機車司機室空調分配箱送風均勻性優化設計

羅江果 ，劉智遠 ，李 行 ，肖云華 ，李仕林 ，楊天智

(1.大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室，湖南 株洲 412000；2.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

隨著我國軌道交通的快速發展，對軌道車輛的舒適性提出了更高的要求。空調通風系統作為直接影響人體感官的系統，受到廣泛的關注。早些年對于風道送風均勻性的研究主要以試驗為主[1-2]。近年來，隨著計算機技術的發展，計算流體力學[3](Computational fluid dynamics，CFD)已經成為了研究和優化車輛通風系統結構的一種主要方式，相對于傳統的試驗方法，采用CFD方法能夠大幅度降低試驗成本和周期，在軌道交通領域得到了廣泛利用。目前諸多學者[4-8]對不同類型的軌道交通車輛的通風系統進行了仿真優化。

蒲棟[9]提出了一種用于提升動車組風道散流器送風均勻性的計算方法，通過使用該方法對散流器進行優化，試驗值和仿真值僅相差0.76%。孫術娟等[10]通過在優化地鐵客車風道內部的孔板位置和孔隙率的大小，提升了風道的送風均勻性，改善了客室內部的舒適性。夏春晶等人[7]通過調整地鐵客室主風道和送風格柵的結構，實現了風道均勻性的提升。

已經有許多學者對地鐵車輛通風系統進行了仿真優化，絕大多數側重于客室風道的仿真優化，鮮有學者對機車車輛司機室分配箱送風均勻性進行研究。而司機室舒適性對司機的駕駛狀態有直接影響。隨著司機室設備的日益增多，風道的結構和空間需要根據其他設備的布置而發生改變，對于機車車輛而言，司機室分配箱需要同時向前窗和側窗供風，如何優化司機室空調分配箱對于整個司機室的均勻性提升具有重要意義。

在本項目中，司機室空調分配箱需要同時向司機室前窗和側窗供風，空調出風在經過分配箱后，通過風道分別達到前窗和側窗。本文采用CFD仿真手段，對該分配箱進行了仿真優化，通過在分配箱內部增加導流板和調整導流板位置，最終得到了較為理想的送風結果。

2 分配箱物理及數值模型

2.1 分配箱物理模型

圖1為司機室空調分配箱的物理模型，從圖1可以看出：從空調中送出的空氣從分配箱的入口進入，隨后通過出風口向前窗送風和側窗送風。由于送至側窗的風道較長，阻力大，而至前窗的風道較短，阻力小。因此，在初始分配箱結構下很難保證各個出風口的風量均勻性。本文旨在通過計算流體力學的方法對該分配箱進行優化設計，提升各個出風口的送風均勻性，從而改善司機室內部的舒適性，與此同時，能夠為后續的分配箱設計提供參考依據。

圖1 司機室分配箱示意圖

2.2 數值模型

通過對圖1中的幾何模型進行適當的簡化處理之后，對流體計算域進行建模，建立后的幾何模型如圖2所示，該模型包括1個進風口，10個出風口，編號為out1～out10，其中前窗出風口8個，側窗出風口2個。

圖2 司機室分配箱的幾何模型

本文采用以六面體網格為主的劃分方法對計算區域進行離散化處理，生成的網格如圖3所示，為了得到更加精確的結果，對進出口和細小結構進行了局部加密，整體網格質量較高，網格總數目為113萬。

圖3 司機室分配箱網格劃分

2.3 計算模型邊界條件設置

2.3.1 數學模型

由于本文中分配箱內部的雷諾數要大于2 300，其內部流動狀態已經處于湍流狀態，故采取standard κ-ε湍流模型進行求解，且分配箱的近壁面采用標準化壁面函數進行處理。standardκ-ε湍流方程如下：

κ-ε方程：

(1)

(2)

(3)

上述控制方程中的主要常數取值如下:

Cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，βκ=1.0，βε=1.3。

2.3.2 邊界條件

司機室分配箱的入口采用速度入口邊界條件，流量為800 m3/h，速度為7.77 m/s，分配箱的所有出口均采用壓力出口邊界條件，參考壓力值設置為0 Pa。

3 分配箱仿真結果與分析

通過對上述分配箱物理模型進行前處理之后，開始對其進行求解上述控制方程，速度和壓力的耦合迭代利用SIMPLE算法處理，應用二階迎風格式對動量方程和能量方程進行離散化。在計算過程中，所有變量的殘差設置為10-5，此外對分配箱的出口的流量進行監控，當所有變量的殘差小于10-5或者監測的物理量穩定不變時結束計算。

3.1 分配箱初始結構仿真

圖4與圖5分別給出了司機室空調分配箱的流線圖、速度云圖和壓力云圖。從圖4可以看出：空氣從分配箱入口進入后，迅速從其上表面出口流出(out1～out10)，而由于out9～out10離分配箱入口較遠，因而到達側窗出風口out9和out10的空氣非常少。從圖5可以看出，分配箱內部的壓力最大點處在分配箱的上表面，這是因為空氣從分配箱入口以較大速度噴出，直接擊打在上壁面處，速度迅速降低，動壓迅速轉化為靜壓所致。

圖4 司機室分配箱流線圖

(a)分配箱不同x、y截面速度云圖

圖6為不同出風口的風量統計。從圖中可以看出：靠近分配箱入口的out4和out5的風量分別為152.3 m3/h和152.4 m3/h，遠大于其余出風口。風量最小的出風口為out9和out10，僅分別為15.2 m3/h和15.4 m3/h。該分配箱初始方案送風均勻性極差，無法滿足舒適性要求，因此需要對其進行進一步優化。

圖6 各出風口的風量統計

3.2 分配箱優化結構仿真

司機室空調分配箱的初始方案送風極度不均勻，為了提升送風均勻性，尤其是提高側窗風道的出風量，在分配箱內部設立導流板。經過多次優化，最終確定的結構如圖7所示：通過在分配箱內部設立5塊導流擋板，將風量按比例輸送至各個出風口。此外，為了降低由于增加導流擋板而引起的壓力損失，在導流板拐彎處以圓弧過渡。

圖7 司機室分配箱結構優化后模型

通過對優化后的模型進行仿真計算，分配箱內部的流線圖和速度云圖如圖8和圖9所示：在增加導流擋板后，各個出風口的流量差異顯著減小，此時由于側窗風道流量的增加，司機室分配箱風速的最大值發生在兩側的管道內。

圖8 分配箱內部流線圖

圖9 分配箱不同x、y截面速度云圖

圖10為分配箱結構優化后，各出風口的風量統計。從圖中可以看出，優化后，各出風口的風量波動顯著降低，其中側窗出風口out 9和out 10的風量從15.3 m3/h上升到了98 m3/h。側窗的送風均勻性得到了明顯的改善。

圖10 各出風口風量統計

3.3 優化前后對比分析

圖11為優化前后司機室分配箱各個出風口的風量對比。在增加導流擋板之后，出口風量的最大值從152.5 m3/h下降至98.7 m3/h。從圖中可以看出：優化后的出風口風量波動明顯降低，其中側窗出風口out9和out10的流量大幅度增加，優化前后，分配箱出風口的最大送風偏差從38.3%降低至16.1%，大幅度提升了司機室的整體送風均勻性。

圖11 優化前后出風口風量對比

4 結論

本文對某項目的司機室空調分配箱進行了CFD仿真優化，通過在分配箱內部加入導流板，經過大量仿真分析，得到了送風均勻性良好的分配箱結構。本研究在該司機室分配箱設計初期就對其進行了仿真優化設計，在后續的試驗驗證過程中，只需要對該分配箱結構進行微調即能夠得到較為理想的送風均勻性，既縮短了試驗周期，又節省了成本。

1)通過采用仿真計算的方法對司機室分配箱進行計算仿真，研究其內部的壓力和速度變化，對分配箱設計提供技術指導。

2)通過對初始分配箱結構進行仿真計算，分析其內部流場，發現分配箱內部增加導流板可以有效提升其送風均勻性。

3)采用流場仿真分析手段優化分配箱結構，可有效地降低試驗周期和成本。