高速動車組客室氣流組織數值仿真分析

丁立利，何忠韜，黃 飛

（蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

高速客車氣流組織主要有速度場、溫度場、濃度場等，其中速度場和溫度場對客室氣流影響最大，也是研究客室內氣流的基礎。本文采用雙方程三維紊流模型對客車室內的氣流進行模擬，主要研究高速客車二等車廂內速度場和溫度場的分布規律，并通過UIC－533標準分析，對客車通風系統及車內氣流組織進行評估。

1 車體物理模型

本文以某高速列車二等中間動車作為數值模擬對象，車體模型如圖1所示。車體長25 000mm，車寬3 200mm，車體高3 730mm；室內布置18排座椅，定員93人，不考慮客車兩端的乘務員室、配電室和洗臉間；客室內氣密性良好，通風系統采用上送下排式。

圖1 車體模型

2 數學模型

2.1 數值模型

客車沿長度方向具有對稱性，進風口位于行李架下部，排風口在兩側墻下部，回風口位于端門上部，進、排風口采用格柵框，進風口為60cm×15cm，排風口為50cm×10cm，回風口為50cm×30cm，兩行李架間距為129.6cm，中間走廊寬度為57cm。簡化后的數學模型簡圖如圖2所示。

圖2 數學模型簡圖

2.2 控制方程及邊界條件

用數值模擬法對客室內氣流進行模擬，其步驟如下：首先根據流體的流動性質選用合適的湍流模型、離散方程并給定初始邊界條件，最后進行計算。本文選用標準的κ－ε雙方程。

（1）質量守恒方程：

其中：ρ為空氣密度，kg／m3；u、v、w分別為x、y、z方向的氣流速度；t為時間，s。

（2）動量方程，x、y、z向分別為：

（3）能量方程：

其中：cp為比熱容；T為溫度；k為流體的傳熱系數；ST為黏性耗散項。

（4）湍流控制方程：

其中：μt為湍動黏度；μi為層流動力黏度；κ為湍流脈動動能；ε為 湍 流 能 量 耗 散 項；C1ε、C2ε、C3ε為 經 驗 常數；Gκ為平均速度梯度引起的湍動能的產生項；Gb為浮力引起的湍動能的產生項；YM為可壓湍流中脈動擴張的貢獻；σκ為脈動動能的Prandtl數；σε為耗散率對應的Prandtl數；Sκ、Sε為定義的源項。

建立了控制方程之后，在對模型數值仿真之前，需要設定一系列的邊界條件作為仿真計算的初始條件。由于列車客室內空氣的流動為低速流動，流體密度變化不大，故將其看做不可壓縮流動。

設進風口為速度入口，速度為0.812 2m／s，入口溫度為16℃。為保證模擬條件下車廂內的回風量和排風量與實際設計情況下的比例保持一致，將回風口和排風口定為速度出口。回風口速度為2.23m／s，溫度為27℃；排風口速度為0.13m／s，溫度為27℃。人體產生的熱量大約為102W，考慮到乘客散發的熱量對客室內溫度的影響，計算時將人體熱負荷加載到椅子上。考慮到車廂體的熱傳導問題，設定車廂外壁的熱傳導率為1.16W／（m·K），外界溫度為35℃。所有固定壁面取無滑移邊界條件。

2.3 網格劃分

利用Gambit劃分網格，考慮到網格數量和計算時間，網格采用六面體單元，總單元數為672 258，計算時采用Simple算法，圖3為模型的整體網格劃分圖。

圖3 整體網格劃分圖

3 計算結果分析及UIC標準評測

3.1 客室內氣流的溫度和速度分布

客室內1.1m高度上氣流溫度分布如圖4所示。客室內最高溫度為293.4K，最低溫度為291.2K，平均溫度為292.7K，溫度數值變化最大幅度不超過3 K，均勻性比較好。客室內1.1m高度上氣流速度分布如圖5所示，氣流速度分布大致維持在0.06m／s～0.37m／s，符合乘客舒適度的要求。

圖4 客室內1.1m高度上氣流溫度分布

圖5 客室內1.1m高度上氣流速度分布

3.2 基于UIC標準評測客室舒適區的溫度和空氣流速

目前很多國家列車的通風系統采用UIC553－2004《客車車廂的通風、供暖和空調》和UIC553－1－2005《客車的通風、供暖和空調型式試驗》標準，用它來評估列車空調系統的性能。UIC553標準中提出的試驗規范比較詳盡，符合人體舒適度的要求，較適用于評價客室內部氣流組織性能，因此數值仿真的后處理結果也基于此標準。

按照UIC553的標準，測點取在客室內的第一排、中間排和最后一排乘客周圍，各測點的氣流溫度和速度分布情況分別見表1和表2。

表1 各測點的氣流溫度分布 K

由表1可知：第一排個別乘客頭部外的測點溫度值稍低，中間兩排乘客附近的測點值相對比較穩定，最后一排個別乘客的膝部處某些測點值的溫度稍高；從乘客舒適區的總體來看，測點值溫度基本滿足UIC553旅客區最低實際溫度和最高實際溫度之間的差異不得超過2K的標準。

由表2可知：測點速度的最小值是0.034m／s，最大值是0.339m／s，測點速度值大多數小于0.25m／s，舒適區的風速比較均勻，乘客感覺到的是微風速，因此此區域空氣比較流暢，乘客感到比較舒適，滿足UIC553標準的規定值。

表2 各測點的氣流速度分布 m／s

4 結語

我國普通客車的通風系統大多在車頂或車底的局部位置進行供風，使得風量集中，送風口位置離乘客區較遠，從而使風量損失也比較多，影響了客室內溫度和風速的均勻性。本高速動車的通風系統采用上送下排，進風口位于行李架下部，設置多個進風口，排風口在座椅下部的側墻端，每個座椅附近有一個排風口，這種送排風方式能夠最大限度地使進風均勻分布在客室內，同時及時將污濁空氣排出客室，保證了客室環境的舒適，這種方式值得在其他高速動車上推廣應用。

［1］陶文銓.數值傳熱學［M］.第2版.西安：西安交通大學出版社，2001.

［2］張曙光.CRH5型動車組［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［3］頓小紅.動車組空調系統檢修與維護［M］.成都：西南交通大學出版社，2011.

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