新型動(dòng)車組送風(fēng)系統(tǒng)仿真分析

單修洋　劉明偉

摘? 要：文章基于某新型動(dòng)車組空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立風(fēng)道及客室計(jì)算域幾何模型，進(jìn)行風(fēng)道及客室內(nèi)送風(fēng)過程的仿真計(jì)算，分析風(fēng)道送風(fēng)量及客室內(nèi)流場分布情況，并根據(jù)仿真分析結(jié)果對當(dāng)前的風(fēng)道結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;送風(fēng)風(fēng)道;動(dòng)車組

中圖分類號(hào)：U270? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）07-0113-02

Abstract： In this paper， the geometry model of air-supply duct and carriage zone is established based on the air-supply system of a new type of EMU. The simulation is conducted to compute the air-supply process in the duct and carriage zone. And then the airflow distribution is analyzed to offer optimization suggestions for the current air-supply duct structure.

Keywords： numerical simulation; air-supply duct; EMU

1 概述

動(dòng)車組客室送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置有多個(gè)送風(fēng)口、回風(fēng)口以及廢排風(fēng)口，整個(gè)客室空間內(nèi)空氣流場分布較為復(fù)雜，導(dǎo)致客室內(nèi)送風(fēng)均勻性很難達(dá)到很好的效果，為提高送風(fēng)均勻性，需對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷優(yōu)化。對送風(fēng)過程的研究可利用試驗(yàn)法和仿真分析法，由于仿真分析法的成本低且能獲得更多的流場數(shù)據(jù)，因此本文使用CFD數(shù)值仿真的方法對動(dòng)車組客室送風(fēng)系統(tǒng)各風(fēng)口送風(fēng)量及客室內(nèi)流場分布進(jìn)行分析。

2 送風(fēng)系統(tǒng)仿真模型

2.1 送風(fēng)系統(tǒng)幾何模型

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)三維幾何模型根據(jù)現(xiàn)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建。為真實(shí)反映客室通風(fēng)系統(tǒng)的流場特征，幾何模型在搭建過程中對行李架、送、回風(fēng)及廢排風(fēng)道等細(xì)節(jié)特征進(jìn)行了保留，對客室外圍區(qū)域、座椅等對流場特性影響不大的部件進(jìn)行了近似簡化處理。風(fēng)道三維幾何模型如圖1所示。

2.2 送風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)格模型

網(wǎng)格劃分過程中采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行風(fēng)道和整個(gè)客室空間計(jì)算域的空間離散。在網(wǎng)格劃分過程中，對送風(fēng)道、回風(fēng)道、廢排風(fēng)道、行李架等幾何尺寸較小、對流動(dòng)特性影響較大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，對于數(shù)據(jù)梯度變化不大的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸適當(dāng)放大，使得網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量得到了很好的控制。風(fēng)道和客室計(jì)算域內(nèi)某一截面的網(wǎng)格劃分結(jié)果為六面體網(wǎng)格總數(shù)約1068萬。

2.3 計(jì)算模型設(shè)置

根據(jù)流場內(nèi)的流速及流場幾何結(jié)構(gòu)估算流場雷諾數(shù)Re>2000，因此流動(dòng)模型選擇Realizable k-ε湍流模型封閉方程組，采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)速度與壓力之間的耦合求解。計(jì)算過程中，假設(shè)客室內(nèi)空氣為理想不可壓縮氣體，空氣流動(dòng)狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，且不考慮客室內(nèi)空氣的泄漏[1][2]。

空調(diào)機(jī)組送風(fēng)口采用流量入口邊界（邊界參數(shù)：3900m3/h），廢排風(fēng)口采用流量出口邊界（邊界參數(shù)：1350 m3/h），回風(fēng)口采用壓力出口邊界（邊界參數(shù)：-210.0Pa），其它各壁面采用無滑移壁面邊界。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)道風(fēng)口風(fēng)量分析

