膠輪導軌電車送風位置與熱舒適性研究

盛文剛 張本超 王愛斐

摘 要：隨著我國鐵路交通運輸事業(yè)飛速發(fā)展，提高車輛舒適性成為關注焦點。本文基于膠輪導軌電車，采用CATIA三維繪圖軟件建立其車廂簡化模型，并結(jié)合ANSYS軟件進行網(wǎng)格劃分以及模擬仿真計算，對空調(diào)送風口位置進行對比研究，優(yōu)化設計方案，為今后導軌電車以及其他類車型的空調(diào)氣流組織設計工作提供方法和依據(jù)。

關鍵詞：膠輪導軌電車;空調(diào)系統(tǒng);數(shù)值模擬

1 引言

目前我國軌道交通運輸事業(yè)正處于飛速發(fā)展的時期，客車的方便快捷性已不能滿足乘客的需要，車廂內(nèi)部的熱舒適性受到了越來越多的關注[1]。良好的氣流組織對于客車車廂內(nèi)的舒適性至關重要，局部氣流速度過大、溫度不均衡，都會嚴重影響乘客的舒適性[2]。因此為實現(xiàn)良好的氣流組織，保證車廂內(nèi)部的熱舒適性，提高乘車舒適度，其研究勢在必行。

本文通過對膠輪導軌電車T1車空調(diào)系統(tǒng)的研究學習，結(jié)合ANSYS模擬仿真，通過改變空調(diào)送風口位置布置，對比計算結(jié)果，優(yōu)化設計方案，為后續(xù)城軌車輛空調(diào)系統(tǒng)設計工作提供了依據(jù)。

2 空調(diào)系統(tǒng)簡介

膠輪導軌電車采用4編組型式Mc1-T1-Tp-Mc2，兩車通過貫通道實現(xiàn)客室內(nèi)貫通。空調(diào)采暖系統(tǒng)符合CJ/T417《低地板有軌電車車輛通用技術(shù)條件》和GB/T23431《城市輕軌交通鉸接車輛通用技術(shù)條件》的要求[3]。本文基于T1車空調(diào)系統(tǒng)研究。

2.1 空調(diào)系統(tǒng)組成

T1車空調(diào)系統(tǒng)由空調(diào)機組、送風道、回風道、送風口、回風口等組成，負責整車的制冷、通風和采暖。

T1車空調(diào)系統(tǒng)采用頂置單元式變頻空調(diào)機組，機組采用機電一體化設計，控制模塊集成在機組內(nèi)部，空調(diào)機組符合TB/T1804《鐵路客車空調(diào)機組》的規(guī)定;機組兩側(cè)設置有新風口，新風量1000m?/h，送回風方式為底送底回，總風量3000m?/h。

客室送風采用靜壓腔送風型式，空調(diào)機組處理的空氣經(jīng)主風道進入靜壓腔后分配至客室，每節(jié)車廂設計2節(jié)送風道。由伯努利原理（當流體通過2個截面時，若截面2比截面1大，則截面2處的流速小于截面1處的流速，截面2處的靜壓增大）可知，空氣在靜壓腔內(nèi)的速度小于主風道空氣速度，因此靜壓腔的主要作用除了均勻分配風量外，還能穩(wěn)定氣流和減少氣流振動，從而降低噪聲。

回風采用集中回風型式，回風道設置在空調(diào)機組底部。如圖2-1為T1車送風道總圖，圖2-2為客室風道斷面圖。

送風格柵一側(cè)與中頂板插接，另一側(cè)與車頂骨架縱向梁通過緊固件連接，格柵長度與客室頂板長度相同。送風格柵與風道之間通過密封筒相連，保證風道出風口處風全部進入客室。客室回風口與頂板檢查門為一體結(jié)構(gòu)。如圖2-3為送回風格柵示意圖。

2.2 送風原理

機組內(nèi)離心式通風機將列車內(nèi)的空氣和適量新風吸入機組后，經(jīng)過空調(diào)機組的處理，通過機組的送風口進入主風道并沿著主風道行進，之后空氣通過靜壓腔條縫進入靜壓腔內(nèi)，由于流體的壓力平衡作用（流體作用在容器內(nèi)表面同一高度處靜壓力相等）[4]，形成一定的壓力值，并由于靜壓腔內(nèi)氣體靜壓的作用，通過送風口，出風格柵進入客室內(nèi)。

