智軌快運(yùn)風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

席力克

摘 ?要：采用CFD技術(shù)，重點(diǎn)采用流線分析的方法，對(duì)智軌快運(yùn)乘客區(qū)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)道系統(tǒng)存在氣流分布不均勻、“氣流短路”、換熱效率較低等問題。通過在送風(fēng)管道內(nèi)增加兩塊擋板、調(diào)整擋板角度和位置、封堵乘客區(qū)內(nèi)部送風(fēng)條縫、增開乘客區(qū)內(nèi)部分回風(fēng)條縫作為回風(fēng)口等方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智軌快運(yùn)風(fēng)道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，換熱效率提高了21%，顯著改善了車廂內(nèi)乘客熱舒適性。

關(guān)鍵詞：智軌快運(yùn);風(fēng)道;氣流短路;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U467 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2020）06-0078-06

Abstract： Numerical calculation and analysis of the initial model of Intelligent Electric Vehicle are carried out. It is found that the air supply system is uneven in airflow distribution and short circuit of airflow exists locally. By increasing， adjusting the angle and position of the baffles， blocking some of the airstrip seams and increasing the air outlets， the design and optimum of the air supply system of Intelligent Electric Vehicle are realized.

Key Words： Intelligent Electric Vehicle; Air Supply System; Short Circuit of Airflow; Optimization

前言

車內(nèi)熱舒適性通常指車內(nèi)具有良好的空氣組織環(huán)境及合適的溫度分布環(huán)境。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，約65%的乘客會(huì)熱舒適性出現(xiàn)頭暈、困倦等不良身體反應(yīng)[1]。熱舒適性對(duì)于改善車內(nèi)環(huán)境，降低能耗，提高市場(chǎng)競(jìng)爭力具有重要意義。一般通過車載空調(diào)和風(fēng)道系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)氣流和車內(nèi)溫度的合理分布。向立平等[2]、謝金法[3]等人應(yīng)用CFD方法研究了車內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布規(guī)律，并進(jìn)行了熱舒適性評(píng)價(jià)，但對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)相對(duì)較少。CFD仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部三維流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等的顯示和分析，快速完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，已在各領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用[4]。本文采用CFD技術(shù)對(duì)新研制的智軌快運(yùn)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析，通過在送風(fēng)道內(nèi)增加擋板、調(diào)整擋板角度和位置、封堵乘客區(qū)內(nèi)的部分送風(fēng)條縫、增加乘客區(qū)內(nèi)部分回風(fēng)口等方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智軌快運(yùn)風(fēng)道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，顯著提升了駕駛區(qū)和乘客區(qū)內(nèi)的換熱效率，滿足了舒適性要求。

1 ? ?風(fēng)道系統(tǒng)和CFD建模

1.1 ? ?智軌快運(yùn)模型

智軌快運(yùn)由2個(gè)MC車（動(dòng)車）和1個(gè)T車組成（拖車），MC車與T車通過鉸接系統(tǒng)連接（圖1）。乘客區(qū)分別布置一頂置純電動(dòng)空調(diào)（制冷量34.89KW，最大送風(fēng)量8000m3/s）。MC車由駕駛區(qū)和乘客區(qū)組成，T車均為乘客區(qū)。乘客區(qū)總長度約為長×寬×高=25.0m×1.8m×2.1m。車頂左右兩側(cè)各分布7排的尺寸為30mm×8mm的條縫作為乘客區(qū)送風(fēng)口（條縫數(shù)量為MC車1260個(gè)/車廂，T車1050個(gè)/車廂），每個(gè)車廂2個(gè)尺寸為0.7m×0.3m的回風(fēng)口。需要計(jì)算和分析風(fēng)道系統(tǒng)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布情況，對(duì)風(fēng)道設(shè)計(jì)、駕駛區(qū)內(nèi)和乘客區(qū)內(nèi)熱舒適性影響，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 ? 人體模型和太陽輻射模型

