城際軌道交通車輛空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究

王維斌 劉韶慶 陳大偉 林 鵬 雷銀霞

城際軌道交通車輛空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究

王維斌 劉韶慶 陳大偉 林 鵬 雷銀霞

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，266111，青島∥第一作者，工程師）

基于某型號城際軌道交通車輛頭車建立客室及空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道的三維幾何模型，采用多面體網(wǎng)格離散計(jì)算域和流量進(jìn)出口邊界，將SIMPLE算法與Realizable k-ε湍流模型相結(jié)合，進(jìn)行送風(fēng)道的仿真優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證，以完成客室空間三維全流場仿真計(jì)算。研究表明，合適開孔率的孔板通過調(diào)節(jié)孔板位置對調(diào)節(jié)送風(fēng)均勻性效果顯著。通過對客室空間氣流組織分布以及典型截面壓力場和溫度場的仿真分析表明，頭車客室空間內(nèi)的流場及溫度場分布整體較均勻，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

城際軌道交通車輛；空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)；數(shù)值仿真

城際軌道交通車輛（以下簡為城際車輛）客室空間存在多個送風(fēng)口、回風(fēng)口以及廢排風(fēng)口，整個客室空間氣流組織及溫度場分布較為復(fù)雜。其空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)道管路復(fù)雜，各處的流動阻力不同［1］，各送風(fēng)口的送風(fēng)量存在差別，而回風(fēng)性能、廢排性能在設(shè)計(jì)階段也較難掌控。

城際車輛空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計(jì)的一個重要目標(biāo)就是在降低風(fēng)道阻力的基礎(chǔ)上，提高各個送風(fēng)口的送風(fēng)均勻性。隨著流體仿真技術(shù)的日益成熟，可在風(fēng)道初步設(shè)計(jì)階段通過仿真手段研究合理的孔板開口率及孔板位置，通過試驗(yàn)在風(fēng)道內(nèi)增加孔板結(jié)構(gòu)的方式調(diào)節(jié)送風(fēng)均勻性［2］，能較大地縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

基于某型號城際車輛，進(jìn)行送風(fēng)道的仿真優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證，建立包括送風(fēng)道、回風(fēng)道、廢排風(fēng)道及司機(jī)室、客室空間在內(nèi)的三維全流場幾何模型，完成客室空間及典型截面的速度場、壓力場、溫度場的仿真分析。

1 幾何模型及網(wǎng)格模型

城際車輛客室空間空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)仿真分析采用三維全流場幾何模型。為真實(shí)反映空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的流場特征，幾何模型在構(gòu)建過程中對司機(jī)室送風(fēng)管、回風(fēng)口擋板、送風(fēng)道導(dǎo)流板、送風(fēng)道孔板、廢排風(fēng)道導(dǎo)流板、送風(fēng)及回風(fēng)風(fēng)道等細(xì)節(jié)特征進(jìn)行了保留［3-4］，對客室外圍區(qū)域、門、窗、座椅等對流場特性影響不大的部件進(jìn)行了近似簡化處理。

采用多面體網(wǎng)格進(jìn)行整個客室空間計(jì)算域的空間離散。在網(wǎng)格劃分過程中，對司機(jī)室送風(fēng)管、回風(fēng)口擋板、廢排風(fēng)道導(dǎo)流板、孔板、送風(fēng)道和回風(fēng)風(fēng)道等幾何尺寸較小、對流動特性影響較大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理［5-6］，對于數(shù)據(jù)梯度變化不大的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸適當(dāng)放大，使得網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量得到了很好的控制。頭車計(jì)算域最終多面體網(wǎng)格數(shù)量約500萬，如圖1所示。

2 數(shù)值算法及邊界條件

圖1 頭車全流場計(jì)算域網(wǎng)格模型

客室空間內(nèi)流場為三維黏性定常的不可壓縮湍流流場，采用Realizable k-ε湍流模型。

控制方程方面，與空間相關(guān)的擴(kuò)散項(xiàng)均采用二階中心差分格式離散，對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散。

采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)速度與壓力之間的耦合，采用分離式隱式方案求解三維時均雷諾N-S方程。

客室空間全流場計(jì)算域進(jìn)口采用質(zhì)量進(jìn)口邊界，計(jì)算域回風(fēng)口及廢排風(fēng)口采用質(zhì)量出口邊界，可以保證計(jì)算域的空氣流量與設(shè)計(jì)值一致。

3 送風(fēng)道優(yōu)化

圖2為頭車送風(fēng)道優(yōu)化前各個送風(fēng)口氣流速度分布，可以看出，空調(diào)機(jī)組送風(fēng)口附近區(qū)域的送風(fēng)量明顯較少，而空調(diào)送風(fēng)口中間區(qū)域的送風(fēng)量明顯較大，整體送風(fēng)均勻性較差。

圖2 送風(fēng)道優(yōu)化前風(fēng)速分布

孔板開孔率及在風(fēng)道內(nèi)的相對位置是影響送風(fēng)均勻性的重要因素。通過對其進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終優(yōu)化方案的孔板風(fēng)道內(nèi)的壓力場分布如圖3所示?？梢钥闯?，主送風(fēng)道空調(diào)送風(fēng)口附近為高壓區(qū)，而靜壓箱兩側(cè)送風(fēng)道的壓力分布在孔板的調(diào)節(jié)作用下整體比較均勻，保證了送風(fēng)的均勻性。

