B型地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)氣流組織數(shù)值模擬研究

劉 晶　李寧寧　巨子琪

摘 要：采用Gambit軟件建立B型地鐵列車三維模型，并用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立邊界條件;利用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）軟件Fluent，應(yīng)用k-ε兩方程湍流模型對氣流組織進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。討論了在相同送風(fēng)量的條件下，不同送風(fēng)風(fēng)速對車廂內(nèi)溫度場和速度場的影響。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;氣流組織，數(shù)字模擬

中圖分類號：U270.38+3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）05-0149-05

Numerical simulation of air distribution in air conditioning system of Type B metro vehicles

Abstract： This paper uses gambit software to build a three-dimensional model of Type B subway train， and uses gambit software to mesh and establish boundary conditions. Using CFD software Fluent， the turbulence model of k-ε equation was used to calculate the airflow distribution. The paper discusses the influence of different air supply speeds on the temperature field and velocity field in the train compartment under the same air supply volume.

Key words： metro vehicle;airflow organization;numerical simulation

當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的日益提高，地鐵列車作為新型的交通工具，它的迅速發(fā)展，從某種角度來講，代表一個城市的發(fā)達(dá)程度，因此地鐵的發(fā)展必將受到高度重視。為滿足旅客的舒適性要求，城市軌道車輛的氣流組織系統(tǒng)也在逐步完善。車廂內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)是影響旅客舒適性的主要因素。要保持車廂內(nèi)溫度均衡，還得使車廂內(nèi)保持一定的微風(fēng)速，這就必須要求車內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)具備合理性。

本論文采用Gambit軟件建立B型地鐵列車三維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立邊界條件;采用Fluent軟件模擬上送上回送風(fēng)方式下，送風(fēng)速度對室內(nèi)溫度場和速度場的影響;通過模擬結(jié)果對后期地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)而得到滿足人體舒適度的最佳送風(fēng)速度。

1 數(shù)值模擬的物理及數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

本論文研究的是B型車，其基本數(shù)據(jù)為：車高2.1 m，車體寬度為2.8 m，一節(jié)車長為19 m，由于地鐵車廂的對稱性，本文取9.5 m車長為研究對象。半截車廂一共有4個送風(fēng)口，1個回風(fēng)口，送風(fēng)口長為720 mm寬為144 mm，回風(fēng)口長度1 050 mm寬度450 mm，座椅的長度3 000 mm，寬度為500 mm，高度取50 mm。根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，用SOLIDWORKS畫出正視圖，如圖1所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

任何形式的流體力學(xué)計(jì)算，都需要利用連續(xù)方程、動量方程、能量方程來計(jì)算。流體的流動和熱交換作用方式，在自然界中本來就是一種非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，但是在現(xiàn)實(shí)生活中想要表達(dá)這類流體的流動和熱交換的物理現(xiàn)象就必須使用數(shù)學(xué)方程。隨著CFD理論的不斷發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)能力的提高。用于求解不同性質(zhì)流體和不同動態(tài)流動的控制方程很好的補(bǔ)充3個基本方程的計(jì)算能力，極大提高了對流體的計(jì)算效率以及計(jì)算準(zhǔn)確性。

1.2.1 連續(xù)方程

連續(xù)方程的原理即為質(zhì)量守恒，物質(zhì)不會憑空產(chǎn)生，也不會自然消失。如果將流體看作是連續(xù)物的介質(zhì)，那么在其流過大小有限而空間位置不變、形狀任意的外殼時，這時在單位時間內(nèi)定性的物質(zhì)體內(nèi)質(zhì)量的增加就是同一時間內(nèi)流入物體內(nèi)部氣流的凈質(zhì)量[1]。根據(jù)此理論，得到連續(xù)方程如下：

式中：u、v、w分別表示流體在X、Y、Z方向上速度分量;ρ為流體密度，不可壓縮的流體，它的密度變?yōu)槌?shù)，其連續(xù)方程表達(dá)為：

1.2.2 動量方程

動量方程式將流體看成無數(shù)個運(yùn)動的微小團(tuán)粒，牛頓第二定律可知，作用在無數(shù)個運(yùn)動的微小團(tuán)粒上的力就是體積力和表面力的總和，也就是團(tuán)粒的力=團(tuán)粒的質(zhì)量×團(tuán)粒加速度[2]。如果將空氣質(zhì)量忽略不計(jì)，可得流體動量方程：

