基于Fluent的軌道車輛風道仿真及結構優化*

孔祥峰,牛永剛

(1.南京鐵道職業技術學院,江蘇 南京 210031;2.中車南京浦鎮車輛有限公司,江蘇 南京 211800)

0 引言

風道是軌道車輛空調通風系統的重要組成部分,隨著人們對出行舒適性的要求日益提高,人們對車輛空調的性能要求也提出了更高要求。風道的結構對空調通風系統的性能影響至關重要,若送風道結構不合理,很有可能會導致輸出的風速、溫度、濕度不均勻,加上大量人員排出的二氧化碳,車廂內的空氣質量將會變得很差,從而引起乘客頭暈、惡心等不適癥狀。為了使車廂內維持穩定溫度、壓力、氣流速度等相關車內流場參數,滿足乘客乘坐的舒適性的需求,有必要對風道的結構進行仿真模擬和優化設計,從而為項目的技術準備提供數據支持。

現代計算機輔助設計和有限元理論的發展,使得流體計算軟件得以廣泛應用。本文嘗試采用ANSYS Workbench軟件建立相應的風道模型,并進行模擬和分析,優化流場流速分布,從而降低流動阻力和功耗。

1 基礎理論

1.1 流體介質模型

為使流體介質滿足通用控制方程,首先對計算流體及計算區域做如下約定:

1)流體是連續介質;

2)忽略流體的質量力;

3)忽略流體的第二粘性系數;

4)流體各向同性。

1.2 理論方程[1]

1.2.1 流體通用控制方程

(1)

1.2.2 湍動能

(2)

1.2.3 湍流耗散率

(3)

式中:Cμ取0.09,l為湍流尺度。

2 相關參數

某軌道車輛空調出風口風道初始尺寸如圖1所示,半徑R1、R2待定,其余尺寸受空間限制,不可更改。

圖1 風道尺寸圖

3 數值模擬與優化

3.1 仿真模型與模擬工況

本次模擬采用3D steady模擬,standardκ-ε、standard wall function模型[2]。

模擬工況分為兩部分:無導流板情況下,模擬不同R1、R2參數值對流場流速分布的影響,優化分析后確定R1、R2參數取值;基于選定的R1、R2參數值,在風道內增加導流板,模擬不同導流板參數下的風道流場流速分布,并進行優化分析。各工況模型如圖2所示。

圖2 模型圖

3.2 流場邊界條件選擇

本次計算模型的邊界條件為:

進口邊界:速度進口,流速4 m/s;

進口溫度:70 ℃;

出口邊界:壓力出口,壓力為標準大氣壓力;

固體邊界:無滑移邊界;

3.3 模擬與優化分析

3.3.1 工況一:R1、R2的模擬與優化分析

為減少計算量,本文僅對模型中面進行模擬分析。圖3為利用ANSYS Workbench軟件建立的仿真優化流程圖。

圖3 仿真模型

通過設定參數R1、R2的變化范圍,分別模擬不同R1、R2組合下的輸出結果,如表1所示。由表可知,各項輸出的絕對值隨R1、R2的增加而減小。因此,在不影響風道安裝的情況下,應盡量采用更大的R1、R2值。

表1 R1、R2組合對應的模擬數值

表1中各項輸出參數的含義:deltaV為出口最大流速與最小流速差,表示出口流速分布的均勻性;deltaAV表示出口平均流速與理論平均流速差,deltaP表示流場最大壓力與最小壓力差,AVP表示進口平均壓力,通過以上三項可以了解流場中流動分布和流阻。

圖4為無導流板時各項輸出對待定輸入參數R1、R2的敏感性,其中大于零時,表示輸出參數隨待定輸入參數的增大而增大;小于零時,表示輸出參數隨輸入待定參數的增大而減小。由圖可知,各項輸出參數對R1變化的敏感性相對更大。

圖4 各項輸出對R1、R2的敏感性

圖5為R1=100 mm、R2=300 mm和R1=300 mm、R2=1300 mm時的流場壓力、速度和出口流速分布圖。由圖可知,隨R1、R2的增加,流場壓力、速度和出口速度分布更加均勻。流場高壓、低壓和速度峰值更小,高壓滯留區和低壓回流區相對更小,流場流阻更小。出口速度最小值有明顯改善,流速分布更趨均勻。

圖5 R1、R2組合對應的模擬結果

3.3.2 工況二:導流板的模擬與優化分析

為了改善出口流速的分布,減小低壓回流區,嘗試在風道內增加導流板,以引導氣流運動。圖6為增加一塊導流板時,導流板距離出口左側壁面H1分別為300 mm、500 mm和700 mm時流場壓力、速度和出口流速分布。

圖6 一塊導流板不同位置對應的模擬結果

表2為一塊導流板在不同位置對應的模擬數值,結合圖6可以發現,導流板設置在流場右側時,比設置在中部和左側更能有效降低進口壓力,從而相對減少流阻,但是出口流速和流場壓力分布的均勻性相對降低。與不設導流板時相比,其流阻沒有明顯改善,有些位置甚至會使流阻稍稍增加,但出口流速的兩個輸出參數有明顯的改善。

表2 一塊導流板不同位置對應的模擬數值

分別對兩塊導流板和三塊導流板做同樣的模擬,其模擬結果分別如圖7、圖8所示,模擬數值如表3、表4所示。

表3 兩塊導流板不同位置對應的模擬數值

表4 三塊導流板不同位置對應的模擬數值

圖7 兩塊導流板不同位置對應的模擬結果

圖8 三塊導流板不同位置對應的模擬結果

由圖7、圖8和表3、表4可知,繼續增加導流板數量并合理布置后,可以繼續優化出口速度分布,但是流場速度和壓力分布并沒有得到繼續改善。綜合制造經濟性和風道性能,建議在不影響安裝的前提下采用最大的R1、R2,并增加兩塊導流板以改善出口流速分布。

4 結論

本文采用ANSYS Workbench軟件對軌道車輛空調通風道關鍵部位結構建模,模擬了不同工況下風道中氣流的壓力分布和速度分布,提取了進口平均壓力和出口速度分布。通過模擬提供了風道結構尺寸優化、風道流阻改善的計算依據。模擬結果可以指導風道結構尺寸設計,減少試驗次數,縮短設計周期,節約設計成本。

通過模擬和分析,得到了風道參數R1、R2,導流板個數和導流板布置對流場分布的影響趨勢和程度。在結構允許的情況下,采用大的R1、R2可以極大地改善風道中各參數的分布。在確定了參數R1、R2的基礎上增加導流板個數并恰當布置,可以進一步優化出口速度分布,但當導流板的個數大于二塊時,對流場的進一步改善效果不明顯,建議采用二塊導流板,后續結合試驗確定導流板的準確位置。本文采用的導流板其彎曲段均為單一曲率,對多曲率結構導流板對流場的影響并未涉及。