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1]，亞洲成年男子環(huán)境溫度（如28℃）發(fā)熱功率約為105W，對(duì)應(yīng)表面積約為1.73m2。據(jù)此建立了人體模型和設(shè)置熱負(fù)荷。駕駛室和乘客區(qū)人體模型分布為1人和250人。根據(jù)氣象部門數(shù)據(jù)確定，株洲地區(qū)夏季午后16：00左右太陽光呈45°直射車輛時(shí)，車內(nèi)獲得的太陽熱負(fù)荷最大，約為676W/m2，考慮到車玻璃的透光率為52%，太陽透過玻璃的熱流為351.52W/m2。計(jì)算中還考慮了太陽的散射效果，熱負(fù)荷為71.76W/m2，CFD計(jì)算中以能量源項(xiàng)形式加入到整體的熱平衡分析。

1.3 ? 數(shù)學(xué)模型

如圖2所示，考慮到幾何對(duì)稱性和計(jì)算成本，對(duì)1個(gè)MC車和1/2T車進(jìn)行建模。采用CATIA軟件進(jìn)行風(fēng)道系統(tǒng)實(shí)體模型，簡化處理了對(duì)氣流和溫度影響較小的因素，例如尺寸較小的安裝孔和縫隙等;采用ICEM（17.0）進(jìn)行非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格建模，靠近人體表面等重要區(qū)域進(jìn)行邊界層網(wǎng)格建模和網(wǎng)格加密，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最后確定的網(wǎng)格模型見表1。采用FLUENT（17.0）進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和Ensight進(jìn)行結(jié)果后處理。

風(fēng)道內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)可認(rèn)為是具有粘性的不可壓的三維穩(wěn)態(tài)湍流，采用在車輛風(fēng)道數(shù)值計(jì)算和應(yīng)用較多的RNG k-ε湍流模型計(jì)算風(fēng)道系統(tǒng)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布情況[5]。由于氣流速度較小且溫差不大，認(rèn)為空氣符合Boussinesq假設(shè)，即氣流密度不變，但需要考慮因溫差而引起的熱浮力影響。因此可建立包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍動(dòng)能方程和耗散方程在內(nèi)的封閉方程組：

2 ? ?結(jié)果分析和優(yōu)化

2.1 ? 送風(fēng)管道和靜壓箱計(jì)算結(jié)果分析和優(yōu)化

如圖3所示，送風(fēng)管道和靜壓箱最初模型流線分析表明：在A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)條縫處的流線幾乎沒有或者非常稀疏，進(jìn)而導(dǎo)致這些區(qū)域條縫流入乘客區(qū)的氣流非常少，甚至出現(xiàn)逆流的問題。原因如下：（1）由于存在流入靜壓箱的氣流通道，導(dǎo)致條縫上方空間狹小，因此幾乎沒有流線流出A區(qū)的條縫;（2）大量氣流經(jīng)90°轉(zhuǎn)彎流向斷面處的條縫，在轉(zhuǎn)彎處形成一個(gè)較大漩渦，幾乎沒有流線流出漩渦處B區(qū)和C區(qū)的條縫。

如圖4所示，在初始模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了如下的優(yōu)化設(shè)計(jì)和評(píng)估：（1）在圖3中A區(qū)條縫上方增加一排豎直方向的孔，直接聯(lián)通條縫上方空間和流入靜壓箱的管道，以增加A去條縫的流線分布;（2）在靜壓箱內(nèi)增加兩塊擋板并根據(jù)需要調(diào)整擋板角度和位置，用于削弱大漩渦對(duì)流線的影響。

如圖5，增加豎直孔后，流經(jīng)A區(qū)條縫的流線明顯增加，流線均勻性顯著提高，解決了A區(qū)無流線問題。

如圖6所示，增加兩塊擋板后，流經(jīng)C區(qū)條縫的流線均勻性顯著提高，整體流線分布較均勻。B區(qū)流線有所改善，但流線仍然較稀疏。進(jìn)一步分析可知：由于B區(qū)區(qū)域較小，可通過相鄰A區(qū)和C區(qū)氣流的橫向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步彌補(bǔ)B區(qū)流線稀疏的問題。

