耿亞彬， 于　淼， 李喜輝， 王永朋

(中車唐山機車車輛有限公司　產品研發(fā)中心， 河北唐山 063035)

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軌道車輛廢排風帽排風特性的數(shù)值模擬研究

耿亞彬， 于淼， 李喜輝， 王永朋

(中車唐山機車車輛有限公司產品研發(fā)中心， 河北唐山 063035)

廢排風帽是軌道車輛環(huán)境控制系統(tǒng)的重要組成部分，其排風特性的優(yōu)劣直接影響客車室內廢氣的排出量，對調節(jié)室內外壓差起關鍵作用，采用計算流體力學軟件FLUENT對軌道車輛廢排風帽的流動特性進行數(shù)值模擬分析，研究結果表明：出風口最小截面距離的增大會減小廢排風帽的流動阻力，出風口格柵的形狀和布置形式影響風帽內風的流動軌跡和流動特性。為軌道車輛的廢排風帽的優(yōu)化設計提供參考依據(jù)。

軌道車輛； 廢排風帽； 數(shù)值模擬； 流動阻力

廢排風帽是列車車輛環(huán)境控制系統(tǒng)的重要組成部分,廢排風帽的排風特性會直接影響到排風系統(tǒng)的流動特性和排風能力，由于軌道車輛的載客量較大，室內要求全面送風時所需新風量較大，排風量小于或等于新風量，一般為新風量的90%～95%時，客室壓力才能保持平衡，維持客室內一定的正壓[1]。如果排風風帽結構設計不合理，會導致排風機選型難度增加，造成列車整個排風系統(tǒng)排風能力不足，容易造成列車車輛客室內壓力過大，從而導致車內外壓差過大,車門關閉困難等情況發(fā)生,影響車輛的正常運行，目前國內對軌道車輛的排風帽研究較少，本文采用CFD技術通過數(shù)值模擬的方法對列車車輛廢排風帽的流動特性進行研究，為列車廢排風帽設計提供參考。

1　風帽阻力

空氣在風帽內流動時，由于黏性及流體的相對運動，因而產生了內摩擦力?？諝庠陲L道內流動過程中，就要克服這種阻力而消耗能量，此外，由于流動慣性，特別是在風道邊壁擾動的局部地區(qū)形成渦流，產生局部阻力，也要消耗能量。

由于排風風帽的進出口距離很短，不易找到較穩(wěn)定的測定斷面。在不影響測量精度的條件下，根據(jù)GB/T 16758-1997排風罩的分類及技術條件對排風罩阻力和阻力系數(shù)的測定的規(guī)定，排風風帽的阻力可用式(2.1)計算[2]：

(1)

式中ΔPq為排風風帽進口截面與出口截面的平均全壓差，Pa。Pm為排風風帽風筒處的沿程阻力，Pa。

(2)

式中v為常溫下風帽的流速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；ξ為風帽阻力系數(shù)。風帽的阻力系數(shù)主要取決于風帽的結構，由于風帽本身結構比較復雜，出口較多，形狀各異，理論上計算比較困難，目前,阻力系數(shù)一般由試驗的方法來確定。

2　數(shù)值模擬分析

2.1模型建立和網格劃分

首先根據(jù)CAD圖紙，在建模軟件ProE中建立模型，利用Hypermesh軟件劃分四面體網格，網格總數(shù)為48×106,如圖2所示，為廢排風帽網格劃分的結果。采用有限容積法和交錯網格對質量和動量守恒微分方程組這些控制方程在微小單元上數(shù)值離散。壓力項與速度項耦合利用SIMPLE算法。對流項采用二階迎風差分格式，擴散項的離散具有二階精度。為了使計算結果更加準確,將廢排風帽進口風道加長。