風(fēng)道各風(fēng)口的送回風(fēng)量情況分別如下所示：

3.1.1 回風(fēng)口回風(fēng)量

編號(hào)1：回風(fēng)量：210.7m3/h，風(fēng)量偏差率32.2%;編號(hào)2：回風(fēng)量：188.09m3/h，風(fēng)量偏差率18.01%;編號(hào)3：回風(fēng)量：169.95m3/h，風(fēng)量偏差率6.63%;編號(hào)4：回風(fēng)量：156m3/h，風(fēng)量偏差率-2.12%;編號(hào)5：回風(fēng)量：146.79m3/h，風(fēng)量偏差率-7.9%;編號(hào)6：回風(fēng)量：139.53m3/h，風(fēng)量偏差率-12.45%;編號(hào)7：回風(fēng)量：133.67m3/h，風(fēng)量偏差率-16.13%;編號(hào)8：回風(fēng)量：130.33m3/h，風(fēng)量偏差率-18.23%;均值：159.38m3/h。

根據(jù)以上結(jié)果分析，回風(fēng)口編號(hào)越大距離空調(diào)機(jī)組越遠(yuǎn)。距空調(diào)機(jī)組越遠(yuǎn)，回風(fēng)量越小。回風(fēng)是在蒸發(fā)風(fēng)機(jī)負(fù)壓作用下產(chǎn)生，由于回風(fēng)道沿程阻力的損耗，距離空調(diào)機(jī)組越遠(yuǎn)回風(fēng)負(fù)壓越小，導(dǎo)致支回風(fēng)道內(nèi)回風(fēng)壓差減小，回風(fēng)量減小。

3.1.2 上送風(fēng)口送風(fēng)量

編號(hào)1：送風(fēng)量：36.56m3/h，風(fēng)量偏差率-53.7%;編號(hào)2：送風(fēng)量：43.24m3/h，風(fēng)量偏差率-45.3%;編號(hào)3：送風(fēng)量：120.28m3/h，風(fēng)量偏差率52.3%;編號(hào)4：送風(fēng)量：75.8m3/h，風(fēng)量偏差率-4.1%;編號(hào)5：送風(fēng)量：60m3/h，風(fēng)量偏差率-24.1%;編號(hào)6：送風(fēng)量：70.3m3/h，風(fēng)量偏差率-10.9%;編號(hào)7：送風(fēng)量：60m3/h，風(fēng)量偏差率-24.1%;編號(hào)8：送風(fēng)量：74.48m3/h，風(fēng)量偏差率-5.7%;編號(hào)9：送風(fēng)量：65.22m3/h，風(fēng)量偏差率-17.4%;編號(hào)10：送風(fēng)量：79.7m3/h，風(fēng)量偏差率0.9%;編號(hào)11：送風(fēng)量：72.87m3/h，風(fēng)量偏差率-7.7%;編號(hào)12：送風(fēng)量：91.12m3/h，風(fēng)量偏差率15.3%。編號(hào)13：送風(fēng)量：89.92m3/h，風(fēng)量偏差率13.8%;編號(hào)14：送風(fēng)量：103.3m3/h，風(fēng)量偏差率30.8%;編號(hào)15：送風(fēng)量：108.3m3/h，風(fēng)量偏差率37.1%;編號(hào)16：送風(fēng)量：112.84m3/h，風(fēng)量偏差率42.8%;均值：79m3/h。

根據(jù)以上結(jié)果分析，送風(fēng)口編號(hào)越大距離空調(diào)機(jī)組越遠(yuǎn)。對于1號(hào)送風(fēng)口，由于在主風(fēng)道內(nèi)設(shè)置了擋板，導(dǎo)致氣流遠(yuǎn)離1號(hào)送風(fēng)口對應(yīng)的靜壓腔擋板開口，送風(fēng)量明顯偏小，對于2號(hào)送風(fēng)口，由于距離靜壓腔左側(cè)壁面距離太近，壁面處產(chǎn)生的渦流導(dǎo)致該送風(fēng)口處的送風(fēng)量減小。

3.1.3 窗間送風(fēng)口送風(fēng)量

編號(hào)1：送風(fēng)量：42.98m3/h，風(fēng)量偏差率40.9%;編號(hào)2：送風(fēng)量：36.56m3/h，風(fēng)量偏差率19.9%;編號(hào)3：送風(fēng)量：26.04m3/h，風(fēng)量偏差率-14.6%;編號(hào)4：送風(fēng)量：23.61m3/h，風(fēng)量偏差率-22.6%;編號(hào)5：送風(fēng)量：25.37m3/h，風(fēng)量偏差率-16.8%;編號(hào)6：送風(fēng)量：23.41m3/h，風(fēng)量偏差率-23.2%;編號(hào)7：送風(fēng)量：26.73m3/h，風(fēng)量偏差率-12.3%;編號(hào)8：送風(fēng)量：24.7m3/h，風(fēng)量偏差率-18.9%;編號(hào)9：送風(fēng)量：29.92m3/h，風(fēng)量偏差率-1.9%;編號(hào)10：送風(fēng)量：26.73m3/h，

