度场 / 耦合关系 / 流体模型

Key words

Container Transportation / External Environment / Temperature Field / Coupling Relationship / Fluid Model

0　引言

在多式联运发展中，集装箱多式联运具有标准化与统一化、提高运输效率、降低运输成本、增强运输安全性和便于自动化管理等多方面的优势。中国国家铁路集团有限公司2020年发布的《新时代交通强国铁路先行规划纲要》提出要大力发展铁路集装箱运输，打造快速换装转运的多式联运体系；《“十四五”现代物流发展规划》提出要大力发展集装箱公铁水联运；近年来联运集装箱运量也在不断增加^[1]，2023年完成集装箱铁水联运量1 018.36万TEU，同比增长15.9%，尤其在长距离运输和国际联运方面，随着“公转铁”“公转水”“多式联运”等政策的实施和“一带一路”建设的深入推进，我国铁路集装箱运量及国际联运集装箱运量的占比都在持续增长^[2-4]。

集装箱运输快速发展的同时，集装箱运输安全及质量问题也备受关注。由于货物运输场景多样、外部环境复杂多变^[5]、装载货物品类繁多，且集装箱在运输过程为密闭箱体，在受到外部环境的影响下，其内部温度的变化更为剧烈，从而影响到所装运货物的质量与安全^[3]。近年来，也有一些成果聚焦集装箱内部温度场问题，主要研究内容涵盖集装箱内部气流组织方式、不同运输环境下集装箱内部温度变化、集装箱内部货物的堆码方式、集装箱货物的进箱条件、冷藏集装箱的送风方式及其送风通道设计等问题。这些研究有助于提升集装箱运输效率与安全性，但目前关于运输条件对集装箱内部温度场的影响、集装箱温度场的影响因素、研究内容、理论模型等还缺乏系统的梳理和科学的分析。通过对不同运输条件下集装箱温度场的研究现状进行分析，归类总结出该领域方向的相关理论模型、研究求解方法等，理清集装箱温度场研究的发展脉络和未来发展方向。

1　基于运输条件的集装箱内部温度场研究现状分析

1.1　不同类型集装箱内部温度场研究

1.1.1　通用集装箱温度场

在集装箱货运中，通用集装箱是主要使用的箱型，针对通用集装箱在运输过程中的密闭性特点，箱内的温度场变化是由复杂无序的空间流体运动所导致的，这些机制不仅关乎集装箱内外环境的热交换，还涉及集装箱内部不同区域之间的热量传递与分布，以及货物本身对热量的吸收、释放和储存能力。Shen等^[4]对中欧贸易交流下产生的多余通用集装箱进行循环再利用，通过分析集装箱钢质特点与箱内空气流动特性，对壁面融合了真空绝热板，将其设计成热舒适性良好的集装箱建筑房屋；Lin等^[6]通过分析集装箱内部气流组织以及温度场分布，基于数值计算得出了集装箱内部的温度变化以及三维空间数值变化，构建集装箱内部最优的气流组织方案。

1.1.2　冷藏集装箱温度场

冷藏集装箱在全球食品供应链中发挥着至关重要的作用^[7]，规范的冷链运输环节需维持恒定的低温环境^[8-9]，这不仅要求技术上的精准控制，更需对冷藏箱内气流组织有精准调控。当前对于冷藏集装箱的研究包含送风速度、风道设计及货物堆码等多个维度。冷藏箱内气流组织相较通用集装箱更为复杂^[10]，何远新等^[3]通过仿真模拟得出，40 ft铁路冷藏集装箱采用9.5 m的回风通道，箱内温度分布更为均匀；田津津等^[11-12]研究得出冷藏集装箱制冷风箱的风速为5 m/s时，最利于箱内整体温度均衡；Li等^[13]通过对冷藏集装箱的通风风道设计优化，得出送风速度达12 m/s时箱内温度较为均匀。此外，Budiyanto等^[14]研究得出货物的堆码间隙会影响集装箱内部和外表面温度，产生明显的热分层。

