城際軌道交通車輛空調通風系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究

王維斌 劉韶慶 陳大偉 林 鵬 雷銀霞

城際軌道交通車輛空調通風系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究

王維斌 劉韶慶 陳大偉 林 鵬 雷銀霞

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，266111，青島∥第一作者，工程師）

基于某型號城際軌道交通車輛頭車建立客室及空調通風系統(tǒng)風道的三維幾何模型，采用多面體網(wǎng)格離散計算域和流量進出口邊界，將SIMPLE算法與Realizable k-ε湍流模型相結合，進行送風道的仿真優(yōu)化及試驗驗證，以完成客室空間三維全流場仿真計算。研究表明，合適開孔率的孔板通過調節(jié)孔板位置對調節(jié)送風均勻性效果顯著。通過對客室空間氣流組織分布以及典型截面壓力場和溫度場的仿真分析表明，頭車客室空間內的流場及溫度場分布整體較均勻，滿足工程設計要求。

城際軌道交通車輛；空調通風系統(tǒng)；數(shù)值仿真

城際軌道交通車輛（以下簡為城際車輛）客室空間存在多個送風口、回風口以及廢排風口，整個客室空間氣流組織及溫度場分布較為復雜。其空調通風系統(tǒng)的風道管路復雜，各處的流動阻力不同［1］，各送風口的送風量存在差別，而回風性能、廢排性能在設計階段也較難掌控。

城際車輛空調通風系統(tǒng)風道設計的一個重要目標就是在降低風道阻力的基礎上，提高各個送風口的送風均勻性。隨著流體仿真技術的日益成熟，可在風道初步設計階段通過仿真手段研究合理的孔板開口率及孔板位置，通過試驗在風道內增加孔板結構的方式調節(jié)送風均勻性［2］，能較大地縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

基于某型號城際車輛，進行送風道的仿真優(yōu)化及試驗驗證，建立包括送風道、回風道、廢排風道及司機室、客室空間在內的三維全流場幾何模型，完成客室空間及典型截面的速度場、壓力場、溫度場的仿真分析。

1 幾何模型及網(wǎng)格模型

城際車輛客室空間空調通風系統(tǒng)仿真分析采用三維全流場幾何模型。為真實反映空調通風系統(tǒng)的流場特征，幾何模型在構建過程中對司機室送風管、回風口擋板、送風道導流板、送風道孔板、廢排風道導流板、送風及回風風道等細節(jié)特征進行了保留［3-4］，對客室外圍區(qū)域、門、窗、座椅等對流場特性影響不大的部件進行了近似簡化處理。

采用多面體網(wǎng)格進行整個客室空間計算域的空間離散。在網(wǎng)格劃分過程中，對司機室送風管、回風口擋板、廢排風道導流板、孔板、送風道和回風風道等幾何尺寸較小、對流動特性影響較大的結構進行網(wǎng)格加密處理［5-6］，對于數(shù)據(jù)梯度變化不大的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸適當放大，使得網(wǎng)格數(shù)量和質量得到了很好的控制。頭車計算域最終多面體網(wǎng)格數(shù)量約500萬，如圖1所示。

2 數(shù)值算法及邊界條件

圖1 頭車全流場計算域網(wǎng)格模型

客室空間內流場為三維黏性定常的不可壓縮湍流流場，采用Realizable k-ε湍流模型。

控制方程方面，與空間相關的擴散項均采用二階中心差分格式離散，對流項采用二階迎風格式離散。

采用SIMPLE算法實現(xiàn)速度與壓力之間的耦合，采用分離式隱式方案求解三維時均雷諾N-S方程。

客室空間全流場計算域進口采用質量進口邊界，計算域回風口及廢排風口采用質量出口邊界，可以保證計算域的空氣流量與設計值一致。

3 送風道優(yōu)化

圖2為頭車送風道優(yōu)化前各個送風口氣流速度分布，可以看出，空調機組送風口附近區(qū)域的送風量明顯較少，而空調送風口中間區(qū)域的送風量明顯較大，整體送風均勻性較差。

圖2 送風道優(yōu)化前風速分布

孔板開孔率及在風道內的相對位置是影響送風均勻性的重要因素。通過對其進行仿真優(yōu)化，最終優(yōu)化方案的孔板風道內的壓力場分布如圖3所示。可以看出，主送風道空調送風口附近為高壓區(qū)，而靜壓箱兩側送風道的壓力分布在孔板的調節(jié)作用下整體比較均勻，保證了送風的均勻性。

圖3 孔板送風道壓力場分布

圖4為頭車送風道優(yōu)化前后出風口風速分布的對比。可以看出，優(yōu)化后風速差異得到很大改善，整體風速分布較均勻，前幾個風速變化波動較大的送風口是司機室送風口。通過后期的試驗驗證，優(yōu)化方案的送風均勻性滿足工程應用的要求。

