尤立偉，鄭學林，趙義逢

( 長春軌道客車股份有限公司，長春 130062 )

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地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)送風風道氣流組織模擬及優(yōu)化

尤立偉，鄭學林，趙義逢

( 長春軌道客車股份有限公司，長春 130062 )

基于計算流體動力學(CFD)對蘭州某地鐵列車風道進行模擬，并利用不均勻系數(shù)對風道內(nèi)的氣流組織進行評價，分析造成氣流不均勻的原因，并針對這些問題對風道的結構進行優(yōu)化。通過優(yōu)化前后風道氣流組織的模擬仿真，結果表明優(yōu)化過后氣流更加均勻。為以后地鐵列車空調(diào)送風風道系統(tǒng)的設計提供參考。

地鐵列車；風道；CFD；優(yōu)化；氣流組織

引言

圖1　送風道全局模型圖

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，地鐵已成為許多大中型城市必不可少的交通工具，同時人們對地鐵車廂環(huán)境的舒適性要求也不斷提高。良好的空調(diào)氣流組織對于車廂內(nèi)的舒適程度和能源消耗都有很大的影響[1-2]?？褪覂?nèi)溫度均勻性主要取決于風道送風的均勻性，倘若風道送風均勻性不好，就會導致車廂內(nèi)氣流組織不均勻。某些區(qū)域風量較大，某些區(qū)域風量不足，風量的不均勻?qū)е嘛L速的不均勻，就會使氣流在車廂內(nèi)形成渦旋，從而造成車廂內(nèi)溫度場和速度場分布不均，不能達到設計目標，所以均勻風道的設計非常重要。合理的氣流組織設計，也是保證充分利用空調(diào)機組產(chǎn)生的冷量、充分發(fā)揮送風的冷卻或加熱作用、保證新風的利用率、提高乘客舒適感的必要條件。對于空調(diào)氣流組織分布性能的準確評價是地鐵空調(diào)優(yōu)化設計的基礎。

本文以蘭州某地鐵風道為例，基于空調(diào)氣流仿真結果，采用氣流不均勻系數(shù)這一評價指標對風道出風口氣流進行評價分析，通過調(diào)整風道內(nèi)部格柵結構使風道內(nèi)氣流更加均勻。

1　數(shù)學模型

研究風道和車廂內(nèi)流場的空氣動力特性，其實質(zhì)是研究流體流動問題。而流體運動與結構設計領域中應力分析等問題相比，其建模與數(shù)值模擬要困難得多，是最復雜的物理行為之一。風道及車廂內(nèi)流場的空氣流動是三維、定常、不可壓縮流動，根據(jù)流場特點，描述空氣流動的控制方程包括連續(xù)性方程、Reynolds時均Navier-Stokes方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes，簡稱RANS)以及湍流模型方程[5-6]。

對于大多數(shù)工程問題，無法獲得精確解析解，只能用CFD數(shù)值模擬的方法求解。計算湍流運動時，還需要附加湍流方程。本文計算采用k-ε雙方程模型進行計算，對空調(diào)領域多種流型的計算結果顯示，該模型優(yōu)于其他模型。采用有限體積法中常用的SIMPLE算法對離散方程進行求解。離散方程，對流項采用二階迎風格式，粘性項采用二階中心差分格式。

不均勻系數(shù)是用來描述風道氣流不均勻性的指標，不均勻系數(shù)越大說明風道內(nèi)的氣流組織越不均勻。這里只定義風道出風口最大不均勻性系數(shù)

(1)

