高速列車(chē)車(chē)內(nèi)溫度場(chǎng)與氣流場(chǎng)研究

李國(guó)清，王大智，襲望，韓璐，劉斌

(中國(guó)北車(chē)集團(tuán) 唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035)*

0 引言

高速列車(chē)的廣泛運(yùn)營(yíng)已成為我國(guó)在世界高速列車(chē)領(lǐng)域提高競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志.高鐵車(chē)廂舒適性成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，從旅客的舒適性出發(fā)研究適合空調(diào)列車(chē)的氣流組織顯得至關(guān)重要［1］.而客室內(nèi)空氣流動(dòng)與傳熱規(guī)律研究是空調(diào)車(chē)室內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)及舒適環(huán)境評(píng)價(jià)的基礎(chǔ).高速列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的性能，除了與空調(diào)本身的性能及機(jī)組的大小有關(guān)外，還與整個(gè)客室的熱環(huán)境和空氣的品質(zhì)有重要的關(guān)聯(lián).為了改善旅客乘車(chē)的舒適性和提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，提升空調(diào)系統(tǒng)能效，高速列車(chē)使用了良好的隔熱保溫材料以及密封措施.國(guó)內(nèi)外一些研究者正積極開(kāi)展這方面的研究工作［2-5］.

針對(duì)某高速列車(chē)車(chē)內(nèi)速度、溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算研究，包括兩個(gè)高級(jí)包間、四個(gè)普通包間、一位端和二位端電器設(shè)備等結(jié)構(gòu)模型.送風(fēng)邊界條件參考送風(fēng)風(fēng)量、湍動(dòng)能系數(shù)、耗散系數(shù)以及溫度;回風(fēng)口邊界條件參考回風(fēng)量的大小、湍動(dòng)能系數(shù)以及耗散系數(shù).

1 計(jì)算模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

車(chē)廂內(nèi)的氣體流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)，比較復(fù)雜.室內(nèi)氣體屬于牛頓流體，而且流動(dòng)速度較低，可視為不可壓縮流體，并滿(mǎn)足理想氣體狀態(tài)方程;另外，認(rèn)為客室氣體滿(mǎn)足Boussinesq假設(shè)，認(rèn)為流體密度的變化僅僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響，即僅在計(jì)算浮升力時(shí)考慮流體密度的變化.

客室內(nèi)氣流流動(dòng)和傳熱滿(mǎn)足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律，其在直角坐標(biāo)系中微分形式的控制方程如下［6］:

連續(xù)性方程:

式中，u、v、w分別為流體在x、y、z三個(gè)坐標(biāo)方向上的速度分量，ρ為流體的密度.

動(dòng)量方程:

式中，fx、fy、fz為 x、y、z三個(gè)坐標(biāo)方向上的單位質(zhì)量力;p為作用在單位面積上的表面力分布函數(shù).

能量方程:

式中，T為溫度;λ為流體導(dǎo)熱系數(shù);cp為定壓比熱.

1.2 幾何模型

臥鋪車(chē)廂包括:兩個(gè)高級(jí)包間、四個(gè)普通包間、一位端以及二位端電器設(shè)備.客室內(nèi)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)口分別位于車(chē)廂客室頂板處、窗戶(hù)下端以及車(chē)廂內(nèi)壁下端.回風(fēng)口位于二位端空調(diào)的下方，廢排分別位于一位端、二位端內(nèi)，如圖1所示.

圖1 臥鋪車(chē)廂的三維數(shù)學(xué)模型示意圖

1.3 網(wǎng)格劃分

整個(gè)車(chē)廂采用了以六面體網(wǎng)格為主的混合體網(wǎng)格，總生成的網(wǎng)格數(shù)為9608074.

1.4 邊界條件及其假設(shè)

臥鋪車(chē)的總送風(fēng)量為4 000 m3/h，廢排風(fēng)量為500 m3/h.夏季運(yùn)行時(shí)，70%的總風(fēng)量從車(chē)廂客室頂板均勻送出，9%的總風(fēng)量從兩側(cè)車(chē)窗下端送出，21%的總風(fēng)量從車(chē)廂兩側(cè)內(nèi)壁下端送出;冬季運(yùn)行時(shí)，30%的總風(fēng)量從車(chē)廂客室頂板均勻送出，21%的總風(fēng)量從兩側(cè)車(chē)窗下端送出，49%的總風(fēng)量從車(chē)廂兩側(cè)內(nèi)壁下端送出.

由于送風(fēng)總量以及各出風(fēng)口風(fēng)量的大小已知，且送風(fēng)均勻，即送風(fēng)口處選用速度入口邊界條件，夏季運(yùn)行時(shí)其送風(fēng)口處干空氣的溫度取18℃，干空氣的密度取1.213 kg/m3，冬季運(yùn)行時(shí)其送風(fēng)口處干空氣的溫度取20℃，干空氣的密度取1.205 kg/m3;回風(fēng)量一定、廢排總量一定的情況下，本文假定一位端5個(gè)廢排風(fēng)量均為84 m3/h，二位端2個(gè)廢排風(fēng)量均為40 m3/h.

