空調(diào)列車室內(nèi)流動與傳熱的模擬研究

李紅民

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空調(diào)列車室內(nèi)流動與傳熱的模擬研究

李紅民

（中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 長沙 410083）

空調(diào)列車室內(nèi)空氣的速度場、溫度場是研究空調(diào)列車室內(nèi)氣流組織設(shè)計及空調(diào)列車室內(nèi)舒適環(huán)境評價的基礎(chǔ)。運用-紊流模型對空調(diào)硬座列車室內(nèi)氣流組織，主要是速度場和溫度場進行了數(shù)值模擬。將人體散熱和太陽輻射作為能量方程的附加源項，采用有限容積法和交錯網(wǎng)格將計算區(qū)域進行離散，用SIMPLE算法計算了空調(diào)硬座列車室內(nèi)流動與傳熱問題，為空調(diào)列車室內(nèi)氣流組織優(yōu)化設(shè)計及舒適性研究奠定了基礎(chǔ)。

空調(diào)列車；有限容積法；數(shù)值模擬

0 引言

空調(diào)列車室內(nèi)空氣的速度場、溫度場是研究空調(diào)列車室內(nèi)氣流組織設(shè)計及空調(diào)列車室內(nèi)舒適環(huán)境評價的基礎(chǔ)。以往空調(diào)列車的氣流組織設(shè)計是參照室內(nèi)氣流組織設(shè)計，將送風(fēng)氣流看成射流，通過求解射流的經(jīng)驗公式來確定車廂內(nèi)各個斷面的溫度分布和速度分布[1,2]。由于空調(diào)列車室內(nèi)人員多、發(fā)熱量大，而送風(fēng)速度一般比較低，因此需要同時考慮強迫對流和自然對流的影響，而且通過玻璃窗的太陽輻射和車室內(nèi)固體壁面間的輻射對空氣的流場亦有很大影響，空調(diào)列車室內(nèi)存在座椅、行李架等固體區(qū)域，使得空調(diào)列車室內(nèi)的空氣流場數(shù)值計算成為一復(fù)雜熱邊界條件、氣固耦合傳熱數(shù)值計算問題。而射流的經(jīng)驗公式無法考慮到車廂形狀及座椅等的影響，也無法考慮到自然對流對射流形成的影響，故采用射流的經(jīng)驗公式獲得的經(jīng)驗數(shù)據(jù)結(jié)果是比較粗糙的[3-6]。本文采用-三維紊流模型，應(yīng)用SIMPLE算法[7]計算了空調(diào)硬座列車室內(nèi)氣固耦合傳熱問題，對空調(diào)列車室內(nèi)氣流組織，主要是速度場和溫度場進行了數(shù)值模擬。文中著重研究了空調(diào)硬座列車室內(nèi)流場和溫度場分布規(guī)律，為空調(diào)列車室內(nèi)氣流組織優(yōu)化設(shè)計和舒適性研究奠定了基礎(chǔ)。

1 空調(diào)列車計算模型

1.1 物理模型

以K25型空調(diào)硬座列車為研究對象，其幾何參數(shù)為：列車半車身長7.5m，車室寬2.8m，凈高2.3m，車廂左右兩側(cè)各設(shè)5排等間距（750mm）的座椅（寬分別為800mm和1200mm），在車廂上側(cè)左右對稱各設(shè)一排行李架（寬600mm），通風(fēng)方式為頂部送風(fēng)，即在車廂頂部對稱設(shè)有5個孔板送風(fēng)口（尺寸200mm×400mm），回風(fēng)方式為側(cè)回風(fēng)，即在車廂兩側(cè)利用車門回風(fēng)（尺寸800mm×2000mm），其系統(tǒng)圖如圖1所示。由于車廂內(nèi)部的布置及送風(fēng)方式呈左右對稱分布，除車廂兩端固定座椅的布置使邊界條件相異外，基本上可認為每排座椅的通風(fēng)條件是相同的。