式中：

vP—送風出口平均初流速度；

v—每個出風口平均出流速度。

maxr越小說明各個出風口的流量越趨近于設計值，則風道內(nèi)的氣流組織越均勻，反之則說明風道內(nèi)的氣流越不均勻。

2　風道的計算模型

2.1風道的組成和工作原理

選取其中TC車進行分析。TC車車廂頂部有兩臺空調(diào)機組，空調(diào)機組分別分布在車頂兩側1/4處，空氣先通過導流板進行分流，分別向地鐵風道的兩側流動，風道中的空氣由于孔板的阻擋，速度逐漸降低，使空氣向靜壓腔中流動，通過間隙風由主風道傳送到靜壓風道，最后經(jīng)靜壓腔底部的風口送往車廂。圖1為建立的送風道全局模型?？照{(diào)機組送風口分為兩個支路分別向兩個風道送風。圖2、3為風道內(nèi)部結構及截面示意圖。

圖2　風道內(nèi)部結構圖

圖3　風道截面示意圖

2.2計算模型和參數(shù)設計

由圖1可知，受列車車頂空間限制，列車風道由高風道和扁風道兩種類型的風道組成，故我們可以分別對高風道和扁風道分別進行優(yōu)化。運用ICEM CFD分別對高風道a、扁風道b進行建模及網(wǎng)格劃分，為適應風道的復雜結構并確保網(wǎng)格質(zhì)量，采用非結構網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。風道出風口標號為1～6號，風口位置見圖4和圖5。

圖4　a風道出風口位置編號圖

圖5　b風道出風口位置編號圖

邊界條件：

本計算假設列車完全密封，外界與車內(nèi)不連通，外界環(huán)境的熱量通過車體圍護結構進入車內(nèi)，給定外界環(huán)境溫度為33℃，采用第一類邊界條件(恒壁溫)設定車體外壁溫度為33℃，列車車體的傳熱系數(shù)為2.4W/(m2·K)，列車車壁厚度約為170mm。車廂內(nèi)空調(diào)送風采用速度入口邊界條件，空調(diào)機組的送風量為5000m3/h，回風量為3400 m3/h，廢排風量為1600m3/h。由風道結構成中間對稱，為方便計算和建模，只取列車車體一半結構進行模擬分析，故每臺機組的風量取一半，送風量為2500m3/h，回風量為1700m3/h。空調(diào)機組的送風溫度為16.82℃。

圖6　a風道Y=-1.29截面流場速度分布云圖

3　計算結果及分析

3.1原始風道計算結果及分析

選取Y=-1.29m處的截面，此截面正好通過出風口上方支風道中間位置處。a、b風道內(nèi)速度流場分別如圖6、圖7所示，a、b風道各出風口的風量分別如下表所示：

圖7　b風道Y=-1.29截面流場速度分布云圖

表1　a風道各出風口風量

表2　b風道各出風口風量

該列車風道設計多是依靠設計人員的經(jīng)驗而來，由上圖可以看出針對風道進行CFD仿真計算的結果并不是十分理想，與設計風量相比相差比較大。由于未對風道結構進行任何調(diào)整，主風道內(nèi)各開口的尺寸以理論設計值進行CFD仿真計算時，風量的分配并不均勻，各風口的風量呈現(xiàn)依次增大的現(xiàn)象，并且個別風口的風量與設計風量偏差非常大。因此，需對各隔板上開口的面積尺寸進行調(diào)整，以使各風口的風量達到平衡。

由于風道由風機進風口處流體流速快，在流體全壓不變的情況下，動壓越大靜壓越小，風道內(nèi)的氣流在經(jīng)過前面幾個風口的時候動壓過大，靜壓較小，導致出風口的風量較小，甚至出現(xiàn)回流現(xiàn)象，出風口出現(xiàn)負風量的情況。而隨著風道內(nèi)氣流流速的衰減，主風道內(nèi)動壓變小靜壓變大，后面幾個出風口的流量增大。風道內(nèi)流場分布的不均勻?qū)е萝噹麣饬鹘M織不均勻，進而影響乘客的舒適感，因此需要對風道內(nèi)部結構進行調(diào)整優(yōu)化，使風道內(nèi)的氣流組織更加均勻，從而使車廂內(nèi)的氣流組織更加均勻，提升乘客的舒適感。