1.1.3　危险货物集装箱温度场

针对危险货物集装箱的研究，主要围绕其货物特性所需的特定运输条件展开，深入分析货物性质、环境条件以及集装箱本身的物理特性(如绝热性能、支撑结构等)。何远新等^[15]探究液化天然气(LNG)罐式集装箱的静态蒸发率，通过精密的计算与实验验证，得出其蒸发率控制在0.12%/d的关键数据；这一成果揭示了绝热性能与支撑结构对蒸发率的重要影响；王春生等^[16]基于仿真与试验相结合的方式，得出夏季干燥地区的危险货物集装箱箱内温度不超过60 ℃。

1.1.4　含储能系统的集装箱温度场

随着绿色能源的开发应用，锂电池能源逐渐投入大众生活，但目前存在电力消耗过大，导致电力系统供需不平衡的问题，目前投入使用的储能集装箱，将发电系统集合在集装箱内，作为电力系统的补充^[17]。朱信龙等^[17]梳理储能集装箱内部的锂电池运作导致外部环境或自身条件变化的相关研究，在均衡储能集装箱的温度场的研究方面，箱内的导流板是控制箱内温度场均衡的重要部件，张爽等^[18-20]基于锂电池的热管理方式，分析导流板的控温效果并对导流板进行优化设计。

1.2　不同装载状态的集装箱装载研究

1.2.1　空箱状态下的温度场

由于货物及其包装具有热学性质，因此在相同环境条件下，空箱状态、满载状态以及不同的装载条件下的温度变化存在差异。对于空箱状态下的温度场研究，往往是为了和装载运输工况进行对比，结合空箱的温度场分布状况，可以提前对箱内货物堆码方案、箱内气流组织方式进行设计。何远新等^[3]通过仿真和试验空箱的温度场，仿真得出空箱温度场变化与实际运输状况下的箱内温度场变化差距较小，最大差值在0.8 °C以内；田津津等^[11]对比分析空箱状态与载货状态下不同气流组织方式对温度场的影响。

1.2.2　重箱状态下的温度场

集装箱所装货物品类不同，货物的吸热与散热条件存在差异；装载高度和宽度，以及货物的堆码方式也都会影响箱内空气的温度。在货物特性研究方面，何远新等^[3]分析马铃薯的呼吸介质特性，为铁路冷藏集装箱运输鲜活货物时，内部的冷风风道布置提供了方案设计；杨露萍^[21]研究了易燃货物粕饼使用集装箱运输时的入箱条件，并提出控油、控温等优化措施。此外，货物的堆码方式也会影响到集装箱内部的温度场变化。货物的堆码方式通常为一体式堆码、二体式堆码、四体式堆码，而货物堆码的间隙需要适当，保证箱内流体的均衡；田津津等^[22-24]研究得出四体式堆码最适合冷藏集装箱的运输组织；李夏苗等^[25]运用递阶启发式算法求解出如何将易腐货物在箱内紧密装载，可以更有效地利用空间，同时保障货物运输的安全性。

不同的堆码方式对箱内温度场的影响需结合外界环境条件、货物热特性、运输需求来进行分析，从目前研究现状来看，均匀箱内温度场需要加大货物间隙，保证箱内气流的流通。

1.2.3　箱内有包装或隔热材料的温度场

（1）货物及其包装同样也作为温度载荷影响着集装箱内部的温度场，研究环-车-货耦合关系是求解运输过程温度场的关键因素，三者相互作用、相互影响，通过结合不同货物的热特性及其包装材质并结合运输环境，有效分析货物运输所需温度场范围，来确定运输包装及装载优化。在货物包装材料的研究中，对于需要冷藏运输的货物，如疫苗、药物等，聚乙烯泡沫(XPS)材料的节能和保温性能可以有效满足冷藏货物所需的温度、制冷效果、含氧浓度等条件^[26-27]。