圖1 空調(diào)列車計算模型系統(tǒng)圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

（1）空調(diào)列車室內(nèi)空氣為不可壓縮且符合Boussinesq假設(shè)，即認為流體密度變化僅對浮升力產(chǎn)生影響；

（2）流動為穩(wěn)態(tài)紊流；

（3）忽略固體壁面間的熱輻射，車室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)；

（4）假設(shè)流場具有高紊流Re數(shù)，流體的紊流粘性具有各向同性；

（5）氣流為低速不可壓縮流動，可忽略由流體粘性力作功所引起的耗散熱；

（6）不考慮漏風(fēng)的影響，認為空調(diào)列車室內(nèi)氣密性良好。

根據(jù)以上假設(shè)，空調(diào)列車室內(nèi)空氣流動與傳熱控制方程可寫成如下通用形式：

表1 控制方程組

表1中，為有效壓力，在物體表面紊流動能=0，即為時均壓力；μ為粘性系數(shù)，μμ+μ；μ為層流粘性系數(shù)，μ=ρV∞/R；μ為紊流粘性系數(shù)，μ=Cρk2/；P為層流普朗特數(shù)；為熱流密度，W/m2；C為空氣的定壓比熱，kJ/kg·K；1，2，c，σ，σ，σ為經(jīng)驗常數(shù)，其取值為：1=1.44，2=1.92，c=0.09，σ=0.9，σ=1.0，σ=1.3；為紊流動能產(chǎn)生項，公式如下：

1.3 邊界條件

本研究以K25型空調(diào)硬座列車車室內(nèi)部為模擬研究對象，車室內(nèi)采用頂送風(fēng)方式，送風(fēng)口形式為孔板送風(fēng)，以此作為計算入口邊界，以車室兩端車門用于回風(fēng)作為計算出口邊界，由于車室內(nèi)的氣流分布呈對稱式，為簡化計算，取半個車身長度的空間作為研究區(qū)域，將車室中間斷面處理成絕熱邊界。

入口邊界：

==0，=2m/s，=291K，=0.002，=0.00008。

出口邊界：==0，=1m/s，=P。

熱源條件：本研究的熱源主要為人體散熱，人體散熱量按115W/人計算，將這些熱量均勻分布在座位上方，對于通過車廂一側(cè)玻璃窗的太陽輻射量，采用Monte Carlo 法[8,9]對太陽輻射能在車室內(nèi)各內(nèi)表面的分配比例進行計算，以此兩項作為能量方程的附加源項。

2 網(wǎng)格劃分及數(shù)值求解方法

（1）對流項采用迎風(fēng)差分格式，將擴散項與對流項的影響系數(shù)分離開來，使方程絕對穩(wěn)定。

（2）把相鄰節(jié)點的影響系數(shù)表示為對流分量與擴散分量之和，將對流部分歸并入源項。

3 計算結(jié)果及分析

本文對K25空調(diào)列車室內(nèi)的三維空氣流場和溫度場進行了數(shù)值計算，獲得的結(jié)果比較理想。圖2～圖4為車頂中部孔板送風(fēng)的各斷面速度場分布，圖5～圖7為車室內(nèi)各斷面溫度場分布，由圖可知：

（1）送風(fēng)口的布置對空調(diào)列車室內(nèi)流場影響較大，車室內(nèi)采用頂部中央孔板送風(fēng)，送風(fēng)氣流在車廂兩側(cè)座椅處形成兩股比較大的流動旋渦，列車中部空氣流動強度較大，空調(diào)效果較好，而兩側(cè)座椅處空調(diào)效果相對較差。

（2）在一定的送風(fēng)速度范圍內(nèi)（=2～3m/s），送風(fēng)速度對空調(diào)列車室內(nèi)流場分布影響不大，改變送風(fēng)速度，各個斷面的速度大小發(fā)生改變，但車室內(nèi)空氣流動速度分布趨勢不變；當(dāng)送風(fēng)速度為2m/s時，到達座位區(qū)距車室地板0.6m斷面處的平均速度為0.13m/s，當(dāng)送風(fēng)速度為3m/s時，到達座位區(qū)距車室地板0.6m斷面處的平均速度為0.15m/s?？照{(diào)列車室內(nèi)上部區(qū)域流速較大，溫度較低，下部區(qū)域流速較小，溫度較高，致使上下區(qū)域溫差較大，從而會影響乘客的熱舒適感。

（3）人體散熱、太陽輻射對車室內(nèi)流場影響不大，但對溫度場影響較大，座位區(qū)由于人員集中，空氣溫度比車室中部溫度要高，車廂右側(cè)由于受太陽照射的作用，靠近右側(cè)車廂座位區(qū)的溫度是很高的，其中最高溫度為27.3℃，比車廂中部過道處的最低溫度24.1℃要高出3.2℃。