風(fēng)量偏差率-12.3%;編號(hào)11：送風(fēng)量：32.65m3/h，風(fēng)量偏差率7.1%;編號(hào)12：送風(fēng)量：32.29m3/h，風(fēng)量偏差率5.9%;編號(hào)13：送風(fēng)量：37.62m3/h，風(fēng)量偏差率23.4%;編號(hào)14：送風(fēng)量：25.3m3/h，風(fēng)量偏差率30.8%;均值：30.49m3/h。

根據(jù)以上結(jié)果分析，送風(fēng)口編號(hào)越大距離空調(diào)機(jī)組越遠(yuǎn)。在1號(hào)、2號(hào)窗間送風(fēng)口處，由于設(shè)置的靜壓腔擋板開口偏大，使得此處靜壓腔內(nèi)靜壓偏大，導(dǎo)致送風(fēng)量明顯偏大。

3.2 客室速度場分析

客室內(nèi)上下送風(fēng)口截面的速度場分布分別如圖2和圖3所示。

從圖中的仿真結(jié)果中可以看出廢排風(fēng)速最大可達(dá)到14m/s，客室內(nèi)風(fēng)速都不超過0.5m/s。通過分析上圖，在機(jī)組端第一個(gè)送風(fēng)口位置處出現(xiàn)最大風(fēng)速，這是由于該送風(fēng)口送風(fēng)量過大導(dǎo)致?？褪覂?nèi)整體風(fēng)速在0.3m/s左右。

4 結(jié)論

通過對空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的仿真計(jì)算，對各風(fēng)口風(fēng)量及客室空間內(nèi)的速度場進(jìn)行了對比分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）由于空調(diào)機(jī)組端第一節(jié)風(fēng)道的靜壓腔擋板開口設(shè)置偏大，導(dǎo)致3號(hào)上送風(fēng)口和1、2號(hào)窗間送風(fēng)口的送風(fēng)量明顯偏大。同時(shí)也導(dǎo)致靜壓腔內(nèi)氣流從機(jī)組端向非機(jī)組端流動(dòng)，產(chǎn)生橫向風(fēng)速，使得出風(fēng)口處出現(xiàn)渦旋，在送風(fēng)量一定的條件下支送風(fēng)風(fēng)道內(nèi)局部風(fēng)速偏大，易產(chǎn)生噪聲。建議減小該風(fēng)道靜壓腔擋板開口尺寸，減小第一節(jié)風(fēng)道靜壓腔內(nèi)的風(fēng)量。

（2）由于主風(fēng)道內(nèi)安裝的擋板高度偏高且距離1號(hào)上送風(fēng)口較近，導(dǎo)致氣流遠(yuǎn)離1號(hào)上送風(fēng)口對應(yīng)的靜壓腔擋板開口，此處靜壓偏小，送風(fēng)量偏小。建議減小主風(fēng)道內(nèi)擋板高度，從而增大此處靜壓。

（3）在主風(fēng)道內(nèi)，風(fēng)速從機(jī)組端到非機(jī)組端不斷減小，主風(fēng)道內(nèi)靜壓不斷增大，因此建議靜壓腔擋板上的開口應(yīng)隨主風(fēng)道內(nèi)靜壓的增大而減小，實(shí)現(xiàn)向靜壓腔內(nèi)均勻送風(fēng)的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張登春，翁培奮.載人列車車廂內(nèi)空氣流場溫度場數(shù)值模擬[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24（6）：904-910.

[2]劉志永，尹海國.基于乘客熱舒適性的空調(diào)列車軟臥包廂送風(fēng)氣流組織優(yōu)化研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2017，39（12）：50-57.

[3]劉春鄭.動(dòng)車組空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)衛(wèi)生狀況調(diào)查[J].商品與質(zhì)量，2015（49）：24.