夏季和冬季運(yùn)行下的計(jì)算結(jié)果，選取的截面依次為 y=100、500、1 200、1 700 mm、z=1 000 mm(普通包間中心截面)、z=11 250 mm(高級(jí)包間中心截面);共選取了10條直線(xiàn)，它們?yōu)楦靼g的中心線(xiàn)、一位端走廊中心線(xiàn)以及二位端走廊中心線(xiàn)，10條直線(xiàn)的位置如圖2所示.

圖2 臥鋪車(chē)廂內(nèi)1～10號(hào)直線(xiàn)分布圖

2 結(jié)果及討論

2.1 夏季運(yùn)行下的計(jì)算結(jié)果與分析

夏季運(yùn)行工況下，臥鋪車(chē)廂各個(gè)截面的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分析結(jié)果如圖3、圖4、表1所示.

四個(gè)包間在y∈(1.5，2)區(qū)間內(nèi)溫度、速度波動(dòng)劇烈，3號(hào)包間比較突出;從頂部到底部溫度呈升高趨勢(shì)，平均速度呈下降趨勢(shì).兩個(gè)包間在y∈(1，2)區(qū)間內(nèi)溫度波動(dòng)劇烈，y∈(1.7，2)區(qū)間內(nèi)速度波動(dòng)劇烈.從頂部到底部溫度呈升高趨勢(shì)，平均速度呈下降趨勢(shì).一、二位端走廊以及客室走廊中線(xiàn)的速度、溫度分布值以及曲線(xiàn)走勢(shì).第7、8、10曲線(xiàn)的溫度在y∈(0，2)區(qū)間整體平緩，第9條曲線(xiàn)的溫度為先降后增;平均速度方面，第7、8、9曲線(xiàn)的平均速度在y∈(0，2)區(qū)間變化幅度較大且規(guī)律各不一樣，第10條曲線(xiàn)的平均速度大小變化微小.

表1 車(chē)廂內(nèi)不同位置中心線(xiàn)處各點(diǎn)參數(shù)分布(夏季)

整個(gè)車(chē)廂的最高溫度值與最低溫度值分別為20.4℃，17.9℃，差值為 2.5℃.

由圖3可以看出，包間內(nèi)上鋪的最高平均速度為1號(hào)普通包間左邊上鋪x=2.7 m處的一點(diǎn)，平均速度的值為0.38 m/s;溫度最大值為1號(hào)普通包間左、右邊上鋪x=1.3 m處的兩點(diǎn)，其溫度值均為19.45℃.

圖3 普通、高級(jí)包間內(nèi)上鋪各點(diǎn)的參數(shù)值(夏季)

由圖4可以看出，包間內(nèi)下鋪的最高風(fēng)速為1號(hào)高級(jí)包間右邊下鋪x=1.3 m處的一點(diǎn)，平均速度的值為0.095 m/s;溫度最大值為1號(hào)普通包間右邊下鋪x=2.0 m處的一點(diǎn)，其溫度值都為20.005℃.

圖4 普通、高級(jí)包間內(nèi)下鋪各點(diǎn)的參數(shù)值(夏季)

2.2 冬季運(yùn)行下的計(jì)算結(jié)果與分析

冬季運(yùn)行工況下，臥鋪車(chē)廂各個(gè)截面的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分析結(jié)果如圖5、圖6、表2所示.

四個(gè)包間在y∈(1.7，2)區(qū)間內(nèi)溫度、平均速度波動(dòng)劇烈;從頂部到底部溫度呈下降趨勢(shì)，平均速度呈下降趨勢(shì);兩個(gè)包間在y∈(1.6，2)區(qū)間內(nèi)溫度波動(dòng)劇烈，y∈(1.7，2)區(qū)間內(nèi)速度波動(dòng)劇烈;一、二位端走廊以及客室走廊中線(xiàn)的溫度、平均速度分布值以及曲線(xiàn)走勢(shì).四條曲線(xiàn)在y∈(0，2)區(qū)間內(nèi)溫度值變化微小，第8、第10曲線(xiàn)上的平均速度值變化微小，第7、第9曲線(xiàn)上的平均速度變化幅度小.從頂部到底部溫度基本沒(méi)變.

整個(gè)車(chē)廂的最高溫度值與最低溫度值分別為22.6、19.9℃，差值為2.7℃.

表2 車(chē)廂內(nèi)不同位置中心線(xiàn)處各點(diǎn)參數(shù)分布(冬季)

由圖5可以看出，包間內(nèi)下鋪的最高風(fēng)速為1號(hào)普通包間右邊下鋪x=1.3 m處的一點(diǎn)，平均速度的值為0.028 m/s;溫度最大值為1號(hào)普通包間左邊下鋪x=2.0 m處的一點(diǎn)，其溫度值均為20.25℃.