3 模型建立及邊界條件設置

計算流體動力學（CFD）是運用流體動力學的基本原理和“三傳方程”，通過建立適當?shù)奈锢韼缀文Ｐ停岢龊侠砘僭O，提供合適的邊界條件和參數(shù)，對車廂內(nèi)空調(diào)區(qū)域空氣流動形成的速度場，溫度場等物理量進行模擬仿真計算。通過模擬仿真計算，可以得到更為直觀的結(jié)果顯示，且能得到實驗結(jié)果所不能顯示的細微之處的變化，并通過分析計算結(jié)果來評價設計的可行性與合理性。

3.1 模型建立

三維實體模型的建立，需對實體結(jié)構(gòu)進行分析，將一些細小、復雜的結(jié)構(gòu)進行簡化以方便計算，或者將一些對計算過程有較大影響但對結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)進行忽略或是簡化修改，特別是尺寸較小的形狀。圖3-1為車廂送風出風簡化結(jié)構(gòu)。

其對比模型為，將送風格柵調(diào)整至距車頂邊緣兩側(cè)三分之一處，沿中心方向布置燈體位置，其余結(jié)構(gòu)不變。

針對本文要進行計算的車廂內(nèi)氣體流動特性，進行必要的合理化假設：

（1）車廂內(nèi)流體工質(zhì)為空氣，是不可壓縮流體。

（2）忽略車窗與車門帶來的影響。

（3）車廂內(nèi)處于無乘客狀態(tài)。

（4）車廂密封良好。

計算模型選工程領域應用較多的模型，適宜進行內(nèi)流分析[5]。

3.2 網(wǎng)格劃分

在CFD的模擬仿真計算中，網(wǎng)格的劃分具有重要的位置，直接關系著計算結(jié)果的準確性。不合理的網(wǎng)格劃分，或者網(wǎng)格質(zhì)量不好的，進行計算時不利于結(jié)果的收斂。對于三維幾何模型，較常用的是四面體網(wǎng)格，在自動生成的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分基礎上結(jié)合對細微處及特殊面的局部加密，保證一定的網(wǎng)格質(zhì)量，確保計算結(jié)果的準確有效。

車廂送風出風簡化結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖3-2所示，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.2以上，總網(wǎng)格數(shù)為1322572，總節(jié)點數(shù)為232943，其中對送風進口、回風出口以及座椅的拐角面處進行了局部加密。

3.3 邊界條件

完成對幾何模型的網(wǎng)格劃分后，將劃分好的網(wǎng)格導入FLUENT，設置相應的邊界條件以及物性參數(shù)，如速度、溫度、壓力等，完成定義并開始迭代計算。

T1車車輛設計總風量為3000m?/h，整個車廂共有30個送風進口，分別為兩側(cè)對稱的15個，由于結(jié)構(gòu)限制其長度不一，但寬度均為45mm，送風進口的總面積為：

送風進口處設置為速度進口，進口速度為：

送風進口處實際結(jié)構(gòu)為進口格柵進行兩側(cè)的分流，沿三個不同角度方向進入車廂，如圖3-3所示。可以看出，空氣通過格柵后其送風方向總體分為三個方向，故將其簡化為三個進風口方向，角度與格柵實際結(jié)構(gòu)相同，并將其速度方向分解為直角坐標系的三個方向。

送風干球溫度為：19.33+273.15=292.48K。

回風出口處選擇壓力出口，壓力值為標準大氣壓101325Pa。

車廂壁面以及車廂內(nèi)座椅均視為壁面wall，根據(jù)《導軌電車整車K值分析報告》，導軌電車靜態(tài)工況下整車等效K值為，室內(nèi)外干球溫差為6K，邊界條件設置的壁面熱流量為。

4 模擬計算結(jié)果與討論

根據(jù)BS EN 14750鐵路應用—城市和郊區(qū)鐵路車輛用空調(diào)，標準中規(guī)定了郊區(qū)或區(qū)域車輛（膠輪導軌電車所屬范圍）的空調(diào)系統(tǒng)舒適性參數(shù)：