（2）集装箱隔热材料的换热和吸热能力不同，箱内整体温度场的分布会产生差异。选用的集装箱内置隔热材料也是运输过程中保证集装箱温度均衡性的关键环节。目前有两类保温隔热材料成为了研究热点，分别为真空隔热材料和相变材料(PCM)。针对真空隔热材料的保温隔热温度场，郭志鹏等^[28]采用仿真与实验结合模式，得出真空隔热板比聚氨酯普通隔热材料的隔热效果更优。针对PCM的研究，Laguerre等^[29]对PCM在物流中的隔热效果进行分析；近年来，PCM的工程造价低，能够有效提高集装箱壁面结构热工性能，并通过储存释放箱内能量，可以起到均衡集装箱内温度的效果^[30-31]，成为了研究热点；Zhou等^[32]研发出控温功能更佳的新型PCM，PCM的隔热冷却性能^[33]十分适用于冷链运输^[34-35]与锂电池运输^[36]。此外，货物质量与包装材料的性能息息相关，因此从热力学角度对货物包装进行选择和研发也是运输安全研究的重点之一。

1.3　不同运输环境的分析

1.3.1　高原条件下的集装箱温度场

高原环境下气候因素更为复杂，对箱内温度场的影响也与平原不同，白天高强度的太阳辐射会导致建筑的局部高温^[37-38]。薛飞等^[39]研究在高原高寒环境条件下，利用辐射-对流的耦合传热模型来分析烤箱内部的温度场分布；田润良等^[40]以格尔木地区为试验研究环境，对夏季大气温度、太阳辐射、风速进行测试，通过回归方程得出了大气温度是影响箱内温度场特征的主要因素，太阳辐射次之。基于高原环境的辐射-对流耦合分析，可以将环境施加于车辆的温度载荷表示出来，用以解决集装箱高原运输环境需求。

1.3.2　平原条件下的集装箱温度场

在温度场方面，江志墨^[41]参考广州市8月平均温度作为研究条件，分析集装箱运输的动力锂电池货物在炎热潮湿环境下的温度场变化及其包装防护措施；在环境辐射方面，Marino等^[42]计算建筑表面受到太阳辐射影响导致的表面升温，试验在阿根廷布宜诺斯艾利斯市展开，该地区地处潘帕斯平原，研究显示等效太阳对流温度更接近实际试验中的外表面温度，与建筑内表面温度还有一定差异。现有研究表明，平原环境下集装箱温度场受大气温度影响最大，且平原地区湿度大、气温高，对干货品类的运输要做好除湿防护措施，并对集装箱顶壁做好保温隔热防护方案。

由上述分析可知，高原环境下和平原环境下的集装箱温度场分布，其箱体顶壁最易受环境影响，高原环境下容易受到太阳辐射的影响，引起局部升温；平原环境下由于高气温和湿度大等原因，箱顶也会产生局部高温。

1.4　不同运输方式的分析

1.4.1　陆路运输

我国货运场景复杂，途经区段自然环境多变，装载货物品类多^[43]。结合公路、铁路、水路3种运输方式的集装箱运输温度场研究方向，其研究侧重点都偏向于载运工具的温度载荷变形以及箱内温度场均匀性分布。

铁路集装箱温度场研究方面，较为常见的火灾事故是受到外界高温、干燥气候条件影响，导致集装箱内部与托盘、货物等发生摩擦，内部温度达到可燃物燃点^[44]，引发火灾等事故。王春生等^[16，40]基于集装箱运输仓储的环境条件，分析铁路集装箱内部温度场受到环境影响时的温度场变化，研究货物进箱、装载等需注意的条件。

公路集装箱温度场研究方面，基于公路运输时限较长的特性，陆定宇等^[45]设计蓄冷式多温区冷藏车厢，保障果蔬公路冷藏物流的质量；肖颖等^[46]针对冻肉运输设计充冷式冷板冷藏车厢，可在运输过程中持续充冷，克服了公路运输时效长会影响冷冻货物质量的缺点。