圖1　廢排風帽結構圖

圖2　廢排風帽網格劃分

2.2邊界條件設置

為了簡化問題，認為廢排風帽內的空氣流動是完全的三維、黏性、不可壓、湍流流動；氣流為低速流動，可忽略由流體粘性力做功所引起的耗散熱；認為風帽氣密性良好，不考慮風帽漏風的影響，固體壁面采用無速度滑移邊界條件，進口條件采用速度進口邊界條件，根據(jù)風帽的排風量計算出風帽的速度入口，假定其進口速度分布均勻，風帽出口條件設為壓力出口邊界條件。

2.3廢排風帽數(shù)值模擬結果與分析

影響局部阻力系數(shù)的主要因素包括:風帽的內部結構形狀,壁面粗糙度及雷諾數(shù)。由于風帽的內部結構阻礙形狀的強烈擾動作用，流動在較小的雷諾數(shù)時就已充分湍流，所以風帽排風系統(tǒng)的空氣流動大都處于非層流區(qū),相對而言，壁面粗糙度和雷諾數(shù)對局部阻力系數(shù)的影響較小，故可認為阻力系數(shù)僅僅與排風帽形狀有關。

由于排風風帽的進出口距離很短，根據(jù)公式計算得到排風風帽進口至風筒末端的沿程阻力很小，相對于排風風帽的阻力來說是非常小，在計算中予以忽略。由于改變進口速度的情況下,壓力分布和速度分布趨勢大概是一致的,所以以300 m3/h作為代表,展示各個截面的壓力場和速度場。

以下結果為列車靜止時,排風帽的壓力分布和速度分布,分別分5種工況,排風量分別為300, 350, 400,450,500 m3/h等工況下對廢排風帽進行了數(shù)值模擬。

圖3　廢排風帽壓力分布圖

圖4　廢排風帽內風的速度分布圖

由圖3可知，廢排風帽壓力分布，在設置出口壓力為0 Pa的情況下，進風口速度為0.66 m/s時，風帽內靜壓差為3.07 Pa，風帽內阻力為1.48 Pa。由圖4可知，最大速度分布在出風口第一個格柵上方，由于格柵與上蓋板之間間距較小，風帽的基本構造使得風主要從上方格柵與上蓋板之間流出，使得此處壓力劇增。造成排風帽排風阻力加劇。由模擬結果可知，當空氣流經排風帽時,由于流動大小和流動方向的改變,引起了流速的重新分布并產生渦流，從而產生局部阻力。

2.4優(yōu)化后的風帽的模擬分析

由于受到軌道車輛高度的限制，排風風帽的高度等也受到了限制，如不能采用傘型風帽，圓錐型風帽，隨風轉向型風帽等。采取提高風帽的排風性能，降低風帽的排風阻力和阻力系數(shù)的改進措施也受到限制。因此，對排風風帽的改進設計主要就風帽排風口面積，風帽格柵的形狀等方面來進行。

圖5　廢排風帽三維圖

圖6　改進后廢排風帽內風三維圖

為了研究出風口最小截面距離的增加對減小風帽流動阻力的作用，對原廢排風帽的形狀進行改動，如圖6所示，廢排風帽總高為112 mm，截面位置處出口間距由26.3 mm改為30.0 mm，將廢排風帽出口上方的格柵旋轉180°，將改進前后的的廢排風帽內阻力和阻力系數(shù)進行了數(shù)值模擬對比分析。對改進后的廢排風帽進行數(shù)值模擬，具體數(shù)值模擬分布如圖7、圖8所示。

由圖7可知,廢排風帽進口壓力,排風風帽進口截面的平均全壓為2.51 Pa，排風風帽出口截面的平均全壓1.54 Pa，改進后廢排風帽阻力為0.97 Pa。由圖7和圖8可知，由于蓋板與進口距離的增大，出口風速分布較為均勻，上方格柵與上蓋板之間的流動阻力減小，使得風帽的排風阻力有所降低。

