基于多物理场模拟的冷藏车运输中柑橘果实温度异质性研究

为解决冷藏运输中水果温度分布不均导致品质下降的问题，研究人员采用多物理场模拟（Multiphysics Simulations）和数字孪生技术，构建了3D多孔介质模型研究冷藏车内的气流与传热动力学。研究发现包装设计和预冷不足会形成局部热点，通过整合传感器数据验证了模型准确性（误差±0.5°C），为优化冷链运输提供了关键理论工具。

　　

在生鲜食品供应链中，冷藏车运输是保障水果品质的关键环节。然而，由于预冷不充分、包装设计不合理或气流分布不均，运输过程中常出现局部温度升高，导致柑橘等易腐农产品损耗率高达13%（国际制冷学会数据）。传统温度监测仅能提供有限数据，无法揭示货舱内复杂的温度异质性机制。为此，瑞士联邦理工学院（ETH Zurich）联合行业团队在《Food Control》发表研究，通过多物理场模拟与数字孪生技术，首次实现了对满载柑橘的冷藏车温度场的精准预测。

研究团队采用三大核心技术：1）基于多孔介质方法（Porous Media Approach）构建3D计算流体力学（CFD）模型，将水果与包装简化为具有特定阻力参数的均质域；2）整合商业运输中98个传感器的实时温度数据创建数字孪生；3）采用COMSOL Multiphysics软件耦合Navier-Stokes方程与双能量方程（空气/固体相），模拟气流与瞬态传热。实验样本来自希腊至瑞士的实际柑橘运输，包含31个托盘（18个橙子/13个柠檬）的混合装载。

3.1 气流场特征
模拟显示气流速度在自由空间达0.5-1.5 m s^-1
，但在橙子与柠檬托盘交界处因通风孔错位形成低速区（0.01-0.1 m s^-1
）。通过9米长导流槽（Chute）输送的冷空气在车门端形成高效冷却区，而中部托盘因气流受阻成为热点（图4-5）。

3.2 温度分布验证
基础模拟与实验数据的对比显示：1）单元端托盘（1-2号）温度误差仅0.1°C；2）中部托盘（3-4号）因相邻未预冷托盘（初始10°C假设）的热传导，模拟温度峰值达9.4°C，与实验值9.8°C高度吻合（图8）；3）车门端托盘（5-6号）冷却更快，但忽略托盘木质底座可能导致底部温度低估1.7°C。

3.3 关键影响因素
温度调整模拟证实：1）预冷不足会使热量向单元端扩散（图9）；2）呼吸热（橙子17.8 mW kg^-1
）对温度跃升贡献有限；3）忽略浮力效应（Richardson数Ri=0.1-6）可能低估自然对流对热点消散的作用。

研究结论指出，物理模型成功揭示了包装设计（如柠檬箱双侧通风孔优于橙子箱单侧）与装载模式对温度场的决定性影响。数字孪生技术将传统监测的"黑箱"转化为可预测的动态系统，为冷链优化提供新范式。尽管存在边界条件简化等局限，该研究为减少13%的食品运输损耗提供了量化工具，未来可扩展至其他易腐农产品及混合装载场景。

（注：作者单位依据通讯作者Thijs Defraeye的ETH Zurich affiliation判断为国外；技术细节如CO₂
呼吸热计算、Darcy-Forchheimer方程等均引自原文；专业术语如k-ε湍流模型、MUMPS求解器等保留原文格式）