圖5 普通、高級(jí)包間內(nèi)下鋪各點(diǎn)的參數(shù)值(冬季)

由圖6可以看出，包間內(nèi)上鋪的最高風(fēng)速為1號(hào)高級(jí)包間右邊上鋪x=2.0 m處的一點(diǎn)，平均速度的值為0.017 m/s;溫度最大值為1號(hào)高級(jí)包間右邊上鋪x=2.7 m處的一點(diǎn)，其溫度值均為20.2℃.

圖6 普通、高級(jí)包間內(nèi)上鋪各點(diǎn)的參數(shù)值(冬季)

2.3 改進(jìn)方案

從模擬結(jié)果可知，夏季、冬季運(yùn)行時(shí)空調(diào)系統(tǒng)普遍存在一個(gè)問(wèn)題:一位端處廢排風(fēng)量小，空氣流動(dòng)性較差.改進(jìn)方案為，修改二位端的廢排量為零，500 m3/h的全部廢排量從一位端的5個(gè)廢排口排出，其中一位端機(jī)柜附近的廢排風(fēng)量為220 m3/h，其余四個(gè)廢排風(fēng)量均為70 m3/h.夏季、冬季各送風(fēng)口風(fēng)量?jī)?yōu)化值如下:

夏季送風(fēng)工況:在送風(fēng)溫度不變，總風(fēng)量4 000 m3/h，總廢排風(fēng)量500 m3/h一定的前提下，客室頂板送風(fēng)量為2600 m3/h(即總風(fēng)量的65%，比先前減少了200 m3/h);走廊側(cè)各個(gè)車(chē)窗的總送風(fēng)量為480 m3/h，走廊側(cè)各個(gè)車(chē)壁下端的總送風(fēng)量為320 m3/h;一位端車(chē)窗以及一位端車(chē)壁下端的送風(fēng)量為200 m3/h;包間內(nèi)各個(gè)車(chē)窗的總送風(fēng)量為240 m3/h，包間內(nèi)各個(gè)車(chē)壁下端的總送風(fēng)量為160 m3/h.計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表3 車(chē)廂內(nèi)不同位置中心線(xiàn)處各點(diǎn)優(yōu)化后參數(shù)分布(夏季)

冬季送風(fēng)工況:在送風(fēng)溫度不變，總風(fēng)量4 000 m3/h，總廢排風(fēng)量500 m3/h一定的前提下，客室頂板送風(fēng)量為1 600 m3/h(即總風(fēng)量的40%，比先前增加了400 m3/h);走廊側(cè)各個(gè)車(chē)窗的總送風(fēng)量為360 m3/h，走廊側(cè)各個(gè)車(chē)壁下端的總送風(fēng)量為740 m3/h;一位端車(chē)窗以及一位端車(chē)壁下端的送風(fēng)量為200 m3/h;包間內(nèi)各個(gè)車(chē)窗的總送風(fēng)量為360 m3/h，包間內(nèi)各個(gè)車(chē)壁下端的總送風(fēng)量為740 m3/h.計(jì)算結(jié)果如表4所示.

表4 車(chē)廂內(nèi)不同位置中心線(xiàn)處各點(diǎn)優(yōu)化后參數(shù)分布(冬季)

3 結(jié)論

對(duì)高速鐵路空調(diào)客車(chē)的送風(fēng)以及車(chē)內(nèi)溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真研究，以期尋找一種既滿(mǎn)足乘客車(chē)內(nèi)流場(chǎng)舒適度要求又有良好空氣質(zhì)量的送風(fēng)方式.通過(guò)對(duì)客室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的數(shù)值模擬得出以下結(jié)論:

(1)客室內(nèi)空調(diào)原風(fēng)量的分配方案溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果不能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求;

(2)通過(guò)調(diào)整整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量進(jìn)行，使得客室內(nèi)的溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)滿(mǎn)足了乘客舒適度標(biāo)準(zhǔn)的要求.客室內(nèi)的溫度差小于3℃，氣流場(chǎng)速度在0.2～0.6 m/s之間.

［1］靳誼勇，郁永章.鐵路空調(diào)客車(chē)車(chē)內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬［J］.制冷學(xué)報(bào)，2002，33(2):30-34.

［2］吳俊云，劉訓(xùn)海，劉穎.客車(chē)空調(diào)環(huán)境舒適性能數(shù)值與試驗(yàn)研究［J］.汽車(chē)工程，2005(5):587-591.

［3］張登春，于梅春，王海橋.空調(diào)列車(chē)室內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬［J］.湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，17(1):69-72.

［4］王芳，臧建彬，于佳等.高速列車(chē)客室內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬［J］.制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2011，137(32):45-48.

［5］HAN T.Three dimensional navier-stokes simulation for passenger compartment cooling［J］.International Journal of Vehide Design，1989(2):175-179.

［6］Zienkiewics O C(英)，Taylor R L(美).有限元方法流體動(dòng)力學(xué)［M］.5版，北京:清華大學(xué)出版社，2005.