（4）座椅、行李架等障礙物對車室內(nèi)流場和溫度場影響較大，由于車廂兩端固定座椅的布置不同，車室內(nèi)流場分布不對稱，左側(cè)座椅正上方出現(xiàn)一個很大的流動旋渦，而右側(cè)座椅上方的流動旋渦明顯左移；車廂兩側(cè)因行李架阻撓通風(fēng)氣流有效的帶走熱量，使該處的溫度分布略高于該斷面其他各處（圖6），=1.9m斷面處于座椅區(qū)，座椅處下方除通道外為通風(fēng)死角區(qū)，熱量不能被有效帶走，故座椅處的溫度要高于其他垂直斷面處的溫度分布（圖5）。

圖2 X=1.9m斷面速度矢量圖

圖3 X=2.9m斷面速度矢量圖

圖4 Y=1.4m斷面速度矢量圖

圖5 X=1.9m斷面溫度分布圖

圖6 X=2.9m斷面溫度分布圖

圖7 Y=1.4m斷面溫度分布圖

4 結(jié)論

（1）對空調(diào)列車室內(nèi)空氣流動和傳熱的數(shù)值分析，可以有效地預(yù)測車室內(nèi)流場和溫度場的分布情況，優(yōu)選空調(diào)列車室內(nèi)氣流組織設(shè)計方案，這樣既縮短設(shè)計周期，節(jié)省人力、物力與財力，又可以實行優(yōu)化控制，以獲得滿意的空調(diào)效果。

（2）空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)布置對空調(diào)列車室內(nèi)空調(diào)效果有較大影響，送風(fēng)口的布置對空調(diào)列車室內(nèi)流場分布影響較大，而送風(fēng)速度在一定的送風(fēng)速度范圍內(nèi)（=2～3m/s）對兩側(cè)座椅處的空氣流動強度影響不大。

（3）人體散熱、太陽輻射對車室內(nèi)流場影響不大，但對溫度場影響較大，座位區(qū)由于人員集中，空氣溫度比車室中部溫度要高，車廂右側(cè)由于受太陽照射的影響，座位區(qū)靠近車廂右側(cè)的溫度比車廂中部的溫度要高出3℃左右。

（4）座椅、行李架等障礙物對車室內(nèi)流場和溫度場影響較大，由于車廂兩端固定座椅的布置不同，車室內(nèi)流場呈不對稱分布，兩側(cè)座椅處流動強度不同，座椅處和行李架處的溫度較高。

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[1] 莊達民,林國華,袁修干.高速列車艙內(nèi)氣流分布的數(shù)值模擬[J].鐵道學(xué)報,2000,22(2):26-30.

[2] 李超,張成方.石家莊地鐵3號線車廂內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬及分析[J].制冷與空調(diào),2016,30(2):153-157.

[3] Han T. Three-dimensional navier-stokes simulation for passenger compartment cooling[J]. Int J of Vehicle Design, 1989,10(2):223-235.

[4] Trent E Schulte, Donald J Bergstrom, James D Bugg. Numerical Simulation of Three-Dimensional Airflow in Unfurnished Rooms[J]. ASHRAE Transactions, 1999: 68-76.

[5] K C Chung. Three-dimensional analysis of airflow and contaminant particle transport in a partitioned enclosure[J]. Building and Environment, 1999,34(3): 7-17.

[6] 吳俊云,童靈,陳芝久.空調(diào)客車室內(nèi)三維紊流流動與傳熱數(shù)值研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,1999,33(3):331-334.

[7] 陳煥新,黃素逸,張登春.空調(diào)列車室內(nèi)三維紊流流動與傳熱的數(shù)值模擬[J].華中科技大學(xué)學(xué)報,2002,46(3): 52-54.

[8] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1988.

[9] 卞伯繪.輻射換熱的分析與計算[M].北京:清華大學(xué)出版社,1988.

Simulation Research on Flow & Heat Transfer in Air Conditioning Train Passenger Compartment

Li Hongmin

( School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha, 410083 )

The velocity and temperature fields in the air conditioning compartment were the basis of studying the air distribution design and comfortable environment evaluation in air conditioning train. By-turbulence model, the indoor air fluid flow and heat transfer problems were resolved by finite volume method in interlacing grid with SIMPLE algorithmic, and the 3-D distributions of the airflow field and temperature field in the chamber were numerically simulated. The effect of solar radiation and body heat was taken into account and these auxiliary heat flows were the source term of the energy equation. It gave a basis for the optimized design of air distribution and comfortable study in the air conditioning compartment.

air conditioning compartment; finite volume method; numerical simulation

TK124/U238

A

1671-6612（2018）02-210-05

李紅民（1969-），男，研究生，實驗師，E-mail：lhongmin@mail.csu.edu.cn

2017-11-13