動車風道系統的合理化設計

邵春雷++王志春++馬文軍++劉瑞曉

[摘 要]文章簡要介紹了國內某高速列車風道系統的設計理念，并結合流體動力學（CFD）對風道的有關數據計算，從而根據相關數據進一步確定高速列車風道系統結構設計的合理性，進而減少實驗時間。

[關鍵詞]高速列車 風道系統 仿真模擬計算 結構設計合理性

中圖分類號：TM121.1.3 文獻標識碼：B 文章編號：1009-914X（2016）07-0034-01

引言

隨著我國高速列車迅猛發展，完善改進客室的內部環境也是必不可少。風道系統是客室重要組成部分之一。客室內合理的風道系統是保證乘客安全舒適的重要因素。為此需要探討客室風道系統的設計方法，設計出合理的風道系統。

1.風道系統設計的基本原則

（1）送風口風速：TB/T1951-87《客車空調設計參數》中，以噪音為控制標準的允許送風流速：1-3m/s；推薦風速：2.5-3 M/S（風口距地≤2.5m） 3.5-4m/s （風口距地≤4.5m）。

根據風速以及風量的大小，可以估算出風道的面積：

假定為理想氣體：

Q 通過有效斷面的流量m3/h

A：有效斷面面積m2

V：通過有效斷面的流速m/s

A：在實際運用上對于流線呈平行直線的情況下，有效斷面可以定義為：與流體運動方向垂直的橫斷面。

（2）風管不能突然擴大、突然縮小： 風管變徑時，順氣流方向分為擴大與縮小兩種情況。一般擴大斜度宜不大于1/7，即是≤15°，而縮小不宜大于1/4，即≤30 °否則，造成阻力增大，風量減少。

風管突然擴大或縮小，導致流動速度的改變

（3）彎頭不能隨便彎：彎頭無導流葉片時，其彎曲半徑R最小不得小于1/2W，（W為風管的寬度）。一般以1W為宜。帶導流葉片之彎頭。由于受空間及障礙物的限制，彎頭內側的曲率半徑小于1/2W時，氣流所形成的渦流大，壓力損失多，此時需加導流葉片。

（4）風管系統配置：設計風管系統時，彎頭與彎頭之間，彎頭與出風口之間的距離不能太小。太小則渦流嚴重，氣流分布不均，出風口調不出設計送風量。

（5）管道保溫：保溫層與管壁必須密貼，兩片保溫層連接處必須粘接在一起， 這樣才能保證室內空氣不會滲入到保溫層內部，碰至冷管壁上，因冷管壁的溫度低于室內空氣的露點，導致產生凝結水。一般情況下，采用導熱系數不大于0.035W/（m℃）， 厚度20mm 即可以保證空調風道的保溫需要。導熱系數越大，需要的保溫材厚度越厚。

2.風道系統設計的基本結構

該車風道是由鋁合金鉚接，表面粘接凱門福樂斯材料。鋁合金具體材料是2毫米厚度5A05，其特點是韌性好、強度高、焊接性能可靠。其作用是搭建構成可靠的風道框架；凱門福樂斯厚度是20毫米，導熱系W/（m.K）在溫度0℃—40℃范圍內小于0.035，導熱系數符合GB/T17794《柔性泡沫橡塑絕熱制品》標準規定的要求。

如圖所示空氣先是由空調風機輸送到消音風道，經過消音風道適當的降速去噪音，再經主風道或消音風道分流到各個側風道，通過側風道使新鮮空氣均勻的送到頂板的出風格柵，從而達到均勻送風的效果。

3.風道系統模擬

運用CFD軟件送風風道進行了模擬分析。

本次模擬模型按1：1的比例建立模型，考慮到模擬計算的復雜程度和計算時間，其中一些細節部分如風道管道中的擋板、支座、鉚釘、螺栓、法蘭等因素未加載到模型

在模擬過程中，各風道出口均設為壓力出口（pressure-outlet），用壓力將各部分關聯起來，如側風道風口在消聲部模擬中是出口，在側風道模擬中是進口，經側風道模擬得出進口壓力即可作為消聲部模擬的出口壓力。

設計總送風量為4500m3/h，對于消聲部進口邊界設置成Velocity inlet類型，送風干管的設計風量為4500m3/h、入口風速5.7m/s

各部分的速度分布如下：

4.風道系統模擬結果分析

不均勻系數的計算方法：首先求出需要計算不均勻系數的風口風量的平均值

再求出風口風量的標準差

不均勻系數即為標準偏差與平均值的比值： S/X =30.46/449.7=6.7%

從模擬結果可計算得出：側風道風量的不均勻系數為6.7%，可見不均勻系數不超過10%，滿足計算要求。

5.結束語

由于動車復雜的運行環境及內部多樣的配套設施，這就造成影響風道系統合理性設計的因素多樣性，其中以風道結構為主要影響因素。為此在實際設計中，應綜合考慮各種因素，進行合理化設計，同時在設計后期結合流體動力學（CFD）對風道進行有關數據計算，從而根據相關數據確定高速列車風道系統結構設計的合理性，進而減少實驗時間。

作者簡介

邵春雷，男，學士，軌道車輛設計工程師，現從事軌道車輛司機室產品研發工作。