蒲 棟

1 研究背景

隨著高速鐵路技術(shù)的發(fā)展，人們軌道車輛的乘坐舒適度要求越來越高，空調(diào)通風系統(tǒng)作為提高乘坐舒適度的必要硬件設備，合理的通風方案能夠有效改善、提高列車的乘坐舒適。研究高速動車組空調(diào)通風系統(tǒng)內(nèi)空氣的流動均勻性，提出相應改進措施，對指導動車組空調(diào)通風系統(tǒng)設計有理論價值和現(xiàn)實意義。

張吉光[1-7]、談越明[8]等人對靜壓送風風道的送風性能等進行了試驗研究，分別提出了在靜壓腔的主送風道應為變截面風道及在主風道內(nèi)增加阻力板的送風均勻性調(diào)整方法，鄧建強[9]等人模擬復雜結(jié)構(gòu)風道內(nèi)三位流場及其送風口送風特性等，研究了主風道內(nèi)隔板及導流板高度等對風道送風均勻性的影響。

目前，國內(nèi)動車組典型的送風型式包括與鐵路客車相似的靜壓送風、散流式孔板送風型式等。上述學者對鐵路客車靜壓送風的風道送風均勻性進行了試驗和數(shù)值模擬研究，對于散流式孔板送風的研究未見相關(guān)報告。本文對散流式孔板送風道內(nèi)空氣流動特性進行研究，通過CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)預測其流動特性，確定風道各風口的風量分配等相關(guān)參數(shù)，為散流式孔板送風的設計及試驗提供理論依據(jù)。本文以某型動車組風道設計為實例，結(jié)合CFD仿真技術(shù)在軌道車輛風道系統(tǒng)中的應用，提出一種基于仿真與風道配套試驗結(jié)合的動車組風道系統(tǒng)設計方法。

2 基于CFD的風道流場計算

所有可通過CFD技術(shù)進行計算的問題，其求解流程如圖1所示，包括建立控制方程、創(chuàng)建幾何模型、確定計算條件（邊界及初始條件）、模型的網(wǎng)格劃分、建立偏微分方程、確定偏微分方程的計算條件（邊界及初始條件）、給定求解控制參數(shù)、求解偏微分方程、顯示計算結(jié)果。

2.1 流場分析求解控制方程

風道內(nèi)的流體為具有穩(wěn)定、粘性較小及紊流等特性，通過采用帶有浮力特性的高雷諾數(shù)k-ε兩方程紊流模型對流場進行三維紊流計算[10]，進行以下假設：

（1）風道內(nèi)氣流為不可壓縮流體，滿足理想氣體狀態(tài)方程；

圖1 基于CFD的流場計算流程

（2）流體表面應力符合牛頓粘性應力公式；

（3）風道內(nèi)氣體的紊流粘度各向同性；

（4）流體密度的變化僅對浮力產(chǎn)生影響，僅在計算浮力時考慮密度的變換；

（5）采用 ρ=ρ0(1-β·?T)（式中 ρ0為流體的常密度，β為膨脹系數(shù)）消除浮力項中的ρ。

風道內(nèi)空氣流場分析需用到的控制微分方程包括連續(xù)性方程、動量方程及能量方程，由上述方程共同組成一個控制方程組，用于求解風道內(nèi)氣體流場的各個參數(shù)[11]。

式中：ux、uy、uz為速度分量，p為靜壓力，F(xiàn)x、Fy、Fz為微元體受到的體積力，ρ為流體的密度，k為流體的傳熱系數(shù)，cp為比熱容，ST為粘性耗散項，β為膨脹系數(shù)，ρ0為流體的常密度，T表示溫度，T0為工作溫度。

偏微分方程組采用有限體積法求解，方程對流項采用二階精度的迎風差分格式，壓力速度的耦合采用SIMPLE算法。

2.2 幾何模型處理

2.2.1 創(chuàng)建幾何模型

利用建模軟件建立模型，考慮到仿真計算的復雜程度和計算時間，其中一些細節(jié)部分如風管內(nèi)加強筋，管道連接處法蘭等因素未加載到模型內(nèi)，風道幾何模型如圖2所示。同時，根據(jù)風道安裝形式，將各塊進行編號處理，便于數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化，如圖3所示。

圖2 送風道幾何模型

圖3 模型編號

仿真模型所涉及的送風參數(shù)如表1所示。

表1 送回風參數(shù)

2.2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設置

采用數(shù)值方法求解控制方程時，需將控制方程在控件區(qū)域上進行離散，然后求解得到離散方程組，這就需要對三維模型進行網(wǎng)格劃分處理。在網(wǎng)格處理時選擇合適的網(wǎng)格尺寸，在邊界和幾何復雜區(qū)域進行加密處理，可提高仿真計算的精度。本文利用gambit對模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格形式為TGrid，如圖4所示。

圖4 風道網(wǎng)格劃分

風道邊界條件類型分為Velocity inlet和Pressure outlet，包括入口風量、出口壓力及k和ε，具體參數(shù)詳見表2。

表2 送風道仿真分析邊界條件設置參數(shù)

2.3 計算結(jié)果及分析

可通過調(diào)整圖5中散流器的高度h對風道的送風均勻性進行優(yōu)化。

圖5 送風孔板優(yōu)化措施

對風道進行基于CFD技術(shù)的流場仿真，并對仿真數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合風量的不平衡率及風道的優(yōu)化措施，對風道方案進行優(yōu)化，并驗證優(yōu)化措施的有效性。

