■ 葉佳 龔繼如

葉 佳：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司動(dòng)車設(shè)計(jì)部，工程師，江蘇 南京，210031

龔繼如：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司動(dòng)車設(shè)計(jì)部，工程師，江蘇 南京，210031

城市軌道交通對(duì)城市建設(shè)與發(fā)展起著重要作用。低地板車作為國內(nèi)新型交通工具，在極大緩解交通壓力的同時(shí)，還具備乘車環(huán)境舒適等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景廣闊。良好的氣流組織是改善客室熱舒適性的關(guān)鍵因素[1-2]。送風(fēng)風(fēng)道出風(fēng)均勻性直接決定了車內(nèi)氣流組織的優(yōu)劣，但由于車輛縱向空間較長(zhǎng)，不進(jìn)行優(yōu)化難以實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)。傳統(tǒng)送風(fēng)方式是通過車頂兩側(cè)散流器送風(fēng)，但氣流送入客室內(nèi)仍具有較大風(fēng)速，導(dǎo)致乘客有吹風(fēng)感，影響乘坐舒適性。在低地板車采用中頂網(wǎng)孔靜壓送風(fēng)方式，大面積送風(fēng)區(qū)域可降低送風(fēng)風(fēng)速，且能夠確保車輛氣流均勻性，提高乘坐舒適度。然而，該送風(fēng)方式在裝車后調(diào)整難度大，試驗(yàn)成本高，國內(nèi)相關(guān)研究相對(duì)匱乏。因此，有必要在設(shè)計(jì)前期對(duì)低地板車送風(fēng)均勻性進(jìn)行仿真優(yōu)化，達(dá)到指導(dǎo)風(fēng)道設(shè)計(jì)的目的。基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論，以國內(nèi)某型低地板車送風(fēng)道為研究對(duì)象，對(duì)其送風(fēng)道送風(fēng)均勻性進(jìn)行仿真優(yōu)化，可為低地板車送風(fēng)道設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 送風(fēng)道結(jié)構(gòu)

國內(nèi)某型低地板車送風(fēng)道安裝在車輛頂部，由若干模塊通過貫通道上部連接。兩臺(tái)安裝在客室模塊頂部的空調(diào)機(jī)組為送風(fēng)道提供風(fēng)量。送風(fēng)道頂部設(shè)置與空調(diào)機(jī)組對(duì)接風(fēng)口，底部與客室頂板送風(fēng)口對(duì)接。送風(fēng)道幾何外形沿車輛縱向中心線對(duì)稱，總長(zhǎng)度約25 m。送風(fēng)道三維模型見圖1。

1.1 靜壓送風(fēng)

空氣在風(fēng)道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其靜壓垂直作用于管壁。靜壓箱具有壓力平衡作用，不同斷面上具有不同壓力的空氣在靜壓箱中進(jìn)行壓力平衡，形成一定靜壓值，并在靜壓箱送風(fēng)口轉(zhuǎn)換為動(dòng)壓，以一定速度射出，達(dá)到均勻送風(fēng)的目的[3]。

1.2 網(wǎng)孔板送風(fēng)

網(wǎng)孔板送風(fēng)常用于對(duì)溫度、風(fēng)速及氣流分布均勻性要求較高的空調(diào)系統(tǒng)中。在送風(fēng)道尺寸不可變化的條件下，網(wǎng)孔板可作為末端局部阻力調(diào)節(jié)器平衡各處阻力。氣流通過網(wǎng)孔板速度衰減快，擴(kuò)散效果好，因而送至客室的氣流速度較為均勻。

1.3 前期設(shè)計(jì)方案

結(jié)合上述兩種送風(fēng)方式，在送風(fēng)道出風(fēng)位置（即客室頂部中央）安裝網(wǎng)孔板，為實(shí)現(xiàn)靜壓送風(fēng)，在網(wǎng)孔板上方設(shè)置長(zhǎng)圓孔調(diào)節(jié)板，將風(fēng)道下方隔成封閉的扁形靜壓箱。處理過的空氣從空調(diào)機(jī)組下送風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)道，通過長(zhǎng)圓孔調(diào)節(jié)板后速度降低，在靜壓箱內(nèi)氣流部分動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓，經(jīng)過中頂網(wǎng)孔板后氣流速度再次衰減，均勻性進(jìn)一步提高，最終送入客室內(nèi)。中頂網(wǎng)孔靜壓箱結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 送風(fēng)道三維模型

根據(jù)以上送風(fēng)原理，若能保證氣流通過上層長(zhǎng)圓孔調(diào)節(jié)板壓力平衡，即可獲得整車較好的送風(fēng)均勻性。因此，設(shè)計(jì)合適的長(zhǎng)圓孔調(diào)節(jié)板是優(yōu)化調(diào)整過程的關(guān)鍵一環(huán)。設(shè)計(jì)前期將調(diào)節(jié)板長(zhǎng)圓孔在空間范圍內(nèi)全部均等分布（見圖3）。