2.2 ? 乘客區(qū)計(jì)算結(jié)果分析和優(yōu)化

采用FLUENT中的Profile方法，以上節(jié)優(yōu)化后的條縫出口速度作為乘客區(qū)入流氣流速度分布，進(jìn)一步分析乘客區(qū)內(nèi)的流場(chǎng)和溫度分布情況。進(jìn)行車內(nèi)舒適性分析，首先需要確定舒適性的標(biāo)準(zhǔn)。人體舒適性的影響因素很多，其中影響最大為氣流速度和溫度。以周珂[7]等對(duì)車內(nèi)乘客舒適研究為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出了表2中有關(guān)車內(nèi)舒適性的分類標(biāo)準(zhǔn)。一般認(rèn)為車內(nèi)大部分區(qū)域達(dá)到類型A和類型B，即速度0.15～0.8m/s，溫度21～29℃即可。本文據(jù)此分類進(jìn)行分析。

2.2.1 空載工況

圖7為乘客區(qū)初始空載模型，用于分析外部太陽暴曬環(huán)境中空調(diào)開啟后達(dá)到舒適狀態(tài)所需時(shí)間，以及乘客頭部截面和腹部截面內(nèi)速度和溫度分布特征。初始條件為：車內(nèi)初始溫度為55℃，氣流速度為零;根據(jù)車輛的空調(diào)特征，送風(fēng)量為8000m3/h/車廂，制冷量5分鐘內(nèi)由0線性增加為最大值34.89KW/車廂，送風(fēng)最低溫度為21℃。

經(jīng)過流線分析發(fā)現(xiàn)：由于回風(fēng)口與送風(fēng)條縫之間距離較近，回風(fēng)口附近存在大量的“氣流短路”現(xiàn)象，即從送風(fēng)條縫進(jìn)入的低溫氣流，未參與或充分參與車內(nèi)熱交換，直接經(jīng)回風(fēng)口流出車廂（見圖8初始模型）。氣流回路現(xiàn)象會(huì)破壞車內(nèi)整體氣流組織，導(dǎo)致整體換熱效率較低，耗能增加。

圖8 初始模型和優(yōu)化模型回風(fēng)口附近“氣流短路”現(xiàn)象（左圖為經(jīng)倒流片向左下方射流的2排條縫，右圖為經(jīng)導(dǎo)流片向右下方射流的5排條縫）

針對(duì)存在的氣流短路現(xiàn)象，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化（圖7）：（1）以回風(fēng)口中心為0，封堵靠近每個(gè)回風(fēng)口附近的X方向（±0.3m）內(nèi)的送風(fēng)條縫;（2）在車頂兩側(cè)局部溫度積聚區(qū)域增開部分回風(fēng)條縫作為原回風(fēng)口的補(bǔ)充。表3和圖8中給出了初始模型和優(yōu)化模型空載工況下的對(duì)比情況，可以發(fā)現(xiàn)：（1）優(yōu)化后模型車內(nèi)整體溫度降至30℃所需時(shí)間減小了21%，提高了車內(nèi)換熱效率和能源利用率;（2）頭部截面和腹部截面內(nèi)的速度和溫度分布情況進(jìn)一步改善，舒適性提高;（3）由于封堵了回風(fēng)口附近的部分送風(fēng)條縫，大大降低了“氣流短路”現(xiàn)象的影響，改善了車內(nèi)的氣流組織形式。因此，優(yōu)化模型效果顯著。

2.2.2 滿載工況

在空載工況分析的基礎(chǔ)上，采用優(yōu)化模型進(jìn)一步分析了滿載工況下的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)特征。初始條件為：車內(nèi)初始溫度為40℃，氣流速度為零;送風(fēng)量為8000m3/h/車廂，制冷量為最大值34.89KW/車廂，送風(fēng)最低溫度為18℃。

