某車載醫(yī)療方艙風道仿真分析及改進設(shè)計

黃 健,陸嘉偉，王 彥，王偉利，陳 威，王良模

(1.蘇州江南航天機電工業(yè)有限公司，江蘇 蘇州 215300) (2.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

車載醫(yī)療方艙通風系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)是保證艙內(nèi)空氣質(zhì)量、提供適宜溫度的重要部件。作為冷卻系統(tǒng)重要組成部分的風道，承擔著將空調(diào)吹出的風分散到艙內(nèi)各處的任務(wù)，風道的出風均勻性直接影響了艙內(nèi)各位置的溫度均勻性。

風道內(nèi)氣流的流動特性是一個值得研究的問題，許多風道結(jié)構(gòu)都存在出風口出風不均的現(xiàn)象。Ou等[1]在出風口安裝導(dǎo)流板后改善了氣流路線，提升了各出風口處溫度分布的均勻性。朱娟娟等[2]研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板的安裝位置和形狀對出風均勻性存在一定的影響。陶其銘等[3]針對不合理的導(dǎo)流板布置進行改進設(shè)計，消除了因?qū)Я靼褰Y(jié)構(gòu)問題引起的分風比不合理問題，通過調(diào)整風道拐彎處的圓弧半徑，達到減少大尺度渦流的效果。Sroka等[4]研究發(fā)現(xiàn)彎道處流體的壓力脈動比直管處更加劇烈。由于離心力和慣性的作用，彎道處更容易發(fā)生流動分離和二次流現(xiàn)象[5-6]，這會使得彎道處流體的流動路線十分不規(guī)則。Hu等[7]提出將彎道后的直管段做成漸縮的形狀，使得流體的流動均勻性得到了一定改善。

本文將計算流體力學(CFD)仿真分析和實驗相結(jié)合進行風道流場研究，觀察流場存在的問題，并分別針對方艙直風道和彎風道進行改進，以提高風道流速的均勻性。

1 車載醫(yī)療方艙風道CFD模型的建立

對風道結(jié)構(gòu)進行簡化，直接建立內(nèi)部流體域的三維模型(如圖1所示)，主要由出風箱、直出風管道和彎出風管道組成。在風道中間位置布置有一塊導(dǎo)流板，入風口為直徑400 mm的圓， 每根管道均布4個350 mm×300 mm的矩形出風口。

圖1 風道流體域三維模型

由于風道的幾何特性較為復(fù)雜，因此采用四面體網(wǎng)格來劃分模型。對于導(dǎo)流板以及一些結(jié)構(gòu)變化較大的部位，網(wǎng)格適當加密，以便于更好地捕捉這些結(jié)構(gòu)處的流場變化。邊界層設(shè)置為5層，每一層的增長率為1.1。

2 車載醫(yī)療方艙風道流速均勻性分析

風道承擔著送風的任務(wù)，需要保證各個出風口的氣流流速盡可能相等，從而保證室內(nèi)各個位置的溫度分布均勻。

2.1 風道仿真分析

對模型進行穩(wěn)態(tài)分析，采用湍流k-ε模型，標準Standard壁面函數(shù)。此處將速度方向假設(shè)為垂直于進風口方向，入口設(shè)置為速度入口，速度大小分別為1.0 m/s以及1.5 m/s，水力直徑為400 mm，湍流強度為4.5%以及4.2%。出口設(shè)置為壓力出口，采用表壓形式，相對于大氣壓的表壓值為0 Pa。出口處每個孔的水力直徑均為323.08 mm，湍流強度為4.5%以及4.2%。

2.2 風道流速試驗

采用QDF-6型數(shù)字風速儀對風道各出風口流速進行測量，表1為直風口實驗流速,表2為彎出風口實驗流速，流速值為選取每個出風口3個測點測量之后所取的平均流速。

