關(guān)于列車空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究

吳　堅(jiān),郭小玉（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東　青島　266000）

關(guān)于列車空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究

吳堅(jiān),郭小玉
（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東青島266000）

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活品質(zhì)的需求也愈發(fā)強(qiáng)烈，為了滿足乘客在乘車時(shí)能有一個(gè)舒適，空氣質(zhì)量良好的乘車環(huán)境，人們?cè)诓粩嗟赝晟坪驼{(diào)節(jié)空氣，并通過一系列的仿真實(shí)驗(yàn)研究出怎樣改善空氣流動(dòng)，了解空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)踐中的運(yùn)作。本文主要通過對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究，得出空氣中的含濕量和人體散熱量對(duì)列車溫度影響結(jié)論。

空調(diào)系統(tǒng)；含濕量；散熱量；數(shù)值仿真研究

對(duì)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重視非常重要，因?yàn)樗鼘?duì)鐵路客車有很大的輔助作用，它性能的好壞有可能直接影響到車內(nèi)的空氣質(zhì)量以及旅客是否健康舒適。CFD這種技術(shù)雖然在暖通空調(diào)領(lǐng)域發(fā)展成熟，但在列車領(lǐng)域還有些不足之處，利用CFD這種技術(shù)來(lái)進(jìn)行列車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值仿真模擬研究，可以知道車內(nèi)空氣流動(dòng)變化以及溫度的分布情況，得出空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的不足之處，再來(lái)加以改進(jìn)。最后，通過空氣中含濕量以及人體散熱量對(duì)溫度的影響得出空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究的結(jié)論[1]。

1　空調(diào)系統(tǒng)的概念以及種類

1.1概念

為了滿足人們對(duì)室內(nèi)的環(huán)境要求，改善室內(nèi)氣候條，用一種人為的方法，進(jìn)行室內(nèi)空氣的溫度、風(fēng)度、濕度、含塵濃度的處理，使某些場(chǎng)所獲得質(zhì)量好的空氣。換言之就是調(diào)節(jié)空氣參數(shù)的一種機(jī)器設(shè)備。

1.2種類

（1）根據(jù)系統(tǒng)風(fēng)量的固定情況劃分：定風(fēng)量系統(tǒng)、變風(fēng)量系統(tǒng)。

（2）根據(jù)使用情況的不同劃分：工藝性空調(diào)系統(tǒng)、舒適性空調(diào)系統(tǒng)。

（3）根據(jù)系統(tǒng)控制情況不同劃分：一般空調(diào)系統(tǒng)、高精度空調(diào)系統(tǒng)。

2　建立空調(diào)模型以及模型所得值分析

2.1建立模型

由于此種工程的設(shè)備結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，在實(shí)際操作中對(duì)于數(shù)值進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要合理簡(jiǎn)化。對(duì)此，需要制作一個(gè)適用于空氣流動(dòng)計(jì)算的模型。分析空氣流通道路至關(guān)重要，它影響著溫度的分布，最后建立一個(gè)列車內(nèi)空調(diào)主風(fēng)的流動(dòng)方向計(jì)算模型。

2.2原始模型的結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)分析表明，從列車的縱向方向開始，出風(fēng)口的流量會(huì)逐漸增大，這是因?yàn)閺倪M(jìn)風(fēng)口流進(jìn)風(fēng)道內(nèi)的時(shí)候，氣流會(huì)具有一定的速度，在流經(jīng)車廂前部的入風(fēng)口時(shí)，只有少量的氣流能夠通過入風(fēng)口進(jìn)入車廂內(nèi)，這是因?yàn)閼T性的原理；當(dāng)氣流塊到達(dá)車廂尾部的時(shí)后，大部分氣流都會(huì)集中在車廂的尾部，這是因?yàn)闅饬鞅旧硭俣乳_始減小或者是因?yàn)轱L(fēng)道壁的阻擋，因此造成車廂尾部的風(fēng)高于進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)，出現(xiàn)了車廂末端的溫度比車廂前端的溫度低．這是由于車廂內(nèi)的溫度不均勻分布造成的，這也就說明此了這個(gè)列車風(fēng)道設(shè)計(jì)是不合理的。

2.3修改后模型的分析

根據(jù)原始模型所得結(jié)果進(jìn)行了改進(jìn)，分別對(duì)車廂頂部入風(fēng)口結(jié)構(gòu)的改進(jìn)制作出不同方案，并且把得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最終選出最適合的空氣調(diào)節(jié)模型。