3.2風道優(yōu)化及結果分析

a風道優(yōu)化的方法為靠近機組孔板的孔徑由原來的50mm變成現(xiàn)在的30mm。第二個孔板前移255mm，2號出風口正上方支風道上面兩個孔靠近前孔板的一個孔直徑增大為70mm，另外一個增大為60mm。

b風道優(yōu)化的方法為移除靠近機組側第一塊孔板，第二塊孔板向機組側移動150mm，并且將孔直徑由原來的50mm變成現(xiàn)在的30mm。第三塊孔板向遠離機組側移動90mm，其余出風孔保持不變。

優(yōu)化過后風道內(nèi)流場分布云圖分別如圖8和圖9。

圖8　a風道Y=-1.29截面流場速度分布云圖

圖9　b風道Y=-1.29截面流場速度分布云圖

圖8與圖6對比可知經(jīng)過優(yōu)化過后風道內(nèi)的流場更加均勻，主風道與靜壓箱連通處風速分布相對比較均勻，使得靜壓基本相等，保證了風量的均勻分配。圖9與圖7對比可知，經(jīng)過優(yōu)化過后風道內(nèi)尾部的渦旋也消失。優(yōu)化過后車風口流量如圖10和圖11。

圖10　a風道優(yōu)化前后風口流量

圖11　b風道優(yōu)化前后出風口流量

從表1、2可知優(yōu)化前a風道出風口最大不均勻系數(shù)28.9%，b風道出風口最大不均勻系數(shù)為81.5%。各個出風口的不均勻系數(shù)都比較大，超過設計值，會導致客室內(nèi)的氣流組織不均勻，影響乘客的舒適感，并且還會造成能量的浪費。經(jīng)優(yōu)化過后a風道出風口最大不均勻系數(shù)減小至10.3%，b風道出風口最大不均勻系數(shù)減小至22.2%。各個出風口的出流不均勻性明顯降低，出風更加均勻，風道內(nèi)的流場也更加均勻，從而使客室內(nèi)的流場也更加均勻，提高乘客的舒適感，并且達到節(jié)能的目的。

4　結論

本文采用CFD方法對風道送風均勻性進行了仿真分析，驗證了調(diào)整孔板參數(shù)對非變截面風道均勻送風的作用，采用該方法對風道進行優(yōu)化達到均勻送風的目的，并得到以下結論：

(1)風道進風口處采用小孔徑的孔板能夠?qū)崿F(xiàn)均勻送風的目的。

(2)a風道的優(yōu)化過后風道內(nèi)流場均勻性得到改善，出風口不均勻性由原來的28.9%減小至現(xiàn)在的10.3%。

(3)b風道的優(yōu)化過后風道內(nèi)流場均勻性也得到明顯改善，出風口不均勻性由原來的81.5%減小至現(xiàn)在的22.2%。

等截面風道設計時，依靠設計師經(jīng)驗進行設計不夠準確，采用CFD與經(jīng)驗相結合的方法可在較短時間內(nèi)得到最佳的設計參數(shù)。

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Simulation and Optimization of Air Flow Organization in the Air Duct of Air Conditioning System of Metro Train

YOU Liwei，ZHENG Xuelin，ZHAO Yifeng

( Changchun railway passenger car Limited by Share Ltd.，Changchun 130062 )

Based on computational fluid dynamics (CFD) simulation of a subway train in Lanzhou.And the air flow organization in the air duct is evaluated by using the unequal coefficient.Analysis of the causes of uneven air flow.And the structure of the air duct is optimized according to these problems.By optimizing the air flow organization of the front and rear air duct,the simulation results show that the air flow is more uniform after optimization.Provide reference for the design of the air duct system of the air duct system of the subway train.

Metro train;Air duct;CFD;Optimization;Air-flow organization

2016-3-27

尤立偉(1979-)，男，主要從事城市軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)的研究。Email：youliwei@cccar.com.cn

文章編號：ISSN1005-9180(2016)03-039-05

TU831文獻標示碼：Adoi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.007