如圖9和圖10所示，乘客頭部和腹部截面平均速度經(jīng)過100秒后趨于穩(wěn)定，分別為0.5m/s和0.38m/s;截面內(nèi)速度0.15m/s～0.8m/s所占比例分別為76.7%和78.1%;乘客頭部和腹部截面平均溫度經(jīng)過100秒后趨于穩(wěn)定，分別為24.4℃和24.5℃;截面內(nèi)溫度21℃～29℃所占比例分別為74.8%和70.6%。相比于空載工況，速度分區(qū)和溫度分區(qū)所占比例均有所降低。這主要是由于滿載工況下車內(nèi)十分擁擠，車廂內(nèi)的速度和溫度分布的均勻性均有所降低，但整體來看，車廂內(nèi)的舒適性仍可接受。圖10中乘客腹部截面平均溫度自始有一個(gè)增加的過程，是由于該截面內(nèi)自送風(fēng)條縫獲得的制冷量小于獲得熱負(fù)荷;乘客頭部截面在數(shù)秒后有一個(gè)溫度增加的過程，這主要是由于隨著空調(diào)已最大34.89KW/車廂運(yùn)行，送風(fēng)口溫度降低至18℃后保持不變，導(dǎo)致的空調(diào)制冷量有所降低造成的。

圖11給出了優(yōu)化模型滿載工況新增回風(fēng)條縫作為回風(fēng)口的流線分布情況?？芍盒略龅幕仫L(fēng)條縫處的流線比較長而密，說明這些氣流經(jīng)過了在車廂內(nèi)經(jīng)過了充分換熱，回風(fēng)溫度較高。優(yōu)化模型滿載工況下，所有回風(fēng)口平均溫度為26.5℃，車內(nèi)整體平均溫度為27.8℃，而新增回風(fēng)條縫的平均溫度最高為28.8℃。這進(jìn)一步說明了在乘客區(qū)熱量積聚的地方增開部分回風(fēng)條縫的必要性，可以有效地提高換熱效率，降低耗能。

3 ? ?結(jié)論

通過對(duì)國內(nèi)新研的智軌快運(yùn)乘客區(qū)風(fēng)道系統(tǒng)的計(jì)算分析和優(yōu)化，可以得到如下結(jié)論：

（1）CFD方法可以快速地計(jì)算、分析和評(píng)估車內(nèi)風(fēng)道系統(tǒng)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布特征，針對(duì)存在的問題進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)。

（2）由于送風(fēng)管道和靜壓箱內(nèi)流道非常復(fù)雜，導(dǎo)致流線分布很不均勻，進(jìn)而影響乘客區(qū)送風(fēng)條縫氣流分布，甚至局部會(huì)產(chǎn)生逆流。通過增加擋板、調(diào)整擋板位置和角度，增加數(shù)個(gè)豎直孔，顯著調(diào)高了送風(fēng)管道和靜壓箱內(nèi)的流線的均勻性，使得乘客區(qū)送風(fēng)條縫速度分布更加均勻，可以提高車廂內(nèi)的舒適性。

（3）空載工況下，初始模型需要經(jīng)過190秒，車內(nèi)平均溫度降低到30℃。流線分析發(fā)現(xiàn)：由于送風(fēng)條縫距離回風(fēng)口較近，各回風(fēng)口附近存在較嚴(yán)重的“氣流短路”現(xiàn)象，會(huì)造成換熱效率下降，增加能耗。通過封堵回風(fēng)口附近送風(fēng)條縫，增加車頂兩側(cè)條縫作為回風(fēng)口對(duì)初始模型進(jìn)行了優(yōu)化，分析表明：經(jīng)過150秒，車內(nèi)平均溫度即可降低至30℃，換熱效率提高了21%。同時(shí)，“氣流短路”現(xiàn)象也顯著減少，進(jìn)一步提高了換熱效率。

（4）滿載優(yōu)化模型分析發(fā)現(xiàn)：與空載優(yōu)化模型相比，乘客頭部截面和腹部截面速度分布0.15m/s～0.8m/s和溫度分布21℃～29℃所占比例有所降低，分別為74.8%和70.6%，這主要是由于滿載工況下車廂內(nèi)十分擁擠，舒適性較差。但整體來看，所占比例仍較大，可以接受。通過對(duì)乘客區(qū)優(yōu)化模型流線分析表明：在局部熱量積聚區(qū)域增加回風(fēng)條縫是十分必要的，可以有效提高換熱效率，降低能耗。

（5）空載與滿載工況下，車體內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)都達(dá)到了表2所對(duì)應(yīng)類型A和類型B，較好的滿足舒適性要求。

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