地鐵列車客室通風(fēng)的數(shù)值仿真研究

王維斌 陳大偉 姚拴寶 宋軍浩

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,266111,青島∥第一作者,高級(jí)工程師)

地鐵列車客室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主要由空調(diào)機(jī)組和風(fēng)道組成,氣流需要通過送風(fēng)道向客室內(nèi)送風(fēng),通過回風(fēng)道將客室內(nèi)部分氣流回風(fēng)到空調(diào)機(jī)組[1]。地鐵車輛風(fēng)道設(shè)計(jì)過程中有時(shí)會(huì)將內(nèi)裝構(gòu)成風(fēng)道的一部分,而送風(fēng)道、回風(fēng)道設(shè)計(jì)存在車輛部件包含在風(fēng)道內(nèi)部的情況,從而增加風(fēng)道的阻力。為了對(duì)某地鐵列車客室空調(diào)通風(fēng)風(fēng)道及客室空間的氣流組織分布進(jìn)行系統(tǒng)研究,需要采用仿真分析手段,在列車風(fēng)道設(shè)計(jì)階段對(duì)客室空間流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行分析及評(píng)估。

目前計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)已在風(fēng)道及客室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用,可以在設(shè)計(jì)方案初期通過可視化的仿真分析,初步評(píng)估風(fēng)道及客室空間速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分布情況。并可根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果制作風(fēng)道樣件,進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,從而提升研發(fā)效率,降低研發(fā)成本[2]。本文采用Star-CCM+軟件建立數(shù)值仿真模型,并針對(duì)各部位,完成網(wǎng)格劃分、邊界設(shè)置、仿真計(jì)算及結(jié)果分析等。

1 建立數(shù)值仿真模型

1.1 幾何模型

為真實(shí)反映地鐵車輛風(fēng)道及客室空間內(nèi)的流場(chǎng)特征,需保留并適當(dāng)簡(jiǎn)化對(duì)流場(chǎng)影響較大的模型結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)特征。

在構(gòu)建送風(fēng)道幾何模型的過程中,保留并適當(dāng)簡(jiǎn)化了司機(jī)室送風(fēng)道、主送風(fēng)道靜壓腔、送風(fēng)道內(nèi)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)及內(nèi)裝構(gòu)成風(fēng)道結(jié)構(gòu)等。

在構(gòu)建回風(fēng)道幾何模型的過程中,保留并適當(dāng)簡(jiǎn)化了主回風(fēng)道、回風(fēng)口擋板,以及風(fēng)道內(nèi)部的線束、排水管、門機(jī)構(gòu)及電器箱等[3]。

在客室空間內(nèi),保留并適當(dāng)簡(jiǎn)化了座椅、扶手及門窗等部件,省略了安裝固定結(jié)構(gòu)等對(duì)流場(chǎng)影響不大的部件。圖1為最終簡(jiǎn)化處理后的各主要部位的仿真幾何模型。其中,客室空間整體長(zhǎng)約23 m,寬約3 m,高約2 m,主送風(fēng)道長(zhǎng)約20 m。

a) 送風(fēng)道

1.2 模型的網(wǎng)格劃分

運(yùn)用Star-CCM+軟件自帶的網(wǎng)格處理模塊,進(jìn)行風(fēng)道及整個(gè)客室計(jì)算域的空間離散[4]。在網(wǎng)格劃分過程中,對(duì)司機(jī)室送風(fēng)道、風(fēng)道內(nèi)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、線束、排水管、門機(jī)構(gòu)、電器箱、座椅及扶手等幾何尺寸較小且對(duì)流動(dòng)特性影響較大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理[5];對(duì)于數(shù)據(jù)梯度變化不大的區(qū)域,將網(wǎng)格尺寸適當(dāng)放大,使得網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量得到很好控制。整車網(wǎng)格劃分后的仿真模型如圖2所示,整車空間體網(wǎng)格總數(shù)約為1 800萬(wàn)個(gè)。

圖2 整車網(wǎng)格劃分后的仿真模型

2 仿真計(jì)算結(jié)果

2.1 送風(fēng)道

圖3為送風(fēng)道的空間流線分布。氣流經(jīng)空調(diào)送風(fēng)口進(jìn)入主送風(fēng)道以后,經(jīng)送風(fēng)口下方導(dǎo)流板導(dǎo)流,向主送風(fēng)道中間及兩側(cè)區(qū)域流動(dòng),其中一部分氣流送往司機(jī)室區(qū)域。

