某地鐵車(chē)輛客室送風(fēng)道送風(fēng)均勻性?xún)?yōu)化分析

王常宇 單紅娜

(1.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，130062，長(zhǎng)春； 2.長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司，130022，長(zhǎng)春∥第一作者，高級(jí)工程師)

隨著我國(guó)城市軌道交通的不斷發(fā)展, 對(duì)地鐵車(chē)廂內(nèi)乘客熱舒適性的研究備受關(guān)注[1-2]。客室空調(diào)送風(fēng)道良好的送風(fēng)均勻性是決定乘客舒適性的重要指標(biāo)，因此合理設(shè)計(jì)空調(diào)送風(fēng)道成為了整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中較為重要的環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[3]分析了帶有靜壓腔式空調(diào)送風(fēng)道的送風(fēng)原理及結(jié)構(gòu)，提出了在送風(fēng)道內(nèi)增加擾流板的改進(jìn)建議。

本文對(duì)某地鐵車(chē)輛客室送風(fēng)道進(jìn)行仿真分析與模擬計(jì)算, 獲得了送風(fēng)均勻性氣流組織云圖、各段送風(fēng)口的質(zhì)量流量，以及各段送風(fēng)口與整體送風(fēng)口平均值的相對(duì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差;此外，對(duì)初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的客室送風(fēng)道送風(fēng)均勻性有所提高。本研究可為空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)。

1 研究對(duì)象及計(jì)算模型建立

1.1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象為某地鐵車(chē)輛客室送風(fēng)道。初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖1所示：氣流由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)道靜壓腔，經(jīng)靜壓腔隔板條縫進(jìn)入主風(fēng)道，最后由送風(fēng)口送往客室。

圖1 初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)Fig.1 Initial air delivery duct structure

1.2 建立計(jì)算模型

為了更真實(shí)地模擬送風(fēng)道的送風(fēng)情況，計(jì)算建模包含客室區(qū)域。進(jìn)風(fēng)口及回風(fēng)口模型如圖2所示。經(jīng)風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入地鐵車(chē)輛客室的氣流在客室循環(huán)后，由回風(fēng)口流出。為了便于后續(xù)對(duì)送風(fēng)均勻性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)風(fēng)道出風(fēng)口進(jìn)行簡(jiǎn)要?jiǎng)澐郑瑥乃惋L(fēng)口1開(kāi)始，每隔600 mm設(shè)置1個(gè)送風(fēng)口，共設(shè)置15個(gè)送風(fēng)口(送風(fēng)口1—送風(fēng)口15)，其模型如圖3所示。

圖2 進(jìn)風(fēng)口及回風(fēng)口模型Fig.2 Model of air inlet and return air inlet

圖3 送風(fēng)口模型Fig.3 Model of air outlet

在Pointwise軟件中簡(jiǎn)化上述三維模型，在STAR-CCM+軟件中進(jìn)行計(jì)算模型的前處理工作。為提高計(jì)算準(zhǔn)確度且考慮到計(jì)算模型的收斂性問(wèn)題，本次計(jì)算采用的體網(wǎng)格數(shù)量約為500萬(wàn)個(gè)。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

基于送風(fēng)均勻性氣流組織云圖、各段送風(fēng)口質(zhì)量流量及各段送風(fēng)口與整體送風(fēng)口平均值的相對(duì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差等評(píng)價(jià)參數(shù)，評(píng)價(jià)客室送風(fēng)道的送風(fēng)均勻性。

1.4 邊界條件設(shè)定

邊界條件設(shè)定為：① 空氣在風(fēng)道中的流動(dòng)為湍流，空氣密度不變且不考慮空氣的溫度變化，風(fēng)道壁面設(shè)為絕熱；② 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每個(gè)進(jìn)風(fēng)口的體積流量為2 000 m3/h，為了便于計(jì)算，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓密度為1.29 kg/m3的條件下，將進(jìn)風(fēng)口的體積流量換算為質(zhì)量流量，并將進(jìn)風(fēng)口空氣流量設(shè)置為質(zhì)量流量，取值為0.718 kg/s，回風(fēng)口空氣壓力設(shè)置為相對(duì)壓力，取為0。

2 初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)

各段送風(fēng)口的評(píng)價(jià)參數(shù)如表1所示，其中各段送風(fēng)口與整體送風(fēng)口平均值的相對(duì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.635。初始送風(fēng)道的速度云圖(主視圖)如圖4所示。由表1和圖4可知，送風(fēng)道靠近機(jī)組下方的送風(fēng)口氣流流速較小，而送風(fēng)道端部區(qū)域氣流速度較大，送風(fēng)均勻性較差。

表1 各段送風(fēng)口的評(píng)價(jià)參數(shù)Tab.1 Evaluation parameters of each sectional air supply outlet

圖4 初始送風(fēng)道的送風(fēng)速度云圖(主視圖)

3 優(yōu)化后的送風(fēng)道結(jié)構(gòu)

針對(duì)客室兩端送風(fēng)速度較大且整體送風(fēng)不均勻的問(wèn)題，將主風(fēng)道優(yōu)化為變間距結(jié)構(gòu)。為了使靜壓腔內(nèi)的氣流更為均勻地送入客室，并減小送風(fēng)道兩端的送風(fēng)量，取消靜壓腔內(nèi)的擋板設(shè)計(jì)。同時(shí)，考慮到送風(fēng)道內(nèi)的安裝可行性問(wèn)題，從一位側(cè)主風(fēng)道隔板和二位側(cè)主風(fēng)道隔板起始端開(kāi)始，在兩側(cè)主風(fēng)道隔板間每隔500 mm布置一個(gè)擋板，優(yōu)化后的送風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖5所示。優(yōu)化送風(fēng)道結(jié)構(gòu)后，各送風(fēng)口的質(zhì)量流量和相對(duì)誤差如表2所示，其中各段送風(fēng)口與整體送風(fēng)口平均值的相對(duì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.535。優(yōu)化后送風(fēng)道的送風(fēng)速度云圖(主視圖)如圖6所示。

圖5 優(yōu)化后的送風(fēng)道結(jié)構(gòu)Fig.5 Optimized air delivery duct structure

表2 優(yōu)化送風(fēng)道結(jié)構(gòu)后各送風(fēng)口的質(zhì)量流量和相對(duì)誤差

圖6 優(yōu)化后送風(fēng)道的送風(fēng)速度云圖(主視圖)

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)改進(jìn)送風(fēng)道結(jié)構(gòu)及增加主風(fēng)道內(nèi)隔板的方法對(duì)初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，獲得如下結(jié)論：

1) 初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)的端部氣流速度較大，優(yōu)化后的送風(fēng)道采用變間距結(jié)構(gòu)，越靠近端部的送風(fēng)道越窄，從而降低了端部流速及流量值。

2) 由于端部氣流速度較大，初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)的送風(fēng)速度較大，送風(fēng)均勻性較差，優(yōu)化后的送風(fēng)道由一位側(cè)主風(fēng)道隔板和二位側(cè)主風(fēng)道隔板起始端開(kāi)始，在兩側(cè)主風(fēng)道隔板間每隔500 mm間距均勻布置擋板，計(jì)算獲得的各段送風(fēng)口的質(zhì)量流量更接近于整體送風(fēng)口質(zhì)量流量平均值，其相對(duì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差也有所減小，說(shuō)明優(yōu)化后送風(fēng)道的送風(fēng)均勻性更優(yōu)。