1.4.2　水路运输

针对水路运输集装箱，既有研究从货舱仓储、船体运输等方面分析集装箱的受热过程及其温度场分布。Kan等^[47]从货舱仓储角度，分析当运输途中海运冷藏集装箱的内部送风设施产生故障时，箱内温度场的均匀性以及运输货物温度变化；李长玉等^[48]设计适用于船用冷藏集装箱的最佳冷却模式；张晓红等^[49]基于货舱内存储运输高箱标箱混装的温度场特性，提出风管均流设计方案，该方案满足了冷藏集装箱所需的送风量和环境温度要求。货船温度场研究方面，杜金纬^[50]基于传热学理论和HOTTEL日照辐射模型，研究不同因素对大型邮轮船体温度变形的影响。

2　集装箱内部温度场理论模型

2.1　流体模型

集装箱与环境换热模型简图如图1所示，集装箱在运输过程会受到太阳辐射、大气温度、货物换热特性的影响，可以从流体模型、太阳辐射模型等理论模型层面，来阐释箱体与太阳的辐射换热、箱体与空气的对流换热以及箱体与货物的对流换热等。

相关研究中较为普适的流体模型为标准湍流模型(以下简称“k-ε模型”)，Smale等^[51]分析了冷藏货物运输存储研究中所采用的几种通用计算流体力学(CFD)模型，得出了标准k-ε模型是最为稳定普遍的流体计算紊流模型。Cardinale等^[52]通过对比层流模型和标准k-ε模型得出的仿真数据，结合试验测得的温度数据，得出标准k-ε模型计算结果偏差较小，更适合集装箱内部流体计算。Kayansayan等^[53]认为紊流模型的模拟数据更接近实际数据，因为冷藏箱箱壁附近的紊流雷诺系数较低，对于密闭状态的集装箱，标准k-ε模型计算可能过大估算箱壁附近的湍流强度^[24，54]，因此可以采用壁面函数法和紊流控制方程求解温度场。相关文献的研究方式及其流体模型如表1所示，多数文献采用了仿真结合试验的研究方式，在仿真模拟计算的流体模型选择方面，根据不同的运输条件可选择的模型有标准k-ε模型、剪切应力湍流输运模型(Shear Stress Transport，SST)、可信赖湍流模型(Realizable k-ε模型)等；在能量方程选择方面，有雷诺平均方程、紊流控制方程、壁面函数法、二阶迎风离散式等。

集装箱的内部气流分布中，有紧贴箱壁的层流和湍流，而箱内运动中湍流是引起温度场变化的主要原因。杜飞等^[57]为了建立流体的自然对流换热模型，通过假设流体为不可压缩层流，流体所受浮力采用Boussinesq假设，建立流体的热流耦合模型，这种假设在现有研究中较为普适。针对高原环境-集装箱-货物的辐射-对流耦合关系，可通过耦合纳维尔-斯托克斯方程(动量守恒)与对流-扩散方程(能量守恒)来完成对换热及对流过程的描述^[57]；该耦合关系有多个换热边界，且昼夜温差大，环境多变，因此采用较为成熟的标准k-ε模型来计算。

2.2　太阳辐射模型

大部分研究假设过程中均忽略了外界热辐射对集装箱箱体的影响，但集装箱这类钢质结构当受到环境温度、日照辐射、装载货物状态等温度载荷作用时，其温度场会产生变化，引发货物安全问题^[50]。将标准k-ε模型结合辐射模型，可以实现箱内流场和温度场的耦合模拟分析^[19]，薛飞等^[39]考虑了辐射-对流的耦合关系模型，该模型在能量守恒的基础上，将源项分成辐射热源项和其他源项，采用了表面热辐射(Surface to Surface，S2S)模型，模拟出了工作中的烤箱内部温度场特征；田润良等^[40]综合考虑格尔木高原温度和太阳辐射对箱内温度场变化模型，并分析计算了不同参数的相关系数；杜金纬^[50]基于HOTTEL日照辐射模型提出了船体日照温度变形快速预报办法。三维直角坐标系及微元体能量做功示意图如图2所示，对三维稳态的湍流强制对流传热问题的数学描述可以借助图2进行说明，图2是x，y，z三维直角坐标系，其中集装箱微元体的三个坐标方向为dx，dy，dz，其微元体做功为U，其速度分量分别用u，v，w表示。

