客車空調送風參數對室內流場的影響研究

彭 倩 黃繼文 劉金武 陳篤廉 張 綱

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客車空調送風參數對室內流場的影響研究

彭 倩1黃繼文1劉金武1陳篤廉2張 綱2

（1.廈門理工學院機械與汽車工程學院 廈門 361000；2.廈門金龍旅行車有限公司 廈門 361000）

旨在研究空調送風參數對室內熱流場的影響，以某9m旅行客車為研究對象，建立三維流場模型；基于RNG湍流模型；采用SIMPLE算法計算了客車室內5組不同送風參數下的氣固耦合傳熱問題。結果表明：送風角度對整體溫度場與速度場的分布影響較大，送風角度為15°時乘員舒適性較好；在送風溫度不變的情況下，隨著送風速度的增加室內平均速度增大，車內平均溫度也隨之降低，而送風溫度僅對溫度場有明顯影響。

空調客車；數值模擬；氣流組織；溫度場

0 引言

良好的客車室內流場與溫度場組織不僅能提高乘員的熱舒適性，有利于行駛安全，而且能夠提高室內冷量利用率，減少能源消耗[1,2]。客車室內的熱舒適性與空調的送風參數有密切關系，由于客車內部結構較復雜，運行環境溫度多變，乘員數目不固定，自然對流、強制對流與熱輻射等多種傳熱方式并存[3]，用試驗的方法研究客車室內熱流場存在一定的難度，因此有必要在開發前期運用CFD技術對不同送風工況進行數值模擬，研究空調送風參數對室內流場的影響。

為了研究不同因素對車室內流場的影響，江濤等[4]通過模擬不同太陽高度角的輻射工況對轎車室內熱流場的影響，并評價了不同工況下的人體舒適性，為轎車空調制冷系統的設計提供了參考；宋亞軍等[5]進一步分析了外界環境的影響，并提出通過降低送風溫度與選擇玻璃新材料提高乘員舒適性。謝金法等[6]模擬了轎車室內動態降溫過程，并用多島遺傳算法優化了送風角度；李超等[7]研究了地鐵車廂內送風參數、溫度場、速度場和氣流組織之間的相互關系。上述研究表明車室內熱流場受外界環境與空調送風參數影響較大，上述研究多集中在轎車上，轎車多采用上攻角送風，而客車多采用頂部向下送風，在送風方式上有著較大差異。在此基礎上文章分析了不同的送風參數對客車室內速度場與溫度場的影響。

1 客車車廂數值模型

1.1 物理模型

以某39座空調客車為研究對象。車室內長度8.9m，寬2.5m，高2.69m，左右布置座椅，走廊位于縱軸線上，由于客車室內結構復雜，簡化了儀表盤等對內流場影響較小的細微結構，考慮到行李架對出風口到乘員距離有影響，所以對行李架進行建模，風道位于左右兩側行李架內，駕駛員與最后排乘客處風道位于車頂，送風口沿長度方向均勻分布；通過走廊集中回風，回風口位于車頂中央。其簡化模型如圖1所示。

圖1 客車車室簡化模型

1.2 數學模型

為了簡化問題作如下假設：

（1）車室內空氣流動為穩態湍流，傳熱過程為穩態；

（2）客車室內空氣符合Boussinesq假設；

（3）車廂氣密性良好，無氣體泄漏；

（4）忽略室內壁面之間熱輻射。

各控制方程表示如下：

（1）連續性方程：

（2）動量方程：

（3）能量方程：

表1 湍流數學模型中的常數

1.3 邊界條件和計算方法

客車在行駛過程中，受外部環境、空調送風參數、乘員散熱等因素影響，室內的空氣流動與傳熱情況比較復雜，在數值模擬中，客車車室邊界條件的建立是關鍵。車室壁面與車窗受車外對流換熱、熱傳導和太陽輻射的影響，選用混合邊界作為熱邊界條件；地板采用導熱邊界；不考慮服裝熱阻影響，將乘員簡化為恒定散熱熱源，熱流密度為116W/m2，附加在座椅壁面；空調回風口采用壓力出口邊界，=101325Pa；送風口采用速度進口邊界，送風角度為風速與垂向夾角，具體送風參數見表2。采用SIMPLE算法計算離散控制方程，對流項采用二階迎風離散格式，松弛因子取Fluent軟件默認數值。

表2 空調送風參數

2 結果分析

分別從送風角度、速度及溫度對車室內速度場和溫度場的影響進行分析，取第三排座椅處送風口下橫截面為對比分析截面。速度等值線圖的單位為m/s，溫度等值線圖的單位為K。

2.1 送風角度的影響

圖2至圖4給出了送風溫度（291.15K)、送風速度3m/s相同，送風角度分別為0°、15°與30°的截面溫度與速度等值線圖。

對比其速度等值線圖可以看出冷風射流基本呈直線狀，其軸心速度沿送風角度向下，擴散角度較小，其中0°時乘客頭部高度時速度減至0.50m/s，15°時減至0.43 m/s，30°時減至0.40 m/s，隨著送風角度的增大冷風射流到人體頭部高度時速度減小，有利于減輕吹風冷感。

由三種工況溫度等值線圖可知，送風角度為0°時，近窗乘客區域溫度明顯低于鄰近走道區域溫度，會導致近窗乘客有吹風冷感影響舒適性，地板處平均溫度高于乘客頭部平均溫度2.8°；15°時乘客頭部高度溫度分布較均勻頭部平均溫度較地板處高2.4°；30°時近窗乘客處溫度明顯高于鄰近走到區域，且近窗處乘客頭部溫度高于地板處1.2°。隨著送風角度增大，流入車廂底部冷量增大，乘客頭部與腳部的溫差逐漸減小，當送風角度增大至30°時，乘客腳部溫度低于頭部溫度，出現頭熱腳涼現象，降低了乘員舒適性。