風道方案的仿真計算結(jié)果見表3，其風速分布見圖6。由表3可以看出，除編號1、4、7、9、T1外，其余位置的風速不平衡率均超過了15%，絕對值最大為62.90%，不滿足送風均勻性的設計要求。從圖6可以看出風道內(nèi)最大風速為9.93m/s，不滿足送風道風速設計標準5～8m/s的要求。

按照圖5所示的方案對風道進行優(yōu)化，仿真計算數(shù)據(jù)見表4，從表4中的數(shù)據(jù)可以看出風速的最大不平衡率絕對值為9.72%，小于10%，滿足送風均勻性的要求，進而保證車內(nèi)的送風均勻性及溫度均勻性。

圖7為優(yōu)化后送風道內(nèi)的風速分布圖，可以看出，風道經(jīng)過優(yōu)化后，風道內(nèi)的最大風速為6.8m/s，滿足送風道風速設計標準5～8m/s的要求，由此說明基于圖5所示的通過縮小或增大孔板面積的方法對送風道進行優(yōu)化的方法可行。合理控制風道內(nèi)的風速，可有效降低空調(diào)系統(tǒng)的送風噪聲，提高客室的乘坐舒適性。

2.4 風道配套試驗數(shù)據(jù)校驗

結(jié)合風道配套試驗，對表4中的試驗數(shù)據(jù)進行校驗。首先進行風道模型的制作，采用鋁板材質(zhì)，通過風道配套試驗臺（見圖8）模擬送風，試驗數(shù)據(jù)見表5。

通過對表5的數(shù)據(jù)進行分析，可得送風量的總和為7053m3/h，大于設計值7000m3/h，與設計值的偏差為0.76%，而且各個孔板上的風量偏差都控制在10%以內(nèi)。對風道內(nèi)風速進行測試，風速最大為7.45m/s，滿足送風道內(nèi)風速5～8m/s的要求。

圖6 送風道風速分布圖

圖7 優(yōu)化后風道風速分布圖

表4 優(yōu)化后送風道仿真計算結(jié)果

圖8 風道配套試驗臺

因此，通過仿真計算后對散流器高度進行調(diào)整的方法，在風道的送風均勻性設計中應用是合理的。

表5 風道配套試驗中測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

綜上所述，CFD仿真在理論上有效地指導了風道的理論設計，將CFD與工程研究相結(jié)合是一種有效和經(jīng)濟的研究手段。由于在仿真中對模型進行了一定簡化，且對風道的后期改進未及時體現(xiàn)在仿真模型當中，可能使模擬結(jié)果產(chǎn)生一定偏差，總結(jié)如下。

第一，在進行仿真時風道的某些參數(shù)尚未確定，如管道的摩擦系數(shù)等，同時也對風道的某些細節(jié)部位進行了適當簡化，這些問題會對計算結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

第二，仿真設置中，空氣在進入風道時都是與法線方向平行的，進口處都是均勻流，但在實際情況下由于管路的復雜性，流體的流態(tài)往往在進口處發(fā)生較大波動。送風是通過人字型板的分流后進入送風道的，設置兩個送風口，其中，送風道的中間送分部分是由兩個送風口同時相對送風的，氣流組織比較復雜。

以上問題，涉及的模型參數(shù)可以根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行確定，同時將在后續(xù)工作中對各部分的局部流動狀態(tài)進行分析，盡量減少模型簡化帶來的影響，并考慮對整車風道進行模擬分析，以消除由于各部分單獨分析帶來的影響。

[1]楊晚生，張吉光，張艷梅．新型空調(diào)均勻送風道靜壓腔均衡衰減特性研究[J].廣東工業(yè)大學學報，2005，（3）：105-108.

[2]楊晚生，張吉光，張艷梅.靜壓式空調(diào)送風道送風均勻性研究[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2005，（1）：79-81.

[3]張吉光，史自強，楊晚生．空調(diào)靜壓送風道合理結(jié)構(gòu)的分析研究[J].制冷空調(diào)與電力機械，2002，（4）：24-27．

[4]張吉光，史自強，楊晚生．鐵路客車空調(diào)送風道試驗臺的研制[J].暖通空調(diào)，2002，（4）：104-106．

[5]張吉光，楊晚生，史自強．靜壓送風道空氣動力學性能的試驗研究[J].流體機械，2002，（7）：4-7．

[6]楊晚生，張吉光，史自強．現(xiàn)有客車空調(diào)送風均勻性的改進措施研究[J].鐵道標準設計，2005，（4）：89-92．

[7]張吉光，楊晚生，史自強．鐵路客車空調(diào)送風道送風均勻性的研究[J].流體機械，2002，（11）：50-53．

[8]談越明．靜壓式送風風道的結(jié)構(gòu)分析及試驗研究[J].鐵道車輛，2001，（6）：11-15．

[9]鄧建強，靳宜勇，張早校，等．空調(diào)客車內(nèi)風道三維湍流流動特性數(shù)值研究[J].制冷學報，2001，（1）：30-34．

[10]張兆順，崔桂香．流體力學[M].北京：清華大學出版社，2006：349-350．

[11]楊永，宋文萍，張正科等譯．空氣動力學基礎[M].北京：航空工業(yè)出版社，2014：103-184．