圖3 送風(fēng)道的空間流線分布截圖

圖4為主送風(fēng)道中間截面速度場(chǎng)分布。由圖4可見:空調(diào)送入風(fēng)道內(nèi)的氣流在空調(diào)送風(fēng)口下導(dǎo)流板的作用下向兩側(cè)流動(dòng);距風(fēng)口較遠(yuǎn)的風(fēng)道兩端及風(fēng)道中間位置的流速較低,導(dǎo)流板區(qū)域的流速較高。氣流從主送風(fēng)道靜壓腔兩側(cè)的孔板流入風(fēng)道兩側(cè),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過門區(qū)及窗區(qū)的送風(fēng)口向客室內(nèi)送風(fēng)。

圖4 主送風(fēng)道中間截面速度場(chǎng)分布截圖

2.2 回風(fēng)道

圖5為回風(fēng)道空間流線分布。由圖5可見:氣流經(jīng)窗下4個(gè)回風(fēng)口進(jìn)入回風(fēng)道,經(jīng)過回風(fēng)道內(nèi)的線束、排水管、門機(jī)構(gòu)及電器箱等擾流部件后,再經(jīng)由2個(gè)回風(fēng)口進(jìn)入空調(diào)機(jī)組。

圖5 回風(fēng)道空間流線分布

圖6為回風(fēng)道車門區(qū)域截面速度場(chǎng)分布。由于回風(fēng)道內(nèi)門機(jī)構(gòu)、電器箱等部件的存在,氣流流動(dòng)相對(duì)混亂。在空調(diào)機(jī)組回風(fēng)口區(qū)域,空調(diào)機(jī)組排水管、電纜等部件的存在,減小了回風(fēng)面積,致使局部風(fēng)速增大。

圖6 回風(fēng)道車門區(qū)域截面速度場(chǎng)分布截圖

2.3 客室空間

圖7為整車客室空間流線分布?？照{(diào)氣流進(jìn)入客室中間主送風(fēng)道之后,從窗區(qū)及門區(qū)的兩側(cè)隱形送風(fēng)口向客室內(nèi)送風(fēng),其中一部分氣流通過司機(jī)室的支送風(fēng)道向司機(jī)室送風(fēng)。客室內(nèi)氣流一部分通過窗區(qū)兩側(cè)回風(fēng)道從空調(diào)回風(fēng)口回到空調(diào)機(jī)組,另一部分通過客室端部的廢排風(fēng)道排出客室。整體來(lái)看,送、回風(fēng)道可有效地向客室空間區(qū)域送風(fēng),可保證送風(fēng)均勻性和氣流組織空間分布的均勻性。

a) 縱向剖面

圖8為客室空間典型送、回風(fēng)截面上的壓力分布云圖。由圖8可以看出,整個(gè)客室空間內(nèi)的壓力分布比較均勻,壓力梯度較小,客室內(nèi)為微正壓。送風(fēng)道內(nèi)的正壓分布較高,回風(fēng)道內(nèi)負(fù)壓整體最高,可以保證客室內(nèi)氣流在壓力差驅(qū)動(dòng)下流動(dòng)。

圖8 客室典型截面壓力場(chǎng)分布截圖

圖9為不同工況下的客室典型截面溫度場(chǎng)分布。由圖9可以看出,空調(diào)將較低或較高溫度氣流從主送風(fēng)道送入客室,與客室熱空氣及熱源進(jìn)行熱量交換后,整個(gè)客室溫度分布趨于均勻,制冷工況客室平均溫度為22.5 ℃,制熱工況客室平均溫度為18 ℃,滿足工程設(shè)計(jì)要求。

a) 制冷工況

3 結(jié)論

1) 地鐵列車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)整體技術(shù)方案滿足工程設(shè)計(jì)要求,客室空間氣流組織分布均勻,客室內(nèi)微正壓,溫度分布均勻。

2) 送風(fēng)道送風(fēng)均勻,空調(diào)送風(fēng)口下方弧形導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)對(duì)空調(diào)送風(fēng)具有良好的導(dǎo)流以及流量分配作用。

3) 回風(fēng)道內(nèi)門機(jī)構(gòu)、電器箱等部件的存在,致使氣流流動(dòng)相對(duì)比較混亂?；仫L(fēng)口區(qū)域存在空調(diào)機(jī)組排水管、電纜等部件,減小了回風(fēng)面積,致使局部風(fēng)速增大。

4) 整個(gè)客室空間內(nèi)的壓力分布比較均勻,壓力梯度較小,客室內(nèi)為微正壓。送風(fēng)道內(nèi)的正壓分布較高,回風(fēng)道內(nèi)負(fù)壓整體最高,廢排風(fēng)道內(nèi)的負(fù)壓次之。

5) 在制冷及制熱工況下,整車客室空間內(nèi)的溫度分布整體較均勻,溫差較小,滿足制冷及制熱溫度要求。