圖4 頭車送風道優(yōu)化前后出風口風速分布

4 客室仿真分析

4.1 氣流組織分布

從圖5所示頭車客室空間氣流組織分布來看，空調氣流進入客室中間送風道之后，從中間主送風道兩側送風口向客室送風，其中一部分通過中間風道向司機室送風?？褪覐目褪覂蓚然仫L道回風，從客室下方兩個廢排風道向外排風。整個客室氣流組織分布比較均勻，很少出現(xiàn)氣流死區(qū)，可以保證風道送風均勻性和氣流組織空間分布的均勻性。

圖5 頭車客室氣流組織分布

4.2 壓力場

圖6為頭車縱向中心截面上的總壓力分布云圖?？梢钥闯?，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6 頭車縱向中心截面的總壓力分布

4.3 溫度場

圖7~9為制冷工況下，距車內地板高度分別為0.5 m、1.2 m、1.7 m處截面的溫度場分布?？梢钥闯?，隨著高度的增加，溫度分布的均勻性越來越好，在1.2 m及1.7 m處截面的平均溫度在25℃左右，而且分布較均勻。

圖10~12為制熱工況下，距車內地板高度分

圖7 制冷工況下，距車內地板高度為0.5 m處截面的溫度場分布

圖8 制冷工況下，距車內地板高度為1.2 m處截面的溫度場分布

圖9 制冷工況下，距車內地板高度為1.7 m處截面的溫度場分布

圖10 制熱工況下，距車內地板高度為0.5 m處截面的溫度場分布

圖11 制熱工況下，距車內地板高度為1.2 m處截面的溫度場分布

圖12 制熱工況下，距車內地板高度為1.7 m處截面的溫度場分布

別為0.5 m、1.2 m、1.7 m處截面的溫度場分布?？梢钥闯觯S著高度的增加，截面平均溫度逐漸升高。在1.2 m及1.7 m處截面的平均溫度在21℃左右，而且分布較均勻。

5 結語

通過對某城際車輛頭車空調通風系統(tǒng)送風道的仿真優(yōu)化可以看出，在送風道合理位置放置合適開孔率的孔板對調節(jié)送風均勻性具有重要作用。通過對客室空間氣流組織分布和典型截面的壓力場、溫度場進行的仿真分析，可以看出，頭車客室氣流組織分布比較均勻、壓力梯度較小、氣流死區(qū)較少，在制冷及制熱工況下，頭車客室空間內的溫度分布整體較均勻、溫差較小，滿足工程設計要求。

［1］ 鄧建強，靳誼勇，張早校，等.空調客車內風道三維湍流流動特性數(shù)值研究［J］.制冷學報，2001，40（1）：30

［2］ 劉杰，李人憲，陳琳，等.高速列車空調系統(tǒng)及車內流場分析［J］.西南交通大學學報，2012，47（1）：127

［3］ 楊晚生，張吉光，張艷梅.靜壓式空調送風道送風均勻性研究［J］.鐵道運輸與經(jīng)濟，2005，27（1）：79

［4］ 史自強，盧紀富，靳誼勇，等.空調列車室內氣流組織的三維數(shù)值模擬［J］.河南科技大學學報（自然科學版），2004，25（3）：70

［5］ 陳煥新，黃素逸，張登春.空調列車室內三維紊流流動與傳熱的維數(shù)值模擬［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2002，30（3）：52

［6］ 鄧建強，馮詩愚，張早校，等.鐵路空調客車內流場、溫度場的數(shù)值模擬和實驗研究［J］.暖通空調，2005，35（6）：20.

Numerical Simulation of Air Conditioning and Ventilation System for Inter-city Train

WANG Weibin，LIU Shaoqing，CHEN Dawei，LIN Peng，LEI Yinxia

A 3D geometrical model of air duct for the air conditioning and ventilation system in passenger compartment is established based on the first car of an inter-city train.Polyhedral mesh elements are used to discrete the computational domain and the boundary of inlet and outlet flows.Then，SIMPLE algorithm is combined with Realizable k-ε turbulent model to carry out simulation optimization and experimental verification,and finally to complete numerical calculation of the 3D internal flow in the passenger compartment.The research results are of important significance for the optimal design of train air supply duct，and a simulation of the pressure field and temperature field in the typical section shows that the velocity and temperature distribution in passenger compartment can meet the engineering design requirements.

inter-city rail transit train；HVAC；numerical simulation

U270.383

10.16037/j.1007-869x.2017.11.006

Author′s address CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，266111，Qingdao，China

2016-03-04）