（a）速度等值線圖（b）溫度等值線圖 圖2 截面速度與溫度等值線圖（工況1）Fig.2 Section velocity and temperature contour map(condition1) （a）速度等值線圖（b）溫度等值線圖 圖3 截面速度與溫度等值線圖（工況2）Fig.3 Section velocity and temperature contour map(condition2) （a）速度等值線圖（b）溫度等值線圖 圖4 截面速度與溫度等值線圖（工況3）Fig.4 Section velocity and temperature contour map(condition3)

2.2 送風速度的影響

圖5為送風溫度為291.15K，送風角度為0°，送風速度4m/s下截面的速度與溫度等值線圖，對比圖1可知加大送風速度后流場平均速度增大，回旋氣流動能增大有利于車內熱量散出，但風口下乘客頭部氣流速度為0.71m/s，乘客會有較強的冷風吹面感，舒適性較差。同時，對比圖1和圖4溫度云圖可知，隨著送風速度增大，輸送的制冷量增多，明顯降低了客車室內平均溫度。

（a）速度等值線圖（b）溫度等值線圖 圖5 截面速度與溫度等值線圖（工況4）Fig.5 Section velocity and temperature contour map(condition4)

2.3 送風溫度的影響

圖6為送風溫度288.15K，送風角度0°，送風速度為3m/s的速度矢量圖與溫度云圖，對比圖2速度等值線圖可以看出，只改變送風溫度對車室內速度場幾乎沒有影響。同時對比圖2溫度等值線圖可知，將送風溫度降低3K，整個截面的溫度都出現明顯的下降，平均溫度相比工況1降低了1.7度，與3K相差較多，這是由于室內外溫差增大，冷量耗散加快的緣故。

（a）速度等值線圖（b）溫度等值線圖 圖6 截面速度與溫度等值線圖（工況5）Fig.6 Section velocity and temperature contour map(condition5)

3 結論

（1）送風角度對客車室內速度場的分布有明顯影響，對整體平均溫度影響較小，但送風角度增加到30°時近窗乘客會感覺到頭熱腳涼，熱舒適性差。15°時室內溫度場與速度場分布較合理。

（2）送風速度對室內溫度場和速度場均有明顯的影響，增大送風速度可以增加冷風的送風量，有效降低車內溫度，但乘客頭部高度氣流速度較高，使乘客有冷風吹面感，從而影響熱舒適性；同時增加送風速度也會增加空調能耗。

（3）送風溫度對客車室內速度場幾乎沒有影響，降低送風溫度可以有效降低車室內平均溫度，在極限工況下可通過降低送風溫度降低車內溫度而不使乘客產生吹風感。

[1] 陳見,曹偉武,胡必強,等.工程車輛駕駛室熱舒適性評價[J].上海工程技術大學學報,2015(2):101-105.

[2] 李銳.制冷空調能耗及減排節能技術的分析[J].制冷與空調,2015,29(1):114-118.

[3] HAN T Y, CHEN K H, KHALIGHI B. Assessment of Various environmental thermal loads on passenger thermal comfort[R]. Detroit: Society of Automotive Engineers, 2010.

[4] 江濤,谷正氣,楊易,等.太陽輻射對乘員熱舒適性影響的研究[J],合肥工業大學學報(自然科學版),2011, 34(8):1135-1137.

[5] 宋亞軍,趙蘭萍,楊志剛,等.太陽輻射對車室內熱舒適性的影響分析與改進[J].計算機仿真,2014, 31(7):148-152.

[6] 謝金法,段冉.基于Insight和Fluent軟件的轎車空調風向優化研究[J].鄭州大學學報(工學版),2014,35(3): 124-128.

[7] 李超,張成方.石家莊地鐵3號線車廂內氣流組織的數值模擬及分析[J].制冷與空調,2016,30(2):153-157.

[8] 王福軍.計算流體力學分析[M].北京:清華大學出版社,2011:51-68.

An Investigation on the Impact of Air Inlet Parameters on Air-conditioned Bus Indoor Flow Field

Peng Qian1Huang Jiwen1Liu Jinwu1Chen Dulian2Zhang Gang2

( 1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen, 361000;2.Xiamen golden dragon bus Co., Ltd, Xiamen, 361000 )

The study aims to investigate the effect of inlet air parameters on indoor heat flow field. Geometrical model was built based on a 9m coach. The influences of five groups of different air parameters on the interior velocity and temperature filed were calculated using RNG-turbulent model and SIMPLE algorithm. The results manifest that inlet air angle has a great effect on the velocity field and temperature field, passenger's thermal comfort is well when the inlet air angle is 15 degree; with the increasing of inlet air velocity, the interior average temperature is reduced; the inlet air temperature only has an influence on temperature field.

air conditioning coach; numerical simulation; air organization; temperature field

1671-6612（2016）06-716-04

TP391.9

A

國家外專局高端外國專家項目（GDT20153600065）；福建省教育廳JK項目（JK2014036）；廈門理工學院研究生科技創新計劃項目（40315014）

彭 倩（1982.6-），男，博士，副教授，E-mail：pengqian@163.com

黃繼文（1990.5-），男，在讀研究生，E-mail：huang_xmut@163.com

2016-07-06