圖7　改進后廢排風帽壓力分布圖

圖8　改進后廢排風帽內風的速度分布圖

根據(jù)公式計算可知，排風帽的進口管段的沿程阻力很小，相對于排風帽的阻力，可以忽略不計。改進前后排風帽結構在不同排風量的工況下，進口截面的靜壓值、進口截面全壓值、出口截面全壓值、排風帽阻力以及阻力系數(shù)，具體壓力分布如表1和表2所示。

表1　不同工況下廢排風帽內壓力分布

表2　不同工況下改進后廢排風帽內壓力分布

由表1和表2的數(shù)值仿真結果可以得到排風帽阻力和排風量以及阻力系數(shù)之間的關系，圖9為改進前后廢排風帽內廢排風量和阻力分布關系，圖10為改進前后廢排風帽內廢排風量和阻力系數(shù)分布關系。

由圖9可以看出，增大出風口最小截面距離，廢排風帽的流動阻力減小，隨著廢排風帽排風量的增加，流動阻力值隨著增大。由圖10可知，增大出風口最小截面距離，廢排風帽的流動阻力系數(shù)降低，流動阻力系數(shù)廢排風帽排風量的增加而降低，改進前降低幅度較大，改進后廢排風帽阻力系數(shù)降低幅度較小，趨于平緩。

圖9　改進前后廢排風帽內阻力分布

圖10　改進前后廢排風帽內阻力系數(shù)分布

3　結　論

通過對軌道車輛上的廢排風帽的流動特性進行數(shù)值模擬研究，對排風風帽的改進設計研究到如下結論：

(1) 隨著排風風帽進口速度的增大，廢排風帽內的阻力也逐漸增加。

(2) 風帽排風量一定時，改變風帽側面最小出口截面時，截面位置處出口間距增大，再將廢排風帽的格柵旋轉180°，改進后的廢排風帽阻力有所降低。

(3) 改進前后廢排風帽內壓力分布趨勢是一樣的，改進后4個工況下，廢排風帽內的壓力都有所降低,隨著進口速度增大，廢排風帽內的阻力降低值也隨著增大。

[1]項文路.現(xiàn)代城市軌道車輛空調系統(tǒng)的特點及發(fā)展方向[J].鐵道機車車輛,2007,V01.27(10):90-96.

[2]宋波.干熄爐風帽供風壓力損失的數(shù)值研究[J].熱科學與技術.2009(3):266-271.

[3]王芳,臧建彬.運行速度對地鐵車輛排風風帽排風特性影響的研究[C].中國制冷學會2009年學術年會論文集，2009.

[4]薛殿華.空氣調節(jié)[M].北京:清華大學出版社,1991.

[5]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京:清華大學出版社, 2004.

[6]Nurtan A Esmen, Dietrich A Weyel, Fred P McGUIGAN. Aerodynamic Properties of Exhaust Hoods, American Industrial Hygience [J] . Association Journal, 1986,Vol.47(8):448-454.

Numerical Simulation of the Exhaust Characteristics of Exhaust Hood on Rail Vehicle

GENGYabin,YUMiao,LIXihui,WANGYongpeng

(R&D Center Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063035 Hebei, China)

Waste exhaust hood of the rail vehicle is an important part of the environmental control system, and its characteristics directly affect on the discharge of exhaust air. It played important role to adjust pressure difference inside and outside the room. In this paper, the flow characteristics of the waste exhaust hood on rail vehicles were studied by numerical simulation with computational fluid dynamics software-Fluent, the results showed that: if the minimum cross section of the outlet decreases, the flow resistance of the waste exhaust hood will increase, the shape and arrangement of the outlet grille influence hood inside the hood trajectory and flow characteristics. It will provide a reference for the optimal design exhaust hood on rail vehicles.

rail vehicles; waste exhaust hood; numerical simulation; flow resistance

1008-7842 (2016) 03-0084-04

??)男，工程師(

2015-11-25)

U270.38+3

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.18