表1 直風口實驗流速 m·s-1

表2 彎出風口實驗流速 m·s-1

2.3 對比分析

由圖2(a)可知：直風道的出風口流速仿真和實驗結(jié)果基本吻合，導(dǎo)流板前一個出風口以及風道最末端的出風口，由于導(dǎo)流板和風道壁面對氣流的截止作用，流速有一個明顯的上升，但是剩余兩個出風口的流速較低，造成了直風道4個出風口流速分配不均勻。

由圖2(b)可知，彎風道后兩個出風口的流速仿真和實驗結(jié)果吻合，但是前兩個出風口流速的仿真和實驗結(jié)果差異較大。原因是彎道處氣流流向發(fā)生改變，并且轉(zhuǎn)彎處風道截面積發(fā)生變化導(dǎo)致流速改變，使靠近彎道處存在大量的渦流，而前兩個出風口靠近彎道使得出口處風速不穩(wěn)定。

3 車載醫(yī)療方艙風道改進

3.1 直風道結(jié)構(gòu)改進

首先對直風道結(jié)構(gòu)進行改進，入口處的進風量設(shè)置為350 m3/h。為評價各出風口的流速均勻性，引入標準差的概念。標準差越小，說明各出風口流速與平均值之間的差異越小，代表出風的均勻性越好。

圖2 風道出口流速對比

1)增加導(dǎo)流板。

表3 為不同導(dǎo)流板個數(shù)情況下各出風口流速?？梢钥闯?，無導(dǎo)流板時，氣流都集中在風道后半部分，尤其是最后一個出風口，流速是前幾個出風口的好幾倍，均勻性較差。

只有1塊導(dǎo)流板時，靠近導(dǎo)流板的出風口以及末端出風口由于導(dǎo)流板和風道壁的攔截作用，出口流速明顯偏大，但是剩余兩個出口的流速較低，造成了4個風口流速差異大。除最末端的出風口外，在每個出風口的后面加入導(dǎo)流板后，出風的均勻性得到了明顯的改善。但是，加入導(dǎo)流板后，氣流流動的阻力加大，導(dǎo)致4個出風口流速的平均值有所下降。由圖3的流跡線可以看出，入口的變截面處和導(dǎo)流板處會形成大量的渦流。

表3 出風口流速

圖3 直風道流跡線

考慮到1塊導(dǎo)流板情況下流速均勻性很差，沒有實際應(yīng)用價值，而3塊導(dǎo)流板對流速均勻性有很大提升，后續(xù)分析均采用3塊導(dǎo)流板的方案，并在此基礎(chǔ)上進一步減少風道內(nèi)部的渦流，增加出風口的流速均勻性。

2)調(diào)節(jié)入口大小。

入口大小原來為235 mm×50 mm，與風道截面積差異過大，過渡得不好，因此入口處存在兩個大尺度渦流。現(xiàn)將之調(diào)整為240 mm×55 mm、250 mm×60 mm兩種方案，得到的結(jié)果見表4。從表中數(shù)據(jù)可以看出，增大入口的面積，流速的均勻性相差不大，但是出風口流速的平均值得到略微提高。此處主要觀察內(nèi)部流場的分布情況是否有所改善，目的是改善入口變截面處兩個大尺度渦流。

3.2 彎風道結(jié)構(gòu)改進

1)增加導(dǎo)流板。

對于彎風道同樣存在各出風口流速分配不均的問題，同樣在出風口處加入導(dǎo)流板，仿真結(jié)果見表5。彎風道的氣流流動情況比較特殊，由于90°彎道的存在，使得此處氣流流動方向發(fā)生改變，并且此處風道截面積突然變大使得流速下降變化較大，因此拐彎處極易形成渦流，如圖4流跡線所示，3種方案在靠近彎道內(nèi)側(cè)都存在一個大尺度渦流，并且彎道處的氣流主要聚集在風道外側(cè)。

