低地板車空調風道送風均勻性仿真與優化

■ 葉佳 龔繼如

葉 佳：南車南京浦鎮車輛有限公司動車設計部，工程師，江蘇 南京，210031

龔繼如：南車南京浦鎮車輛有限公司動車設計部，工程師，江蘇 南京，210031

城市軌道交通對城市建設與發展起著重要作用。低地板車作為國內新型交通工具，在極大緩解交通壓力的同時，還具備乘車環境舒適等優勢，發展前景廣闊。良好的氣流組織是改善客室熱舒適性的關鍵因素[1-2]。送風風道出風均勻性直接決定了車內氣流組織的優劣，但由于車輛縱向空間較長，不進行優化難以實現均勻送風。傳統送風方式是通過車頂兩側散流器送風，但氣流送入客室內仍具有較大風速，導致乘客有吹風感，影響乘坐舒適性。在低地板車采用中頂網孔靜壓送風方式，大面積送風區域可降低送風風速，且能夠確保車輛氣流均勻性，提高乘坐舒適度。然而，該送風方式在裝車后調整難度大，試驗成本高，國內相關研究相對匱乏。因此，有必要在設計前期對低地板車送風均勻性進行仿真優化，達到指導風道設計的目的。基于計算流體力學（CFD）理論，以國內某型低地板車送風道為研究對象，對其送風道送風均勻性進行仿真優化，可為低地板車送風道設計提供理論依據。

1 送風道結構

國內某型低地板車送風道安裝在車輛頂部，由若干模塊通過貫通道上部連接。兩臺安裝在客室模塊頂部的空調機組為送風道提供風量。送風道頂部設置與空調機組對接風口，底部與客室頂板送風口對接。送風道幾何外形沿車輛縱向中心線對稱，總長度約25 m。送風道三維模型見圖1。

1.1 靜壓送風

空氣在風道內流動時，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行壓力平衡，形成一定靜壓值，并在靜壓箱送風口轉換為動壓，以一定速度射出，達到均勻送風的目的[3]。

1.2 網孔板送風

網孔板送風常用于對溫度、風速及氣流分布均勻性要求較高的空調系統中。在送風道尺寸不可變化的條件下，網孔板可作為末端局部阻力調節器平衡各處阻力。氣流通過網孔板速度衰減快，擴散效果好，因而送至客室的氣流速度較為均勻。

1.3 前期設計方案

結合上述兩種送風方式，在送風道出風位置（即客室頂部中央）安裝網孔板，為實現靜壓送風，在網孔板上方設置長圓孔調節板，將風道下方隔成封閉的扁形靜壓箱。處理過的空氣從空調機組下送風口進入風道，通過長圓孔調節板后速度降低，在靜壓箱內氣流部分動壓轉化為靜壓，經過中頂網孔板后氣流速度再次衰減，均勻性進一步提高，最終送入客室內。中頂網孔靜壓箱結構見圖2。

圖1 送風道三維模型

根據以上送風原理，若能保證氣流通過上層長圓孔調節板壓力平衡，即可獲得整車較好的送風均勻性。因此，設計合適的長圓孔調節板是優化調整過程的關鍵一環。設計前期將調節板長圓孔在空間范圍內全部均等分布（見圖3）。

2 優化方法

靜壓風道送風是實現均勻送風的有效手段。然而，由于靜壓箱尺寸偏小，氣流沿風道流速過大，使得氣流動壓不能有效轉化為靜壓，造成靜壓箱各區域壓力失衡，顯著影響靜壓箱壓力平衡效果。在前期設計方案基礎上，通過適當封堵長圓孔，可增加相應位置局部出風阻力，導致動壓較大區域壓力損失，使靜壓各處壓力重新平衡，有助于整個風道風量重新分配。

2.1 風量分配

為合理評價出風均勻程度，以送風道模塊為單位，根據單個模塊長度與風道總長度比例平均分配風量。將該風量記為目標值，以供仿真優化參考。考慮到車體隔熱壁熱損失、太陽輻射和乘客散發熱負荷，計算得到各模塊目標送風量（見表1）。其中，模塊BM1與BM7、SM2與SM6幾何結構相同，因此各項計算值也相同。

2.2 仿真計算

采用軟件包STAR-CCM+v.6.02進行風道性能的CFO模擬。將物理問題描述為數學問題的過程中，首先需作相關簡化假設，進而建立相關物理變量的微分方程，最后在相應定解條件下求解微分方程。建立送風風道物理模型而作的相關簡化如下：

