高速列車車內溫度場與氣流場研究

李國清，王大智，襲望，韓璐，劉斌

(中國北車集團 唐山軌道客車有限責任公司 產品技術研究中心，河北 唐山 063035)*

0 引言

高速列車的廣泛運營已成為我國在世界高速列車領域提高競爭力的重要標志.高鐵車廂舒適性成為人們關注的重點，從旅客的舒適性出發研究適合空調列車的氣流組織顯得至關重要［1］.而客室內空氣流動與傳熱規律研究是空調車室內氣流組織設計及舒適環境評價的基礎.高速列車空調系統的性能，除了與空調本身的性能及機組的大小有關外，還與整個客室的熱環境和空氣的品質有重要的關聯.為了改善旅客乘車的舒適性和提高運行的經濟性，提升空調系統能效，高速列車使用了良好的隔熱保溫材料以及密封措施.國內外一些研究者正積極開展這方面的研究工作［2-5］.

針對某高速列車車內速度、溫度場進行計算研究，包括兩個高級包間、四個普通包間、一位端和二位端電器設備等結構模型.送風邊界條件參考送風風量、湍動能系數、耗散系數以及溫度;回風口邊界條件參考回風量的大小、湍動能系數以及耗散系數.

1 計算模型的建立

1.1 數學模型

車廂內的氣體流動屬于湍流流動，比較復雜.室內氣體屬于牛頓流體，而且流動速度較低，可視為不可壓縮流體，并滿足理想氣體狀態方程;另外，認為客室氣體滿足Boussinesq假設，認為流體密度的變化僅僅對浮升力產生影響，即僅在計算浮升力時考慮流體密度的變化.

客室內氣流流動和傳熱滿足質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律，其在直角坐標系中微分形式的控制方程如下［6］:

連續性方程:

式中，u、v、w分別為流體在x、y、z三個坐標方向上的速度分量，ρ為流體的密度.

動量方程:

式中，fx、fy、fz為 x、y、z三個坐標方向上的單位質量力;p為作用在單位面積上的表面力分布函數.

能量方程:

式中，T為溫度;λ為流體導熱系數;cp為定壓比熱.

1.2 幾何模型

臥鋪車廂包括:兩個高級包間、四個普通包間、一位端以及二位端電器設備.客室內空調通風系統的送風口分別位于車廂客室頂板處、窗戶下端以及車廂內壁下端.回風口位于二位端空調的下方，廢排分別位于一位端、二位端內，如圖1所示.

圖1 臥鋪車廂的三維數學模型示意圖

1.3 網格劃分

整個車廂采用了以六面體網格為主的混合體網格，總生成的網格數為9608074.

1.4 邊界條件及其假設

臥鋪車的總送風量為4 000 m3/h，廢排風量為500 m3/h.夏季運行時，70%的總風量從車廂客室頂板均勻送出，9%的總風量從兩側車窗下端送出，21%的總風量從車廂兩側內壁下端送出;冬季運行時，30%的總風量從車廂客室頂板均勻送出，21%的總風量從兩側車窗下端送出，49%的總風量從車廂兩側內壁下端送出.

由于送風總量以及各出風口風量的大小已知，且送風均勻，即送風口處選用速度入口邊界條件，夏季運行時其送風口處干空氣的溫度取18℃，干空氣的密度取1.213 kg/m3，冬季運行時其送風口處干空氣的溫度取20℃，干空氣的密度取1.205 kg/m3;回風量一定、廢排總量一定的情況下，本文假定一位端5個廢排風量均為84 m3/h，二位端2個廢排風量均為40 m3/h.

夏季和冬季運行下的計算結果，選取的截面依次為 y=100、500、1 200、1 700 mm、z=1 000 mm(普通包間中心截面)、z=11 250 mm(高級包間中心截面);共選取了10條直線，它們為各包間的中心線、一位端走廊中心線以及二位端走廊中心線，10條直線的位置如圖2所示.

圖2 臥鋪車廂內1～10號直線分布圖

2 結果及討論

2.1 夏季運行下的計算結果與分析

夏季運行工況下，臥鋪車廂各個截面的溫度場和速度場的分析結果如圖3、圖4、表1所示.

四個包間在y∈(1.5，2)區間內溫度、速度波動劇烈，3號包間比較突出;從頂部到底部溫度呈升高趨勢，平均速度呈下降趨勢.兩個包間在y∈(1，2)區間內溫度波動劇烈，y∈(1.7，2)區間內速度波動劇烈.從頂部到底部溫度呈升高趨勢，平均速度呈下降趨勢.一、二位端走廊以及客室走廊中線的速度、溫度分布值以及曲線走勢.第7、8、10曲線的溫度在y∈(0，2)區間整體平緩，第9條曲線的溫度為先降后增;平均速度方面，第7、8、9曲線的平均速度在y∈(0，2)區間變化幅度較大且規律各不一樣，第10條曲線的平均速度大小變化微小.

表1 車廂內不同位置中心線處各點參數分布(夏季)

整個車廂的最高溫度值與最低溫度值分別為20.4℃，17.9℃，差值為 2.5℃.

由圖3可以看出，包間內上鋪的最高平均速度為1號普通包間左邊上鋪x=2.7 m處的一點，平均速度的值為0.38 m/s;溫度最大值為1號普通包間左、右邊上鋪x=1.3 m處的兩點，其溫度值均為19.45℃.