在集装箱运输过程中，辐射、对流、换热是并存的关系，张彪^[58]考虑到微元体中流动动量的增加率等于作用在微元体上各种力之和，并引入Newton-Stokes表达式，结合能量守恒方程，将源项分成辐射热源项和其他源项，即得对流-辐射换热方程，如公式⑴所示。

\frac{\partial \left(\rho T\right)}{\partial t}+div\left(PUT\right)=div\left(\frac{\lambda }{c_{\mathrm{p}}}gradT\right)-Q_{\mathrm{e}}^{\mathrm{T}}+S_{nr}⑴

式中：ρ为空气平均密度，kg/m³；T为温度，℃；PUT为换热过程中，集装箱换热壁对箱内流体做的功，J/m³；λ为流体导热系数；c_p为比热容，J/(kg·℃)；S_nr 为太阳辐射以外的其他因素(如货物的化学反应、黏性耗散等)引起的能量变化，W/m²；Q_e^T为由辐射引起的内能变化，W/m²。

集装箱的钢质结构，容易受到温度载荷的影响产生升温。太阳辐射模型仅计算了太阳辐射量及其辐射角度以及各个方向的辐射量，需要进行表面折射温度的计算。Marino等^[42]计算室外建筑受太阳辐射后的折射温度，适合计算高原环境下集装箱外箱壁以及地面受太阳辐射的折射温度公式如公式⑵—⑷所示，可以计算出长时间内建筑受到太阳持续性照射后的建筑辐射温度。

q_e\left(t\right)=\frac{\mathrm{1}}{R_{se}}\left[T_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}-\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{r}}\left(t\right)-T_{se}\left(t\right)\right]⑵

T_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}-\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{r}}=T_e+\frac{\alpha I_t}{h_e}⑶

R_{se}^{-\mathrm{1}}=h_e⑷

式中：q_e 为集装箱外侧壁的换热流量，W/m²；R_se 为集装箱外表面热阻，一般夏季取22.7，冬季取34.0，m²·℃/W；h_e 为集装箱壁面传热系数，W/m²·℃；T_e 为外部环境温度，℃；T_sol-air为太阳等效温度，℃；T_se 为集装箱外侧壁边界外表面温度，℃；α为建筑辐射吸收系数；I_t 为太阳总辐射量，W/m²。

2.3　货物运输中的传热模型

2.3.1　冷藏箱-鲜活货物多孔介质模型

果蔬类的鲜活货物含水率高、易腐烂，对运输要求高^[59]。鲜活货物一般为吸收介质类，一定程度影响了箱内温度场的均匀性。何远新等^[3]计算鲜活货物马铃薯的呼吸热量和多孔介质的阻力，假设空气与多孔介质之间为局部热平衡，并在能量方程中加入了呼吸热和介质阻力的附加源项。刘亚姣等^[60]应用的通用控制紊流模型方程，引入多孔介质模型如公式⑸，有效综合了鲜活货物特性来分析果蔬集装箱内部的温度场。这类多孔介质模型适合计算几何形状规则的鲜活货物的温度场^[61]。

S_i=-\left({\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^{\mathrm{3}}}{D}_{ij}\mu {\nu }_j+{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^{\mathrm{3}}}{C}_{ij}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{\rho }_{\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{r}}\left|\nu \right|{\nu }_j\right)⑸

式中：S_i 为i方向的多孔介质货物动量原项，S_i 结果可加入箱体内货物的附加能量项；D_ij 为货物黏性阻力系数；C为惯性阻力系数；μ为流体动力黏度，Pa·s；|v|为空气流速，m/s；v_j 为j方向的空气流速，m/s。