（1）舒適區(qū)域速度參數(shù)。在舒適度試驗中規(guī)定了舒適區(qū)空氣速度測量點，在所有配備座位區(qū)域的地面上方1.1m的高度位置以及在地面上方1.7米處測量空氣速率。進行這些測量的目的是在舒適區(qū)內(nèi)查找最大空氣速率的區(qū)域。若在供暖、冷卻或通風模式中的分配或氣流有所不同，則在每個模式中都可以找到最大空氣速率的區(qū)域。應將這些臨界空氣高速區(qū)域用來進行空氣速率和空氣溫度的精密測量以確保舒適區(qū)內(nèi)空氣速率的要求檢驗合格。客室的風速要小于等于附圖B.1曲線規(guī)定的值。

（2）舒適區(qū)域溫度參數(shù)。距地板面1.1m處測得的內(nèi)部氣溫范圍，郊區(qū)或區(qū)域車輛的溫差范圍不能超過4K;對于內(nèi)部垂直方向的溫度變化范圍，郊區(qū)或區(qū)域車輛不能超過4K。

4.1 截面選取

選擇如圖3-1所示，沿車體方向垂直于端面，分別帶有座椅和出風口的、位于車體中間處的以及另一端帶有座椅的三個位置作為截取對比結(jié)果的平面，分別記為截面s1，截面s2，截面s3。如圖4-2所示。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的相同位置截面加后綴g以區(qū)分。

4.2 速度云圖對比

在s1截面處的對比可以看出，優(yōu)化結(jié)構(gòu)相比原有結(jié)構(gòu)，在整體流場中更加均勻，且在座椅上部區(qū)域風速變化更少。

在s2截面處，即車體整體的中間位置處無座椅，乘客為站立狀態(tài)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)雖流場分布較好。

在無出風口影響的s3截面處，兩者的流場在縱向上均更加均勻，優(yōu)化結(jié)構(gòu)其對座椅上的乘客的直吹影響更低。

4.3 溫度云圖對比

在s1截面處，在座椅上部區(qū)域以及距離地面1.1m高度處，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的溫度在水平方向上的變化更小，且在座椅上的乘客其感受到的溫度變化也更小。

在s2截面處，即車體整體的中間位置處無座椅，乘客為站立狀態(tài)，此處優(yōu)化結(jié)構(gòu)的溫度場較原有結(jié)構(gòu)更加均勻。

在無出風口影響的s3截面處，兩者的溫度場在縱向上均勻性更好，但是在水平方向上比較，原有結(jié)構(gòu)的溫度變化更小，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的溫度變化較大，但均在3K范圍內(nèi)。考慮到乘客對車廂內(nèi)氣流的擾動以及人體的散熱量，此處可進行進一步研究。

5 研究結(jié)論

通過建立車廂送風出風簡化結(jié)構(gòu)模型，并結(jié)合ANSYS進行模擬仿真計算，分析得出：

（1）通過速度云圖與溫度云圖得出，在乘客所在區(qū)域內(nèi)，同一鉛垂線的最大溫差均不超過3K，滿足EN標準。

（2）通過兩種結(jié)構(gòu)云圖對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)在客室整體的熱舒適性上表現(xiàn)更好。

（3）通過模擬仿真的方法，可有效指導空調(diào)系統(tǒng)設計，減少相應的試驗成本與周期。

參考文獻：

[1]張惠中，王宗昌，劉紹禹.地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)車內(nèi)出風格柵形式研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2014（07）.

[2]金泰木，張明，李連奎.CFD在客車空調(diào)系統(tǒng)設計中的應用[J].鐵道車輛，2003，41（03）：20-22.

[3]黃文杰.城際動車組回風風道氣流組織仿真與優(yōu)化[J].鐵道車輛，2013，51（03）：1-6.

[4]于淼，王東屏，襲望等.地鐵車空調(diào)風道及車室內(nèi)氣流組織數(shù)值仿真[J].大連交通大學學報，2014，35（02）：16-19.

[5]儲成龍，李樹典，姚非.基于Fluent軟件的動車組空調(diào)數(shù)值仿真[J].鐵道車輛，2012，50（12）：5-8.