圖3 普通、高級包間內上鋪各點的參數值(夏季)

由圖4可以看出，包間內下鋪的最高風速為1號高級包間右邊下鋪x=1.3 m處的一點，平均速度的值為0.095 m/s;溫度最大值為1號普通包間右邊下鋪x=2.0 m處的一點，其溫度值都為20.005℃.

圖4 普通、高級包間內下鋪各點的參數值(夏季)

2.2 冬季運行下的計算結果與分析

冬季運行工況下，臥鋪車廂各個截面的溫度場和速度場分析結果如圖5、圖6、表2所示.

四個包間在y∈(1.7，2)區間內溫度、平均速度波動劇烈;從頂部到底部溫度呈下降趨勢，平均速度呈下降趨勢;兩個包間在y∈(1.6，2)區間內溫度波動劇烈，y∈(1.7，2)區間內速度波動劇烈;一、二位端走廊以及客室走廊中線的溫度、平均速度分布值以及曲線走勢.四條曲線在y∈(0，2)區間內溫度值變化微小，第8、第10曲線上的平均速度值變化微小，第7、第9曲線上的平均速度變化幅度小.從頂部到底部溫度基本沒變.

整個車廂的最高溫度值與最低溫度值分別為22.6、19.9℃，差值為2.7℃.

表2 車廂內不同位置中心線處各點參數分布(冬季)

由圖5可以看出，包間內下鋪的最高風速為1號普通包間右邊下鋪x=1.3 m處的一點，平均速度的值為0.028 m/s;溫度最大值為1號普通包間左邊下鋪x=2.0 m處的一點，其溫度值均為20.25℃.

圖5 普通、高級包間內下鋪各點的參數值(冬季)

由圖6可以看出，包間內上鋪的最高風速為1號高級包間右邊上鋪x=2.0 m處的一點，平均速度的值為0.017 m/s;溫度最大值為1號高級包間右邊上鋪x=2.7 m處的一點，其溫度值均為20.2℃.

圖6 普通、高級包間內上鋪各點的參數值(冬季)

2.3 改進方案

從模擬結果可知，夏季、冬季運行時空調系統普遍存在一個問題:一位端處廢排風量小，空氣流動性較差.改進方案為，修改二位端的廢排量為零，500 m3/h的全部廢排量從一位端的5個廢排口排出，其中一位端機柜附近的廢排風量為220 m3/h，其余四個廢排風量均為70 m3/h.夏季、冬季各送風口風量優化值如下:

夏季送風工況:在送風溫度不變，總風量4 000 m3/h，總廢排風量500 m3/h一定的前提下，客室頂板送風量為2600 m3/h(即總風量的65%，比先前減少了200 m3/h);走廊側各個車窗的總送風量為480 m3/h，走廊側各個車壁下端的總送風量為320 m3/h;一位端車窗以及一位端車壁下端的送風量為200 m3/h;包間內各個車窗的總送風量為240 m3/h，包間內各個車壁下端的總送風量為160 m3/h.計算結果如表3所示.

表3 車廂內不同位置中心線處各點優化后參數分布(夏季)

冬季送風工況:在送風溫度不變，總風量4 000 m3/h，總廢排風量500 m3/h一定的前提下，客室頂板送風量為1 600 m3/h(即總風量的40%，比先前增加了400 m3/h);走廊側各個車窗的總送風量為360 m3/h，走廊側各個車壁下端的總送風量為740 m3/h;一位端車窗以及一位端車壁下端的送風量為200 m3/h;包間內各個車窗的總送風量為360 m3/h，包間內各個車壁下端的總送風量為740 m3/h.計算結果如表4所示.

表4 車廂內不同位置中心線處各點優化后參數分布(冬季)

3 結論

對高速鐵路空調客車的送風以及車內溫度場、氣流場進行數值仿真研究，以期尋找一種既滿足乘客車內流場舒適度要求又有良好空氣質量的送風方式.通過對客室內溫度場和速度場的數值模擬得出以下結論:

(1)客室內空調原風量的分配方案溫度場和氣流場仿真計算結果不能滿足標準要求;

(2)通過調整整車空調系統送風量進行，使得客室內的溫度場和氣流場滿足了乘客舒適度標準的要求.客室內的溫度差小于3℃，氣流場速度在0.2～0.6 m/s之間.

［1］靳誼勇，郁永章.鐵路空調客車車內氣流組織的數值模擬［J］.制冷學報，2002，33(2):30-34.

［2］吳俊云，劉訓海，劉穎.客車空調環境舒適性能數值與試驗研究［J］.汽車工程，2005(5):587-591.

［3］張登春，于梅春，王海橋.空調列車室內流場的數值模擬［J］.湘潭礦業學院學報，2002，17(1):69-72.

［4］王芳，臧建彬，于佳等.高速列車客室內部流場計算流體動力學數值模擬［J］.制冷空調與電力機械，2011，137(32):45-48.

［5］HAN T.Three dimensional navier-stokes simulation for passenger compartment cooling［J］.International Journal of Vehide Design，1989(2):175-179.

［6］Zienkiewics O C(英)，Taylor R L(美).有限元方法流體動力學［M］.5版，北京:清華大學出版社，2005.