2.3.2　货物集装箱传热系数模型

在运输过程中，除了鲜活货物的呼吸换热，还需考虑集装箱的传热系数模型。一般情况下，热流通常分为强制对流换热和自然对流换热^[62]，而运输过程的集装箱一般为自然对流换热，其中固体中的流体运动是由于温度梯度变化引起的浮力差异控制，其对流换热系数初始计算处理，是研究换热的问题关键^[63]。对于集装箱的钢质结构，结构厚度的传热系数是影响温度场的重要参数^[64]。Brestovič等^[55]采用了傅里叶-基尔霍夫微分方程计算固体材料的传热系数，计算公式如公式⑹所示。该方程是进行有限元分析时，处理研究材料的边界初始热问题的有效方程^[65]。

-k\frac{\partial T}{\partial n}\left|{}_w\right.=h\times \left(T_{\mathrm{W}}-T_{\mathrm{C}}\right)⑹

式中：k为集装箱固体材料的导热系数，W/m²·℃；n为法线方向到边界表面的距离，m；h为传热系数，W/m²·℃；T_W为集装箱壁面的温度，℃；T_C为流体温度，℃。

3　集装箱内部温度场的计算方法

3.1　计算预处理

通过分析表1所示的研究方式及流体模型的归类发现，现有文献大部分都采用仿真结合试验的研究方式，采用仿真模拟的研究时，在进行内部温度场求解计算前，最重要的便是温度场边界条件的确立，即集装箱壁面的受辐射面以及不同壁面的初始温度与传热系数值。不同结构材料的相关热流参数具有差异性，在求解过程需要注意材料的属性，以及该种材料相关热流参数在不同环境下的变化规律。郭志鹏等^[66]针对集装箱各侧箱壁的换热系数，基于其厚度差以及对太阳的辐射能量吸收的不同，计算各侧箱壁的热传导、热对流、热辐射能力的差异。计算流体力学求解过程如图3所示。

3.2　基于微分形式的有限容积法离散求解

目前大部分研究都是利用有限体积法来求解温度场分布，Whiting等^[67]发现有限元方法在计算流体力学领域中的求解占比越来越大，并采用稳定化的有限元分析求解高阶Navier-Stokes模型。有限容积法求解有介质辐射传输的问题，需要对空间进行体积离散化，使辐射换热计算转化为流体流动换热和对流换热计算^[68]。而集装箱运输过程中温度场分布问题，就是环境辐射-对流换热的耦合关系，需采用有限容积法对控制方程进行离散。对于有限容积法，每个控制体积上的数值都对应着特定的物理量，适用于温度场的数值计算^[69]。

3.3　计算结果处理

3.3.1　可视化结果处理

在仿真研究方面，需将求解计算的结果进行可视化处理，有效直观地了解温度场的变化特性。将流体速度图、温度图成像显示出来，一般可以通过ANSYS CFD后处理求解器、Tecplot来实现成像功能。CFD后处理求解器还可以通过动画图像，展示温度瞬时的变化过程。

3.3.2　试验验证

通过试验得到的实际运输过程中的温度场数据与仿真得到的温度场数据进行比较，考虑二者的误差关系，更精准高效地为运输设计优化提供有效参数。Marino等^[42]使用测温仪器配合热成像仪得出了建筑表面受辐射后的实际温度值，并与公式⑵—⑶得出的计算结果进行了离散分析，其结果较为接近，证明了该计算的可行性。试验过程不仅涉及数据的直接对比，还可以用于深入分析误差来源、量化误差程度。

3.3.3　数据分析

对于温度场相关数据的分析与处理，普适的研究方法为回归分析法；田润良等^[40]运用了SPSS线性回归方程计算出了大气温度、太阳辐射和风速与集装箱内部温度场的关联度系数；Patonai等^[56]依据传热学理论，设计出了计算量少、数值精确的基于多元线性回归方程模型(MLR)，更有利于动态运输中的集装箱传热数值计算。通过上述方式可以直观了解温度场的影响因素，并得以设计优化方案。