2 優(yōu)化方法

靜壓風(fēng)道送風(fēng)是實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)的有效手段。然而，由于靜壓箱尺寸偏小，氣流沿風(fēng)道流速過大，使得氣流動(dòng)壓不能有效轉(zhuǎn)化為靜壓，造成靜壓箱各區(qū)域壓力失衡，顯著影響靜壓箱壓力平衡效果。在前期設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)封堵長(zhǎng)圓孔，可增加相應(yīng)位置局部出風(fēng)阻力，導(dǎo)致動(dòng)壓較大區(qū)域壓力損失，使靜壓各處壓力重新平衡，有助于整個(gè)風(fēng)道風(fēng)量重新分配。

2.1 風(fēng)量分配

為合理評(píng)價(jià)出風(fēng)均勻程度，以送風(fēng)道模塊為單位，根據(jù)單個(gè)模塊長(zhǎng)度與風(fēng)道總長(zhǎng)度比例平均分配風(fēng)量。將該風(fēng)量記為目標(biāo)值，以供仿真優(yōu)化參考?？紤]到車體隔熱壁熱損失、太陽輻射和乘客散發(fā)熱負(fù)荷，計(jì)算得到各模塊目標(biāo)送風(fēng)量（見表1）。其中，模塊BM1與BM7、SM2與SM6幾何結(jié)構(gòu)相同，因此各項(xiàng)計(jì)算值也相同。

2.2 仿真計(jì)算

采用軟件包STAR-CCM+v.6.02進(jìn)行風(fēng)道性能的CFO模擬。將物理問題描述為數(shù)學(xué)問題的過程中，首先需作相關(guān)簡(jiǎn)化假設(shè)，進(jìn)而建立相關(guān)物理變量的微分方程，最后在相應(yīng)定解條件下求解微分方程。建立送風(fēng)風(fēng)道物理模型而作的相關(guān)簡(jiǎn)化如下：

（1）風(fēng)道幾何對(duì)稱，沿對(duì)稱面將三維模型一分為二，取其中一半模型分析，將計(jì)算模型尺寸降低；

（2）采用相同厚度與阻力特性的多孔介質(zhì)模板替代風(fēng)道中頂網(wǎng)孔板。

求解計(jì)算中采用的主要模型與相關(guān)假設(shè)如下：

（1）靜止RANS，采用分解氣流求解方法；

（2）Realizable型k-ε雙層湍流模型，采用所有y+壁處理；

（3）14 ℃（送風(fēng)道內(nèi)部）穩(wěn)定的空氣密度。

2.2.1 邊界條件

空調(diào)機(jī)組送風(fēng)截面分布不均，根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際運(yùn)行條件在兩類極限條件（恒定壓力和恒定風(fēng)量）之間。因此，對(duì)以上兩類條件分別進(jìn)行模擬，以期預(yù)測(cè)送風(fēng)道性能。兩類邊界條件分別為：

（1）每個(gè)送風(fēng)口截面流速恒定，提供總風(fēng)量為10 000 m3/h（簡(jiǎn)稱為BC#1）；

（2）每個(gè)送風(fēng)口截面壓力恒定，提供總風(fēng)量為10 000 m3/h（簡(jiǎn)稱為BC#2）。

2.2.2 多孔介質(zhì)模型

受限于網(wǎng)格數(shù)量與質(zhì)量，車頂孔板送風(fēng)按實(shí)際結(jié)構(gòu)建模難度較大。多孔介質(zhì)邊界條件可通過設(shè)置孔板慣性阻力與黏性阻力對(duì)孔板進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而有效解決上述問題。為獲得網(wǎng)孔板阻力特性，按比例截取某段風(fēng)道進(jìn)行模擬，物理模型見圖4。

圖2 中頂網(wǎng)孔靜壓箱結(jié)構(gòu)

圖3 長(zhǎng)圓孔調(diào)節(jié)板

表1 各模塊送風(fēng)量分配

圖4 多孔介質(zhì)物理模型

氣流通過網(wǎng)孔板產(chǎn)生的壓降與過流速度的二次方滿足一定關(guān)系。為擬合壓降與速度關(guān)系，需在多孔介質(zhì)模型進(jìn)風(fēng)口增加背壓，并以較小步長(zhǎng)遞增，使出風(fēng)口流速相應(yīng)變化。氣流壓降與出風(fēng)口流速關(guān)系見圖5。慣性阻力與黏性阻力可通過該二次項(xiàng)關(guān)系式計(jì)算獲得，進(jìn)而進(jìn)行多孔介質(zhì)邊界條件設(shè)置。