式中，特別的是ρ是一個熱力學(xué)變量[3]。

但對于可以壓縮的流體，密度就會發(fā)生改變。假設(shè)空氣是一種理想氣體，得出流體壓力公式[4]：

絕熱方程為：

式中：P為流體壓力;V表示速度矢量;R為氣體常數(shù);T 為絕熱溫度;CP為定壓時的比熱。

1.2.3 能量方程

能量方程物理學(xué)原理是能量守恒。流入微團(tuán)內(nèi)凈熱量的能量與微團(tuán)體積力和表面力做功的功率之和就是流體微團(tuán)內(nèi)能量的變化率這是依據(jù)熱力學(xué)第一定律而得出的理論，故結(jié)論出能量守恒方程[5]：

將公式（6）展開：

1.3 網(wǎng)格劃分及數(shù)值求解方法

由于GAMBIT建模界面不友好，加之建模效率不高，因此一般采用 SOLIDWORKS建模并將之導(dǎo)入GAMBIT中。建好的SOLIDWORKS模型可以以“.igs”文件輸出，在GAMBIT中用Import導(dǎo)此文件，注意選擇Non stand-alone vertice，這樣就不會發(fā)生壁面分層的現(xiàn)象了。

網(wǎng)格劃分的數(shù)據(jù)，車廂（face1～face6）網(wǎng)格大小設(shè)置為0.05 mm，回風(fēng)口網(wǎng)格劃分大小0.03 mm，送風(fēng)口網(wǎng)格劃分大小0.02 mm。在計(jì)算機(jī)允許的條件下網(wǎng)格劃分的越小，模擬數(shù)據(jù)越精確。

1.4 邊界條件

網(wǎng)格劃分完便開始邊界條件的定義。其中將送風(fēng)口邊界條件設(shè)置為速度入口用“速度入口”表示，將出口邊界條件設(shè)置為回風(fēng)口用out表示，墻壁和座椅及車體表面全都算為固定值用Wall表示。其中入口in和出口out的速度都設(shè)為速度入口，但送風(fēng)口為正值，送回風(fēng)口為負(fù)值。

2 送風(fēng)風(fēng)速對氣流組織的模擬研究與分析

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城軌車輛已成為人們重要的出行工具。而地鐵車輛的舒適性，也在日益提高。大量文獻(xiàn)表示影響舒適性的主要原因是送風(fēng)風(fēng)速和送風(fēng)溫度。本文主要研究送風(fēng)風(fēng)速對氣流組織的影響。

2.1 地鐵內(nèi)部空間氣流分布云圖

半截車廂一共有4個送風(fēng)口，1個回風(fēng)口，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，計(jì)算出數(shù)個點(diǎn)位云圖的坐標(biāo)，在X軸上取0.8，1.6，2.4 m為X軸的研究對象，在Y軸分別取2，4，6，8 m，在Z軸取0.7 m和1.4 m畫出各個點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)，得到想要模擬研究的云圖，模擬時便可看出云圖變化。模擬云圖點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

為方便研究車廂內(nèi)溫度場、速度場的分布狀況，分別在車輛長寬高方向選取有代表性的平面。在研究風(fēng)速大小對氣流組織的影響時，設(shè)置送風(fēng)溫度為固定值292 K，送風(fēng)速度分別設(shè)置為1.5，2，2.5，3 m/s，速度場分布云圖及速度矢量圖，分別選取X=0.7 m，X=1.4 m，X=2.1 m，Y=3 m，Y=2 m，Y=4 m，Y=6 m，Z=0.7和Z=1.4 m的相應(yīng)截面。

2.2 送風(fēng)速度為1.5 m/s時的模擬云圖

圖形模擬好后，便可導(dǎo)入溫度值進(jìn)行模擬，此時顯示溫度場，溫度不同顏色不同，由于溫度的顏色變化較小，我們也可看壓強(qiáng)圖進(jìn)行辨別。如圖2～圖5所示，溫度為292 K，速度為1.5 m/s時的溫度場和速度場的模擬圖。