4　研究现状评述及展望

4.1　研究现状评述

4.1.1　考虑集装箱运输环境日趋多样

集装箱运输涉及海运、铁路、公路 3种运输方式，随着我国货运路网密度的增加，集装箱的运输环境日趋多样，集装箱的运输条件更为严苛。每种运输方式下的环境条件各不相同，如海运时的海洋性气候、铁路运输中需穿越不同气候带、公路运输中可能遭遇极端天气(如沙尘暴、暴风雪)，因此研究聚焦于如何通过技术创新与优化策略，确保集装箱内部环境的稳定与可控。大气温度是影响箱内温度变化的主要因素；同时其他环境因素也会带来一些特殊的问题，如高原地区太阳光照引起的辐射会导致箱体顶部的局部高温(夏季温度高至60 ℃)；沿海平原地区的温湿度较高，会弱化冷藏集装箱的制冷送风效果。这些环境条件的变化对集装箱内部的温湿度调控提出了更高要求，目前大部分研究指向集装箱设计的智能化与适应性提升，旨在利用先进材料与技术(如高效隔热材料、冷藏温控系统等)，有效隔绝外界极端温度影响，减少热交换，同时增强内部制冷或保温系统的能效，以应对不同气候区域及突发环境条件的考验。此外，研究还深入探索了基于货物特性的定制化运输解决方案，通过精准匹配运输方式、灵活调整集装箱内部配置及优化运输路径规划，不仅保障了货物在运输过程中的品质安全，还显著降低了损耗率，提升了整体物流效率与经济效益。

4.1.2　所针对箱型和运输方式相对单一

随着全球贸易的扩大，集装箱运输的货物种类也日益增多，从传统的工业品、农产品到高科技产品、危险品等，这不仅推动了物流行业的快速发展，也对集装箱运输的技术与服务水平提出了前所未有的挑战。目前针对专用集装箱温度场特征的探究越来越多，包括铁路冷藏集装箱的送风通道设计、海运货船的货舱气流组织研究、公路冷板车制冷设计以及铁路危险货物集装箱的货物进箱条件研究等。这些研究成果提高了单一运输方式下的运输效率与货物安全性和稳定性。但既有研究往往局限于单一的运输方式，缺乏对多种运输方式联合运输条件下，运输方式转换过程中集装箱内部温度场变化的研究。综合考量公路、铁路、水路的运输标准和运输条件，在集装箱联运方面，铁路和水路的联合运输作为多式联运的发展侧重点^[70-71]，未来需要考虑集装箱及其配套系统的兼容性与适应性，能够在不同运输方式间无缝衔接，并在运输转换过程中对箱内货物温度进行有效控制。

4.1.3　所采用模型和计算方法较为聚焦

在针对温度场的计算过程中，选择适当的流体动力学模型是确保模拟结果准确性和可靠性的关键。流体模型的选择不仅要基于其理论基础的严谨性，还需充分考虑其在实际应用中的适用范围与限制，以确保模拟结果能够真实反映复杂多变的运输场景。在高原或强日照地区，辐射对集装箱顶部及侧壁的升温效果显著，此时选择Realizable k-ε模型等能够较好处理辐射热传递的模型，该模型通过改进湍流动能及其耗散率的方程，提高了对强辐射环境下流体流动及热传递模拟的准确性。冷藏集装箱内部温度场研究需要精细捕捉温度梯度变化及空气流动细节，SST模型以其对层流-湍流转捩区域更准确的预测能力，成为冷藏集装箱内部温度场探究的首选。对于大多数常规运输环境，标准k-ε模型以其计算效率高、通用性强而广受欢迎。该模型通过求解湍流动能k及其耗散率ε的方程，能够较好地描述大多数工程问题中的湍流流动，但在处理强旋流、大曲率流动等复杂情况时可能略显不足。通过综合考虑运输环境特性、计算资源效率及模型验证与校准等因素，可以为集装箱运输的温控管理提供有效的技术支持。