3　空氣含濕量對(duì)溫度影響的仿真研究

3.1含濕量的概念

含濕量是指，在濕空氣中，與一千克干空氣同時(shí)并存的水蒸氣的質(zhì)量。

3.2濕度對(duì)溫度的影響分析

濕度對(duì)于溫度的分布具有一定的影響，室外環(huán)境如此，那么在列車這樣相對(duì)密布的空間里，濕度也在發(fā)揮著影響列車溫度的功能。考慮濕度對(duì)溫度的影響則要計(jì)算其發(fā)熱量，而計(jì)算發(fā)熱量就必須考慮到全熱，全熱是顯熱和潛熱合起來(lái)所產(chǎn)生的熱量的總稱。在空氣中，有一部分熱量會(huì)隨著溫度的變化而變化，那就是所謂的顯熱，而另一部分熱量是隨著含濕量的變化而變化的，這是潛熱，也就是空氣中水蒸汽的汽化熱。

我們來(lái)設(shè)定一組數(shù)據(jù)表明含濕量對(duì)溫度的影響：設(shè)定車廂進(jìn)風(fēng)的溫度是289K，進(jìn)入車廂內(nèi)的新風(fēng)相對(duì)濕度是75%；車廂排風(fēng)溫度是300K，相對(duì)濕度是60%；回風(fēng)溫度是300K，相對(duì)濕度是60%，外界環(huán)境溫度是308K．為了了解空氣含濕量在車廂內(nèi)的情況，我們將車廂溫度的變化制作了分布圖，根據(jù)分布圖可以看出，車廂內(nèi)整體的溫度都不高，尤其是乘客所在的區(qū)域，這是因?yàn)榭諝庵芯哂兴魵?，空氣受到它的影響?dǎo)致氣溫下降，因此，考慮含濕量的溫度要比不考慮含濕量的溫度低。[3]考慮空氣含濕量的車廂比正常溫度低3℃在考慮空氣含濕量的情況下，沿車廂縱向方向相同點(diǎn)的溫度比不考慮空氣含濕量低5～6℃這就說明空氣中的水蒸汽對(duì)溫度的分布有很大的影響。

4　人體散熱對(duì)車廂內(nèi)溫度的影響

另一個(gè)影響列車溫度的原因是人體散熱，而人體散熱是車廂內(nèi)主要的散熱來(lái)源。

人體散熱主要的方式有兩種，一種是，首先，可以設(shè)定一個(gè)熱源，假設(shè)車廂的人數(shù)是36人，如果將每個(gè)人的散熱量定為102W來(lái)計(jì)算，每個(gè)人均勻的坐在自己的位置上，相當(dāng)于所有熱量都均勻分布，再對(duì)這種熱量的擴(kuò)散進(jìn)行觀察。另一種是，將人體熱量傳遞到到椅子上，這是兩種熱源都是處于一種溫度分布當(dāng)中，再將二者在車廂內(nèi)所取的特定點(diǎn)的溫度進(jìn)行比較，我們可以看出第一種方法比第二種方法的溫度高，這是因?yàn)槎x熱源的熱量分布比較集中，而經(jīng)熱量傳遞到椅子上的熱量分布較散，不集中。所以，熱量集中的地方溫度高，反之則低。

5　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)列車空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究得出，空氣中的含濕度對(duì)溫度的分布有很大的影響，通過控制和調(diào)節(jié)列車內(nèi)含濕度可以改變車廂內(nèi)的溫度，而車廂內(nèi)的另一個(gè)溫度來(lái)源是人體散熱，通過定義熱源和將熱源傳遞椅子上的方式得到熱量的散布情況，并以此來(lái)調(diào)節(jié)溫度。[4]最后還可以從車廂主要通風(fēng)口進(jìn)行改造以改變溫度。這樣的仿真研究對(duì)社會(huì)的發(fā)展具有很大的意義。

[1]楊暉,賈力,楊立新.列車運(yùn)動(dòng)對(duì)地鐵站臺(tái)空氣溫度分布動(dòng)態(tài)影響的數(shù)值分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2009,33(01)。

[2]蔣文濤,徐峻,裴勇.置換通風(fēng)在列車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2006,19(04)。

[3]劉杰,李人憲,陳琳等.高速列車空調(diào)系統(tǒng)及車內(nèi)流場(chǎng)分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,47(01).

[4]王東屏,兆文忠,劉剛等.考慮空氣含濕量的列車空調(diào)系統(tǒng)數(shù)值仿真[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,29(05).