3 優(yōu)化結(jié)果

3.1 長(zhǎng)圓孔調(diào)節(jié)板分布

風(fēng)道各模塊中，SM2、BM3與SM6靠近風(fēng)道與空調(diào)機(jī)組對(duì)接風(fēng)口，該處氣流動(dòng)壓大，在靜壓箱相應(yīng)位置壓力難以平衡，需對(duì)該模塊長(zhǎng)圓孔調(diào)節(jié)板進(jìn)行優(yōu)先調(diào)節(jié)。BM1與BM7位于風(fēng)道端部，氣流流經(jīng)該區(qū)域阻力損失最大，動(dòng)壓相對(duì)較小，若保證以上三個(gè)模塊阻力損失平衡，可不必調(diào)節(jié)BM1與BM7。經(jīng)過多次仿真試驗(yàn)，得到實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)的優(yōu)化方案。

圖6、圖7分別給出了優(yōu)化方案中模塊SM2與BM3長(zhǎng)圓孔分布。圖6中，模塊BM3縱向平均分為六個(gè)區(qū)域，總開孔面積縮減為原方案的2/3，在此基礎(chǔ)上，第二—第五區(qū)域再封堵1/6長(zhǎng)圓孔。圖7中，模塊SM2第一區(qū)域開孔面積縮減為原方案的1/3，其他區(qū)域開孔面積縮減為1/2，在此基礎(chǔ)上，右側(cè)區(qū)域再封堵1/6長(zhǎng)圓孔。由于內(nèi)飾安裝需要，紅色區(qū)域全部封堵不再提供風(fēng)量。模塊SM6與SM2調(diào)節(jié)方案相同。

3.2 送風(fēng)均勻性

兩類邊界條件（BC#1和BC#2）下的各模塊風(fēng)量模擬值及目標(biāo)值見表2。由于是對(duì)半風(fēng)道進(jìn)行仿真，為作統(tǒng)一比較，將相應(yīng)模擬風(fēng)量加倍得到全車模擬風(fēng)量。兩類邊界條件下相應(yīng)風(fēng)量的平均值可近似認(rèn)為是空調(diào)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的送風(fēng)量，通過與目標(biāo)風(fēng)量的偏差衡量送風(fēng)均勻程度。

圖5 網(wǎng)孔板的模擬壓力損失曲線

圖6 模塊BM3上長(zhǎng)圓孔布置優(yōu)化

圖7 模塊SM2上長(zhǎng)圓孔布置優(yōu)化

表2 BC#1和BC#2條件下車輛模塊上送風(fēng)分配結(jié)果

從表2可以看出，兩類邊界條件分別仿真得到的各模塊送風(fēng)量偏差較小，證明仿真結(jié)果具有較好的可靠性。實(shí)際送風(fēng)量與目標(biāo)送風(fēng)量最大偏差不超過5.8%，送風(fēng)均勻性良好，符合工程要求。

3.3 速度與壓力分布

出風(fēng)速度是衡量出風(fēng)均勻性的另一客觀指標(biāo)。圖8、圖9分別給出了兩類邊界條件下的送風(fēng)道出風(fēng)速度和壓力。從速度分布來看，兩類邊界條件下風(fēng)道各段出風(fēng)速度分布趨勢(shì)基本相同，大部分區(qū)域控制在1.5～2 m/s，靠近進(jìn)風(fēng)口出風(fēng)速度略高，約為2.5 m/s，符合《客車空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)》[4]對(duì)送風(fēng)口風(fēng)速的要求。從壓力分布來看，在靠近進(jìn)風(fēng)口處壓力波動(dòng)幅度較大，其他各處壓力變化趨勢(shì)較為平緩，與設(shè)計(jì)方案中對(duì)長(zhǎng)圓孔調(diào)節(jié)位置一致。

圖8 BC#1情況下送風(fēng)速度和壓力

圖9 BC#2情況下送風(fēng)速度和壓力

4 結(jié)論

利用仿真方法對(duì)低地板車空調(diào)風(fēng)道氣流組織和送風(fēng)均勻性進(jìn)行分析優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

（1）通過恒定風(fēng)速與恒定風(fēng)壓兩類邊界條件進(jìn)行仿真計(jì)算能夠更加趨近于實(shí)際情況；

（2）通過多孔介質(zhì)模擬網(wǎng)孔送風(fēng)能夠較準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況；

（3）在網(wǎng)孔板上部設(shè)置長(zhǎng)圓孔調(diào)節(jié)板形成靜壓箱，通過適當(dāng)封堵長(zhǎng)圓孔能夠?qū)崿F(xiàn)均勻送風(fēng)。

[1]ASHRAE．ASHRAE Standard 62. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality. American Society of Heating[A]．Refrigeration and Airconditioning Engineers，1989．

[2]連之偉，劉蔚?。照{(diào)房間氣流組織與人體熱舒適[J]．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2006，25(5)：22-26．

[3]談越明．靜壓式送風(fēng)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)分析及試驗(yàn)研究[J]．鐵道車輛，2001，39(6)：11-14．

[4]TB 1951—1987 客車空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)[S]．