4.2　研究趋势展望

4.2.1　针对长距离、跨区域运输过程整体环境变化的集装箱温度场特性分析

随着路网的不断扩展与出口货运量的激增，长距离、跨区域集装箱运输面临的环境复杂性显著增加，集装箱内部温度场特性受到外部环境条件、运输模式、装载策略及集装箱保温性能等多重因素的交织影响。这些变化不仅关系到货物的质量与安全，还影响着运输效率和成本。此外，鉴于不同运输方式(海运、陆运、空运及多式联运)对温度控制的差异化需求，如海运中的长时间海面航行会加剧货舱、集装箱内部的温度波动；陆运则受路况、车辆或集装箱性能及运输环境等多重因素制约，因此探索适应多场景的智能温控解决方案显得尤为迫切。可以利用物联网、大数据和人工智能技术，开发智能温控系统，实现集装箱内部温度的远程实时监控、预警和自动调节，提高温度控制的精准度和效率。通过科学规划货物的装载方式，如采用分层装载、设置通风道、使用隔热包装等，改善集装箱内部的空气流通和温度分布。研发新型保温材料，优化集装箱结构设计，提高密封性，减少外部环境对箱内温度的影响。

4.2.2　针对运输动态过程集装箱-货物热力耦合时集装箱温度场特性耦合分析

在动态运输过程中，通过研究集装箱及其装载货物的力学特性与箱内温度场变化之间的耦合关系，可将问题聚焦于货物在运输途中可能遭遇的振动、冲击等力学作用对货物安全的影响，再深入探究这些力学特性与集装箱内的温度分布和变化的关系。通过综合考虑力学特性和温度场变化的相互影响，能够更加全面、准确地评估和优化运输过程，确保货物在运输途中的安全与稳定。具体而言，运输过程的振动和冲击可能导致货物在集装箱内的位置移动或相互碰撞，进而引发包装破损、货物损坏甚至安全事故。这些物理变化不仅直接威胁货物安全，还可能通过改变货物与集装箱内壁或保温材料的接触状态，间接影响热传导、对流和辐射等热传递过程，从而改变箱内的温度分布。此外，温度波动还可能影响货物的保质期、化学稳定性及生物活性，特别是对于易腐食品、医药品及精密仪器等货物而言，温度控制尤为重要。因此，为了全面、准确地评估和优化运输过程，需要采用多学科交叉的方法，融合工程力学、流体力学、材料科学等多领域知识，构建先进的数学模型与仿真系统，这些工具能够精准预测不同运输条件下货物所受的力学冲击及其对温度场的综合影响，为制定科学的包装策略、优化运输路径、调整温控措施提供强有力的数据支持。

4.2.3　针对恶劣复杂运输环境下集装箱内部温度场的特征分析

我国地形条件复杂，部分铁路线路有较多长隧道与长大下坡，对于采用内燃机车牵引的集装箱货物运输而言，会因隧道内外气压变化、空气流通不畅以及下坡时的动力制动等因素，导致周围环境温度、湿度及含氧量发生显著变化。同时由于外界环境条件的急剧变化，集装箱内部可能会形成温度梯度，即不同区域温度差异明显，甚至可能引发局部过热或过冷现象；这种不均衡的温度场不仅可能加速危险货物的化学反应速率，改变其物理状态，还可能触发自燃、爆炸等极端事故，对人员、设备及环境造成不可估量的损害。因此，可以结合温度控制技术，如集成化的主动温控系统与高效的通风换气装置，实现对集装箱内部环境的精确调控，确保温湿度维持在安全稳定范围内，从而有效遏制货物性质的不稳定变化，保障运输全程的安全性。同时，加强运输人员的专业培训，提高其对复杂环境条件下货物运输安全的认识和应对能力，也是保障运输安全不可或缺的一环。

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基金资助

国家自然科学基金项目(71761025)

甘肃省联合科研基金项目(24JRRA851)

中国铁路兰州局集团有限公司科技研究开发计划课题项目(2024013-1)