表4 不同入口大小情況下各出風口流速

表5 不同導(dǎo)流板個數(shù)情況下各出風口流速

圖4 彎風道流跡線

無導(dǎo)流板時，情況與直風道一樣，氣流都集中在風道后半部分，尤其是最后一個出風口，流速是前幾個出風口的好幾倍，均勻性較差。只有中間1塊導(dǎo)流板時，流動路線比較不規(guī)則，在彎道內(nèi)側(cè)和風道末端有兩個大尺度渦流。各出風口氣流的分布規(guī)律和直風道的情況類似，導(dǎo)流板處和風道末端的氣流流速明顯大于另外兩個出口，整體的均勻性差。3塊導(dǎo)流板時，此方案氣流大部分被第一塊導(dǎo)流板攔截，氣流大部分堆積在風道前半部分，前后風量差距過大，因此后半部分幾乎沒有氣流顯示。從流跡線可以看出，彎道內(nèi)側(cè)和第一塊導(dǎo)流板前后存在大量大尺度渦流，局部壓力損失極大，因此風道內(nèi)的氣流流動情況十分混亂，彎風道僅依靠加入導(dǎo)流板并不能解決流速均勻性差的問題。

2)安裝分流片。

彎風道首要解決的問題是彎道內(nèi)側(cè)的大尺度渦流，彎道拐彎處的曲率半徑一般以一個風道寬度為宜，受空間限制時，如果彎道內(nèi)側(cè)曲率半徑小于1/2風道寬度，需要加入分流片。因此，此處以3塊導(dǎo)流板方案為基礎(chǔ)，在拐彎處加入1片和2片分流片，觀察內(nèi)部流場的改善情況，目的是使氣流分成多股，避免集中流向風道外側(cè)區(qū)域使得內(nèi)側(cè)形成渦流。表6為安裝分流片情況下各出風口流速。可以看出，安裝分流片之后，彎道處的渦流減小，但是風道出風口處流速的均勻性仍較差。因此，需要對導(dǎo)流板高度進行合理的調(diào)整，減小擋板的高度使氣流順利流向后部，提高后3個出風口的風速，從而增加流速的均勻性。

3)調(diào)節(jié)導(dǎo)流板高度。

原始的3塊導(dǎo)流板高度均為50 mm，現(xiàn)將3塊導(dǎo)流板的高度按一定比例遞增排列，離入口最遠的一塊導(dǎo)流板高度保持50 mm，增長比例選取1.1，1.3，1.4，1.5和1.6。

由圖5可得，調(diào)節(jié)導(dǎo)流板高度后，均勻性有大幅度提升。其中，最佳的高度遞增比例為1.4，此時流速標準差最小。

表6 安裝分流片情況下各出風口流速

圖6為彎風道改進前后的4個出風口速度分布，由圖可知，改進后的速度分布曲線明顯平穩(wěn)，均勻性有很大提升，可以達到設(shè)計要求，并且對風道本體沒有改動，說明借助導(dǎo)流板來實現(xiàn)均勻性提升，簡單可行。

圖5 4個出風口的流速標準差

圖6 改進前后的4個出風口速度分布

4 結(jié)論

對于風道各出風口之間流速均勻性差的問題，本文針對車載醫(yī)療方艙直風道和彎風道分別進行了仿真分析和改進設(shè)計，得出如下結(jié)論。

1)直風道：除末端出風口外，在每個出風口處加入導(dǎo)流板可以較好地改善各出風口的流速均勻性。加大入口面積可以減小入口處的兩個大尺度渦流，減小流動阻力，增加出風口的平均風速。

2)彎風道：彎道處加入兩塊分流片可以減小彎道內(nèi)側(cè)的大尺度渦流。導(dǎo)流板高度呈階梯狀從低到高分布，有助于改善各出風口流速均勻性，并且導(dǎo)流板高度以1.4的比例增加，最后一塊導(dǎo)流板高度50 mm時，取得的效果最佳。