因?yàn)闇囟葓鲇媚M云圖表示圖片直觀并不明顯，故將溫度在Y軸上的4個面的分布情況的點(diǎn)圖用以表示，如圖6所示。

2.3 送風(fēng)速度為2 m/s時的模擬云圖

此時溫度在Y軸上的4個面的分布情況如圖7～圖9所示。

2.4 送風(fēng)速度為2.5 m/s時的模擬云圖

送風(fēng)速度為2.5 m/s時的模擬云圖如圖10～圖11所示。

由于溫度場模擬云圖做出來效果顏色不是很明顯，故用Plot點(diǎn)狀云圖表示，如圖12～圖13所示。

2.5 送風(fēng)速度為3 m/s時的模擬云圖

送風(fēng)速度為3 m/s時的模擬云圖如圖14～圖15所示。

3 模擬結(jié)果分析

（1）本模擬測得的結(jié)果為：通過對比送風(fēng)速度在1.5、2、2.5、3 m/s時的溫度速度分布云圖，比較得出送風(fēng)速度在2 m/s到2.5 m/s時溫度變化最均勻，也是最符合人體適宜的溫度的。在規(guī)定中：客室內(nèi)氣流速度應(yīng)大于 0.07 m/s小于0.9 m/s，人員站立時頭部區(qū)域（1.7 m）的風(fēng)速應(yīng)小于 0.30 m/s 。而當(dāng)送風(fēng)速度為 3 m/s 時，人體站立頭部位置處風(fēng)速超過 0.5 m/s，會有吹風(fēng)感。因此空載時送風(fēng)速度為2.5 m/s時的速度為最佳值，也可以看出送風(fēng)速度越高時，熱舒適性也就越低。因此送風(fēng)速度不超過 3 m/s 為宜;

（2）空載時各模擬云圖溫度和氣流分布較為均勻，與車廂內(nèi)平均溫度大抵相同?？拷仫L(fēng)口處的溫度要比其他區(qū)域溫度稍高一些，靠近回風(fēng)口的氣流速度也比遠(yuǎn)離回風(fēng)口處的速度大一些。空載時車廂內(nèi)流體平均溫度比送風(fēng)溫度高 2～3 ℃;

（3）送風(fēng)溫度相同，當(dāng)送風(fēng)速度升高時，各個模擬面的風(fēng)速也跟著升高。由于回風(fēng)口壓強(qiáng)原因會擁有吸附作用，靠近回風(fēng)口處的氣流速度比車廂內(nèi)其地方更大一些。改變送風(fēng)速度對車廂內(nèi)溫度場和速度場的影響較大。

【參考文獻(xiàn)】

[1]?高秀峰，馮詩愚，郁永章，等.鐵路空調(diào)客車內(nèi)三維湍流流動及溫度場的模擬研究[J].流體機(jī)械，2004，32（12）：57-60.

[2]張登春.鐵路空調(diào)車內(nèi)氣流組織的 CFD模擬與模擬研究[J].流體機(jī)械，2004，32（5）：56-59.

[3]趙忠超，史自強(qiáng)，靳宜勇.空調(diào)列車室內(nèi)氣流的數(shù)值模擬與模擬研究[J].暖通空調(diào)，2004，34（10）：29-32.

[4]魏淑賢，沈躍，黃延軍.計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，27（2）：115-117.

[5]周連第.船舶與海洋工程計(jì)算流體力學(xué)的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].空氣動力學(xué)學(xué)報(bào)，1998，16（1）：122-131.

[6]尹曄東，王運(yùn)東，費(fèi)維場.計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在化學(xué)工程中的應(yīng)用[J].石化技術(shù)，2000，7（3）：166-169.

收稿日期：2021-07-26;修回日期：2022-04-25

作者簡介：劉 晶（1989-），女，碩士，講師，研究方向：軌道交通車輛空調(diào);E-mail：497288508@qq.com。

基金項(xiàng)目：西安交通工程學(xué)院校內(nèi)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：No.21KY-44）。