圖3 孔板送風(fēng)道壓力場分布

圖4為頭車送風(fēng)道優(yōu)化前后出風(fēng)口風(fēng)速分布的對比?？梢钥闯?，優(yōu)化后風(fēng)速差異得到很大改善，整體風(fēng)速分布較均勻，前幾個風(fēng)速變化波動較大的送風(fēng)口是司機(jī)室送風(fēng)口。通過后期的試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化方案的送風(fēng)均勻性滿足工程應(yīng)用的要求。

圖4 頭車送風(fēng)道優(yōu)化前后出風(fēng)口風(fēng)速分布

4 客室仿真分析

4.1 氣流組織分布

從圖5所示頭車客室空間氣流組織分布來看，空調(diào)氣流進(jìn)入客室中間送風(fēng)道之后，從中間主送風(fēng)道兩側(cè)送風(fēng)口向客室送風(fēng)，其中一部分通過中間風(fēng)道向司機(jī)室送風(fēng)?？褪覐目褪覂蓚?cè)回風(fēng)道回風(fēng)，從客室下方兩個廢排風(fēng)道向外排風(fēng)。整個客室氣流組織分布比較均勻，很少出現(xiàn)氣流死區(qū)，可以保證風(fēng)道送風(fēng)均勻性和氣流組織空間分布的均勻性。

圖5 頭車客室氣流組織分布

4.2 壓力場

圖6為頭車縱向中心截面上的總壓力分布云圖。可以看出，整個客室空間內(nèi)的壓力分布比較均勻，壓力梯度較小，客室內(nèi)為微正壓。送風(fēng)道內(nèi)的正壓分布較高，回風(fēng)道內(nèi)負(fù)壓整體最高，可以保證客室內(nèi)氣流在壓力差驅(qū)動下流動。

圖6 頭車縱向中心截面的總壓力分布

4.3 溫度場

圖7~9為制冷工況下，距車內(nèi)地板高度分別為0.5 m、1.2 m、1.7 m處截面的溫度場分布。可以看出，隨著高度的增加，溫度分布的均勻性越來越好，在1.2 m及1.7 m處截面的平均溫度在25℃左右，而且分布較均勻。

圖10~12為制熱工況下，距車內(nèi)地板高度分

圖7 制冷工況下，距車內(nèi)地板高度為0.5 m處截面的溫度場分布

圖8 制冷工況下，距車內(nèi)地板高度為1.2 m處截面的溫度場分布

圖9 制冷工況下，距車內(nèi)地板高度為1.7 m處截面的溫度場分布

圖10 制熱工況下，距車內(nèi)地板高度為0.5 m處截面的溫度場分布

圖11 制熱工況下，距車內(nèi)地板高度為1.2 m處截面的溫度場分布

圖12 制熱工況下，距車內(nèi)地板高度為1.7 m處截面的溫度場分布

別為0.5 m、1.2 m、1.7 m處截面的溫度場分布?？梢钥闯觯S著高度的增加，截面平均溫度逐漸升高。在1.2 m及1.7 m處截面的平均溫度在21℃左右，而且分布較均勻。

5 結(jié)語

通過對某城際車輛頭車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)道的仿真優(yōu)化可以看出，在送風(fēng)道合理位置放置合適開孔率的孔板對調(diào)節(jié)送風(fēng)均勻性具有重要作用。通過對客室空間氣流組織分布和典型截面的壓力場、溫度場進(jìn)行的仿真分析，可以看出，頭車客室氣流組織分布比較均勻、壓力梯度較小、氣流死區(qū)較少，在制冷及制熱工況下，頭車客室空間內(nèi)的溫度分布整體較均勻、溫差較小，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

［1］ 鄧建強(qiáng)，靳誼勇，張?jiān)缧?，?空調(diào)客車內(nèi)風(fēng)道三維湍流流動特性數(shù)值研究［J］.制冷學(xué)報，2001，40（1）：30

［2］ 劉杰，李人憲，陳琳，等.高速列車空調(diào)系統(tǒng)及車內(nèi)流場分析［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2012，47（1）：127

［3］ 楊晚生，張吉光，張艷梅.靜壓式空調(diào)送風(fēng)道送風(fēng)均勻性研究［J］.鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2005，27（1）：79

［4］ 史自強(qiáng)，盧紀(jì)富，靳誼勇，等.空調(diào)列車室內(nèi)氣流組織的三維數(shù)值模擬［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，25（3）：70

［5］ 陳煥新，黃素逸，張登春.空調(diào)列車室內(nèi)三維紊流流動與傳熱的維數(shù)值模擬［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，30（3）：52

［6］ 鄧建強(qiáng)，馮詩愚，張?jiān)缧?，?鐵路空調(diào)客車內(nèi)流場、溫度場的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究［J］.暖通空調(diào)，2005，35（6）：20.

Numerical Simulation of Air Conditioning and Ventilation System for Inter-city Train

WANG Weibin，LIU Shaoqing，CHEN Dawei，LIN Peng，LEI Yinxia

A 3D geometrical model of air duct for the air conditioning and ventilation system in passenger compartment is established based on the first car of an inter-city train.Polyhedral mesh elements are used to discrete the computational domain and the boundary of inlet and outlet flows.Then，SIMPLE algorithm is combined with Realizable k-ε turbulent model to carry out simulation optimization and experimental verification,and finally to complete numerical calculation of the 3D internal flow in the passenger compartment.The research results are of important significance for the optimal design of train air supply duct，and a simulation of the pressure field and temperature field in the typical section shows that the velocity and temperature distribution in passenger compartment can meet the engineering design requirements.

inter-city rail transit train；HVAC；numerical simulation

U270.383

10.16037/j.1007-869x.2017.11.006

Author′s address CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，266111，Qingdao，China

2016-03-04）