基于車內流場和溫度場分析的雙層列車空調風道優化*

韓 璐 李良杰 崔 蕾 于菲菲 宗建平

(中車唐山機車車輛有限公司，063035，唐山∥第一作者，高級工程師)

旅客列車車廂內的風速場均勻性、溫度場均勻性及氣流組織狀態等是重要的舒適度指標，其主要取決于列車的空調通風性能[1-2]。而車廂內部環境受太陽輻射和乘客散熱的影響，如用試驗方法研究車廂內部氣流組織，不僅難度大，且成本高。因此，利用CFD(計算流體動力學)數值仿真方法，對列車空調通風系統進行數值仿真，分析空調通風系統性能并改進設計，達到優化設計的目的[3-4]。

本文主要研究列車空調風道優化設計、車內流場特性分析和相關試驗驗證：建立雙層車車內舒適度數值仿真計算模型，利用TRIZ(發明問題的解決理論)工具中的不對稱原理，調整空調風道內的導流板及風口布置方案，研究客室旅客界面的風口布置，獲得送風道風量分配，完成空調送風系統的均勻性分析；采用FLUENT軟件仿真分析空調風道、車內流場及溫度場，依據舒適性評價指標分析評估，獲得滿足標準要求的空調系統優化方案；通過模型車試驗，驗證優化方案是否滿足設計要求。

1 雙層動車組的車內流場計算模型

1.1 幾何模型

本文以某雙層動車組為研究對象，進行車內流場及溫度場仿真分析，并進行空調風道設計研究。車體模型主要包括車體、車窗、座椅、空調送風風道、加熱器及送風格柵等，如圖1所示。其中，一、二位端各含1個進風口、1個回風口和2個廢排出風口。車廂內的乘客分布模型見圖2。

圖1 車體模型

圖2 車廂內乘客分布模型

1.2 網格劃分

車內流場計算模型的流動空間形狀復雜，采用多面體網格進行劃分。由于模型中薄壁結構多、面積大，整個幾何模型的邊界尺寸分布跨度很大，故對送風道出口及加熱器等熱流場變化較為劇烈的部件進行網格加密。

1.3 數學模型

本文湍流模型采用標準k-ε兩方程模型，在近壁區使用壁面函數[5]。其中，進風口和回風口采用速度邊界，廢排口采用壓力出口，表壓力取0。計算時，參考實際情況設置車體(含車頂、側墻及地板)、車窗、車門的傳熱系數，并根據人體體表溫度設置人體熱源溫度。

2 空調風道的優化

2.1 空調風道的初步優化及驗證分析

空調風道的數值模擬模型見圖3。空調送風道的風速流線圖如圖4所示。根據計算結果：上、下層客室長條形出風口出風不均勻，需將長條形出風口分割為小出風口并采取導流措施；兩端支風道4個出口流量不均勻，需對出風口設置導流板。

圖3 空調送風道模型

圖4 空調送風道風速流線圖

如圖5所示，空調風道優化措施有：風道內部增設導流板，并封堵中間層部分風口；上下層首節風道對應的靜壓箱隔板上增加導流板；風道出風口增加隔板，使風道由通長結構改為分段出風；更改風道內阻力板高度。

圖5 空調風道優化方案

建立整車計算模型，對空調風道及車內空氣流場進行仿真計算，計算結果見圖6。風速超標區域較多，中部區域超標最嚴重。因此，還需進一步優化空調送風道內欄板高度、出風口面積及格柵導流角度等，以改善客室氣流流動情況。

圖6 整車縱向斷面風速云圖

2.2 空調風道二次優化及驗證分析

應用TRIZ工具不對稱理論，布置送風道風口形式，將上、下層風口錯開布置；在原方案基礎上增加靜壓腔導流板，根據仿真計算結果實時調整送風道內格柵間距、高度；并根據客室風量分配比例(上、下層的人員比例為1∶1，端部單層處和上層的人員比例為1∶3)，優化設計送風道內部結構，如圖7所示。

圖7 空調風道優化方案

二次優化后風口截面風速分布的仿真計算結果如圖8所示。風量分配仿真計算結果如表1所示(單位出風總量為10 081 m3/h)。由仿真結果可知，上、下層客室風道出口流量均勻，且滿足客室內風量分配比例要求。

圖8 二次優化后的風口截面風速分布

表1 客室內風量分配計算結果

3 風道優化效果驗證

3.1 車內流場及溫度場的仿真驗證

對空調風道二次優化后的整車模型進行CFD計算，得到典型截面的風速及溫度分布如圖9～圖11所示。由計算結果可知，客室座位附近的風速均勻，樓梯和過道區域風速較高，客室區域的風速及溫度滿足ASHRAE23標準的舒適性評價指標。

圖9 高度1.2 m處水平截面的速度和溫度分布云圖

圖10 車輛典型橫斷面風速矢量圖

圖11 車輛典型橫斷面溫度分布圖

由圖12和圖13可知：上、下層乘客座位附近風速較低，滿足標準要求；過道中部上方的風速稍高，可能使乘客產生不適感；客室內溫度均勻性較好，滿足要求；地板和車窗附近區域溫度無明顯差異。

圖12 縱斷面速度云圖

圖13 縱斷面溫度分布云圖

3.2 模型車空調風道的試驗驗證

本研究按1∶1組裝了雙層不銹鋼車體(見圖14)，并進行了風道配套試驗。風量分配的試驗結果見表1。比較可知，仿真計算結果與試驗結果相差在5%之內，且車內風速及溫度分布符合ASHRAE23標準要求。

圖14 風道配套試驗模型車

表2 客室內風量分配結果對比

4 結語

本文結合TRIZ工具對雙層列車空調風道系統進行了結構優化設計，采用CFD仿真分析方法、標準k-ε兩方程模型對空調風道及車內流場及溫度場進行仿真分析和優化設計，分析了整車車內流場和溫度場的分布特性。通過1∶1模型車的風道配套試驗驗證了本文計算方法和設計過程的合理性和正確性。基于計算分析結果和優化設計過程，得出以下結論:

1) 空調風道優化設計：根據整車結構確定送風形式及風道外形結構，采用TRIZ工具中的不對稱原理進行風道風口設計，依據送風道風量分配進行風道內部結構優化，進行空調風道送風均勻性分析，完成空調風道優化設計方案。

2) 車內流場和溫度場分析：建立整車車內流場和溫度場計算模型，利用CFD方法對空調風道及車內空氣流場進行仿真計算，分析車內空氣速度場、溫度場仿真計算；按照ASHRAE23標準的舒適性評價指標對客室溫度場、速度場的均勻性進行分析評估。

3) 試驗驗證：通過搭建1∶1雙層不銹鋼車體，進行了風道配套試驗。通過風道試驗，得到各部分風量數值。試驗結果表明，仿真計算結果與試驗結果相差在5%之內，且車內速度、溫度分布符合ASHRAE23標準要求。試驗驗證了本文計算方法和設計過程的合理性和正確性。