軌道列車開關門過程對客室溫度影響的數值仿真研究

王維斌，陳大偉，姚拴寶，宋軍浩

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 國家工程技術研究中心，山東 青島 266111)

軌道列車客室空調通風系統對調節列車客室空間的溫度場分布具有重要作用，作為列車客室環境調控的重要系統，對其研究也逐漸深入、細化[1]。隨著計算流體動力學(CFD)及計算機技術的發展，數值仿真模擬方法逐漸成為軌道列車空調通風及客室內流場研究的新型手段，文獻[2-6]通過數值仿真技術對不同車型的空調通風系統風道、客室內流場及溫度場進行了數值仿真研究。

軌道列車到達車站后，在開關門過程中，客室內氣流與環境氣流產生熱量交換，特別是在高寒、高熱氣候條件下，開關門過程會對客室內的溫度場分布產生一定的影響。為了評估開關門過程對列車客室內溫度變化的影響程度，本文基于某型號城際車，對夏季和冬季工況下車輛開關門過程中客室內的溫度變化過程、客室內流場分布進行了仿真研究。

1 幾何模型

圖1所示為某城際車輛客室空間及空調通風系統的三維全流場幾何模型。為真實反映城際車輛客室空調通風系統的流場特征，幾何模型包括客室空間、送風道、回風道、廢排風道、支風道、座椅、門窗等主要結構[7]，在模型構建過程中對風道內導流結構、擋板、風口、廢排縫隙等細節特征進行了保留，對客室外圍區域、座椅、門窗等對流場特性影響不大的部件進行了近似簡化處理[8]。

圖1 某城際車輛客室空間及空調通風系統幾何模型

列車開關門過程仿真計算域如圖2所示，包括圖1所示的客室空間計算域、兩側車門區域對應的2個外界大氣空間計算域，其中兩側車門區域為動網格區域，仿真過程中要實現開關門動作。一個完整開關門動作的總時長為60 s，其中開門時間為6 s，停頓時間為48 s，關門時間為6 s。

圖2 列車開關門過程仿真計算域

2 仿真模型及動網格處理

圖3為某城際車輛開關門過程仿真模型。采用多面體網格進行整個計算域的空間離散[9]，對送風道、回風道、廢排風道、支風道、風道內導流結構、擋板、風口、廢排縫隙等幾何尺寸較小但是對流動特性影響較大的結構進行了網格加密處理，針對客室外圍區域、座椅、門窗等數據梯度變化不大的區域，適當放大網格尺寸，使得網格數量和質量得到了很好的控制[10]，多面體網格數量總和約600×104。

圖3 某城際車輛開關門過程仿真模型

對于車門機構開啟和關閉的運動過程采用動網格方式處理，仿真過程采用非穩態計算，根據開關門時間及運動速度編寫程序定義車門機構區域的運動規律，車門機構主要沿直線方向運動，其中車門機構附近的網格也需要進行加密處理[11]。車門機構開啟過程中的網格運動變化如圖4所示，K1、K2、K3、K4分別表示俯視車門機構從左向右開啟過程中，依次移動到不同位置的時刻。圖5為車門機構開啟過程中車門附近區域的空氣流動，從圖5可以看出，車門機構開啟過程中，外部空間的氣流進入客室空間，隨著車門機構的動網格移動，客室內外的計算域進行數據交換，形成氣流流動，從而對開關門過程中客室溫度場的變化進行準確模擬。

圖4 車門機構開啟過程中的網格運動變化

圖5 車門機構開啟過程中車門附近區域的空氣流動

3 仿真結果分析

為了評估開關門過程對列車客室內溫度變化的影響程度，本文針對夏季和冬季工況下某型號城際車中間車開關門過程中客室內的溫度變化進行非穩態計算，并對客室內的流場分布進行分析。

3.1 夏季工況開關門過程中溫度場變化

圖6為夏季室外溫度35 ℃工況下，空調機組制冷運行時，車門開關60 s過程中客室內溫度場隨時間的變化過程。由圖6可以看出，隨著車門開啟，客室內氣流與外界氣流發生熱量交換，外界的高溫氣流進入客室，車門附近區域的溫度受此影響逐漸升高，如圖6(b)所示。車門停頓48 s后的溫度場分布如圖6(c)所示，此時，外界氣流對客室內溫度的影響范圍達到最大，車門附近區域的平均溫度由開門前的25 ℃升高至32 ℃。車門關閉對溫度的傳遞有明顯的阻隔作用，隨著車門的關閉，溫度場變化較為劇烈。在60 s時車門完全關閉，在82 s時客室空間的溫度分布恢復到開門前狀態。

圖6 夏季開關門過程中客室內溫度場變化

3.2 冬季工況開關門過程中溫度場變化

圖7為冬季室外溫度-25 ℃工況下，空調機組制熱運行時，車門開關60 s過程中客室內溫度場隨時間的變化過程。由圖7可以看出，隨著車門開啟，客室內氣流與外界氣流發生熱量交換，外界的低溫氣流進入客室，車門附近區域的溫度受此影響逐漸降低，如圖7(b)所示。車門停頓48 s后的溫度場分布如圖7(c)所示，此時，外界氣流對客室內溫度的影響范圍達到最大，車門附近區域的平均溫度由開門前的22 ℃降低至10 ℃。車門關閉對溫度的傳遞有明顯的阻隔作用，隨著車門的關閉，溫度場變化較為劇烈。在60 s時車門完全關閉，在94 s時客室空間區域的溫度分布恢復到開門前狀態。

圖7 冬季開關門過程中客室內溫度場變化

3.3 客室內流場分布

圖8為中間車客室內流場分布，由圖8可以看出，空調氣流從客室中間主送風道各個送風口向客室內送風，其中一部分氣流從客室兩側回風道以及客室端部回風道回風回到空調機組，另一部分通過客室內飾縫隙進入廢排風道排出客室。整體來看，風道設計可以有效地向中間車客室區域送風，整個客室氣流組織分布比較均勻，很少出現氣流死區，可以保證客室空間氣流組織空間分布的均勻性[12]。

圖8 中間車客室內流場分布

同時可以看出，從空調送風口進入主送風道的氣流經過靜壓箱調壓后從各個送風口送入客室區域。送風口下方的散流器對出風口氣流起到良好的導流作用[13]，使得氣流以合理角度向四周側面送風，增大了送風區域，利于獲得良好的空間氣流組織分布。窗戶下方的回風口設計可以保證氣流通過客室兩側的回風道回流，由于回風口截面積縮小，其附近區域的速度較高[14]。通過在客室長度方向上回風道間距的合理分布，可以有效調節客室內的氣流組織分布[15]。

4 總結

為了研究列車到站后開關門過程對客室內溫度分布的影響程度，本文基于某型號城際車中間車，建立了客室內流場三維幾何模型，定義了車門機構區域的運動規律，針對夏季及冬季工況下列車開關門過程中客室內溫度場變化進行了非穩態計算，并分析了客室內流場分布，得出如下結論：

夏季及冬季開關門過程對車門附近區域的溫度分布產生顯著影響，但是對客室區域溫度場的影響范圍較小且影響時間較短，主要原因為：一方面，列車整體風道設計可以有效地向客室區域送風，整個客室氣流組織分布均勻；另一方面，60 s開關門過程時間較短，客室內溫度分布可在關門后約20～30 s恢復到開門前狀態。