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

（2）采用相同厚度與阻力特性的多孔介質模板替代風道中頂網孔板。

求解計算中采用的主要模型與相關假設如下：

（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 ℃（送風道內部）穩定的空氣密度。

2.2.1 邊界條件

空調機組送風截面分布不均，根據以往設計經驗，實際運行條件在兩類極限條件（恒定壓力和恒定風量）之間。因此，對以上兩類條件分別進行模擬，以期預測送風道性能。兩類邊界條件分別為：

（1）每個送風口截面流速恒定，提供總風量為10 000 m3/h（簡稱為BC#1）；

（2）每個送風口截面壓力恒定，提供總風量為10 000 m3/h（簡稱為BC#2）。

2.2.2 多孔介質模型

受限于網格數量與質量，車頂孔板送風按實際結構建模難度較大。多孔介質邊界條件可通過設置孔板慣性阻力與黏性阻力對孔板進行簡化，從而有效解決上述問題。為獲得網孔板阻力特性，按比例截取某段風道進行模擬，物理模型見圖4。

圖2 中頂網孔靜壓箱結構

圖3 長圓孔調節板

表1 各模塊送風量分配

圖4 多孔介質物理模型

氣流通過網孔板產生的壓降與過流速度的二次方滿足一定關系。為擬合壓降與速度關系，需在多孔介質模型進風口增加背壓，并以較小步長遞增，使出風口流速相應變化。氣流壓降與出風口流速關系見圖5。慣性阻力與黏性阻力可通過該二次項關系式計算獲得，進而進行多孔介質邊界條件設置。

3 優化結果

3.1 長圓孔調節板分布

風道各模塊中，SM2、BM3與SM6靠近風道與空調機組對接風口，該處氣流動壓大，在靜壓箱相應位置壓力難以平衡，需對該模塊長圓孔調節板進行優先調節。BM1與BM7位于風道端部，氣流流經該區域阻力損失最大，動壓相對較小，若保證以上三個模塊阻力損失平衡，可不必調節BM1與BM7。經過多次仿真試驗，得到實現均勻送風的優化方案。

圖6、圖7分別給出了優化方案中模塊SM2與BM3長圓孔分布。圖6中，模塊BM3縱向平均分為六個區域，總開孔面積縮減為原方案的2/3，在此基礎上，第二—第五區域再封堵1/6長圓孔。圖7中，模塊SM2第一區域開孔面積縮減為原方案的1/3，其他區域開孔面積縮減為1/2，在此基礎上，右側區域再封堵1/6長圓孔。由于內飾安裝需要，紅色區域全部封堵不再提供風量。模塊SM6與SM2調節方案相同。

3.2 送風均勻性

兩類邊界條件（BC#1和BC#2）下的各模塊風量模擬值及目標值見表2。由于是對半風道進行仿真，為作統一比較，將相應模擬風量加倍得到全車模擬風量。兩類邊界條件下相應風量的平均值可近似認為是空調實際運行時的送風量，通過與目標風量的偏差衡量送風均勻程度。

圖5 網孔板的模擬壓力損失曲線

圖6 模塊BM3上長圓孔布置優化

圖7 模塊SM2上長圓孔布置優化

表2 BC#1和BC#2條件下車輛模塊上送風分配結果

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量偏差較小，證明仿真結果具有較好的可靠性。實際送風量與目標送風量最大偏差不超過5.8%，送風均勻性良好，符合工程要求。

3.3 速度與壓力分布

出風速度是衡量出風均勻性的另一客觀指標。圖8、圖9分別給出了兩類邊界條件下的送風道出風速度和壓力。從速度分布來看，兩類邊界條件下風道各段出風速度分布趨勢基本相同，大部分區域控制在1.5～2 m/s，靠近進風口出風速度略高，約為2.5 m/s，符合《客車空調設計參數》[4]對送風口風速的要求。從壓力分布來看，在靠近進風口處壓力波動幅度較大，其他各處壓力變化趨勢較為平緩，與設計方案中對長圓孔調節位置一致。

圖8 BC#1情況下送風速度和壓力

圖9 BC#2情況下送風速度和壓力

4 結論

利用仿真方法對低地板車空調風道氣流組織和送風均勻性進行分析優化，得出以下結論：

（1）通過恒定風速與恒定風壓兩類邊界條件進行仿真計算能夠更加趨近于實際情況；

（2）通過多孔介質模擬網孔送風能夠較準確地反映實際情況；

（3）在網孔板上部設置長圓孔調節板形成靜壓箱，通過適當封堵長圓孔能夠實現均勻送風。

[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，劉蔚巍．空調房間氣流組織與人體熱舒適[J]．建筑熱能通風空調，2006，25(5)：22-26．

[3]談越明．靜壓式送風風道的結構分析及試驗研究[J]．鐵道車輛，2001，39(6)：11-14．

[4]TB 1951—1987 客車空調設計參數[S]．