地鐵列車客室通風的數值仿真研究

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,266111,青島∥第一作者,高級工程師)

地鐵列車客室空調通風系統主要由空調機組和風道組成,氣流需要通過送風道向客室內送風,通過回風道將客室內部分氣流回風到空調機組[1]。地鐵車輛風道設計過程中有時會將內裝構成風道的一部分,而送風道、回風道設計存在車輛部件包含在風道內部的情況,從而增加風道的阻力。為了對某地鐵列車客室空調通風風道及客室空間的氣流組織分布進行系統研究,需要采用仿真分析手段,在列車風道設計階段對客室空間流場及溫度場分布情況進行分析及評估。

目前計算流體動力學仿真技術已在風道及客室通風系統設計中得到廣泛應用,可以在設計方案初期通過可視化的仿真分析,初步評估風道及客室空間速度場、壓力場及溫度場的分布情況。并可根據仿真計算結果制作風道樣件,進行試驗測試,從而提升研發效率,降低研發成本[2]。本文采用Star-CCM+軟件建立數值仿真模型,并針對各部位,完成網格劃分、邊界設置、仿真計算及結果分析等。

1 建立數值仿真模型

1.1 幾何模型

為真實反映地鐵車輛風道及客室空間內的流場特征,需保留并適當簡化對流場影響較大的模型結構及細節特征。

在構建送風道幾何模型的過程中,保留并適當簡化了司機室送風道、主送風道靜壓腔、送風道內導流結構及內裝構成風道結構等。

在構建回風道幾何模型的過程中,保留并適當簡化了主回風道、回風口擋板,以及風道內部的線束、排水管、門機構及電器箱等[3]。

在客室空間內,保留并適當簡化了座椅、扶手及門窗等部件,省略了安裝固定結構等對流場影響不大的部件。圖1為最終簡化處理后的各主要部位的仿真幾何模型。其中,客室空間整體長約23 m,寬約3 m,高約2 m,主送風道長約20 m。

a) 送風道

1.2 模型的網格劃分

運用Star-CCM+軟件自帶的網格處理模塊,進行風道及整個客室計算域的空間離散[4]。在網格劃分過程中,對司機室送風道、風道內導流結構、線束、排水管、門機構、電器箱、座椅及扶手等幾何尺寸較小且對流動特性影響較大的結構進行網格加密處理[5];對于數據梯度變化不大的區域,將網格尺寸適當放大,使得網格數量和質量得到很好控制。整車網格劃分后的仿真模型如圖2所示,整車空間體網格總數約為1 800萬個。

圖2 整車網格劃分后的仿真模型

2 仿真計算結果

2.1 送風道

圖3為送風道的空間流線分布。氣流經空調送風口進入主送風道以后,經送風口下方導流板導流,向主送風道中間及兩側區域流動,其中一部分氣流送往司機室區域。

圖3 送風道的空間流線分布截圖

圖4為主送風道中間截面速度場分布。由圖4可見:空調送入風道內的氣流在空調送風口下導流板的作用下向兩側流動;距風口較遠的風道兩端及風道中間位置的流速較低,導流板區域的流速較高。氣流從主送風道靜壓腔兩側的孔板流入風道兩側,進而實現通過門區及窗區的送風口向客室內送風。

圖4 主送風道中間截面速度場分布截圖

2.2 回風道

圖5為回風道空間流線分布。由圖5可見:氣流經窗下4個回風口進入回風道,經過回風道內的線束、排水管、門機構及電器箱等擾流部件后,再經由2個回風口進入空調機組。

圖5 回風道空間流線分布

圖6為回風道車門區域截面速度場分布。由于回風道內門機構、電器箱等部件的存在,氣流流動相對混亂。在空調機組回風口區域,空調機組排水管、電纜等部件的存在,減小了回風面積,致使局部風速增大。

圖6 回風道車門區域截面速度場分布截圖

2.3 客室空間

圖7為整車客室空間流線分布?？照{氣流進入客室中間主送風道之后,從窗區及門區的兩側隱形送風口向客室內送風,其中一部分氣流通過司機室的支送風道向司機室送風。客室內氣流一部分通過窗區兩側回風道從空調回風口回到空調機組,另一部分通過客室端部的廢排風道排出客室。整體來看,送、回風道可有效地向客室空間區域送風,可保證送風均勻性和氣流組織空間分布的均勻性。

a) 縱向剖面

圖8為客室空間典型送、回風截面上的壓力分布云圖。由圖8可以看出,整個客室空間內的壓力分布比較均勻,壓力梯度較小,客室內為微正壓。送風道內的正壓分布較高,回風道內負壓整體最高,可以保證客室內氣流在壓力差驅動下流動。

圖8 客室典型截面壓力場分布截圖

圖9為不同工況下的客室典型截面溫度場分布。由圖9可以看出,空調將較低或較高溫度氣流從主送風道送入客室,與客室熱空氣及熱源進行熱量交換后,整個客室溫度分布趨于均勻,制冷工況客室平均溫度為22.5 ℃,制熱工況客室平均溫度為18 ℃,滿足工程設計要求。

a) 制冷工況

3 結論

1) 地鐵列車空調通風系統整體技術方案滿足工程設計要求,客室空間氣流組織分布均勻,客室內微正壓,溫度分布均勻。

2) 送風道送風均勻,空調送風口下方弧形導流板結構對空調送風具有良好的導流以及流量分配作用。

3) 回風道內門機構、電器箱等部件的存在,致使氣流流動相對比較混亂?；仫L口區域存在空調機組排水管、電纜等部件,減小了回風面積,致使局部風速增大。

4) 整個客室空間內的壓力分布比較均勻,壓力梯度較小,客室內為微正壓。送風道內的正壓分布較高,回風道內負壓整體最高,廢排風道內的負壓次之。

5) 在制冷及制熱工況下,整車客室空間內的溫度分布整體較均勻,溫差較小,滿足制冷及制熱溫度要求。