數(shù)值仿真在動車組空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

徐峻，任延靜，韓寒，王東屏，張文威

(1.中國北車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062;2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116028)*

0 引言

高速動車組以“高速、舒適、時尚”為突出特點(diǎn)，其中“舒適”是旅客最直觀的感受，旅客車廂內(nèi)空氣的溫度、濕度、流速等都是直接影響到人體的舒適感的主要因素，而這些因素都是由列車的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)所決定的.因此，在高速動車組的關(guān)鍵技術(shù)中，研究空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、送風(fēng)方式以及車廂內(nèi)的氣流組織情況是非常必要的［1-3］.

由于車廂內(nèi)部流場受夏季環(huán)境高溫、冬季低溫以及乘客散熱的影響，用實(shí)驗(yàn)方法研究車廂內(nèi)部的氣流組織難度大、成本高［4-5］.CFD技術(shù)具有傳統(tǒng)方式無法比擬的優(yōu)越性，可以形象、直觀、全面的掌握車輛空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)各物理量在流場中的詳細(xì)信息，在較短的時間內(nèi)對空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能做出預(yù)測，對企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)具有很高的參考價值.同時，CFD仿真技術(shù)作為一種實(shí)驗(yàn)手段，更容易發(fā)現(xiàn)問題產(chǎn)生的機(jī)理，指出原始設(shè)計(jì)方案中存在的不足之處，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，所以應(yīng)該在動車組空調(diào)通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用.目前已有不少的資料對動車組的空調(diào)通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值研究［1-5］，但由于具體問題的復(fù)雜性，所以對新開發(fā)研制的動車組，仍需要具體問題具體分析.

本文應(yīng)用CFD數(shù)值仿真方法，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)軟件-FLUENT對企業(yè)正在研制的高速動車組車廂內(nèi)三維空間區(qū)域的空氣流動和傳熱狀況進(jìn)行了數(shù)值分析，對空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了評估，計(jì)算中綜合考慮了車體壁面?zhèn)鳠帷⑷梭w散熱等多種傳熱過程.計(jì)算結(jié)果為空調(diào)設(shè)計(jì)人員提供直接的技術(shù)支持.

1 計(jì)算模型與計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

高速動車組某中車車廂內(nèi)空氣流場的三維模型如圖1所示，通風(fēng)方式是上進(jìn)風(fēng)上回風(fēng)，底部排出廢氣.冷風(fēng)從車廂中部的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入車廂，回風(fēng)口在客室一位端車廂頂部，廢排風(fēng)口位于客室二位端門下部.網(wǎng)格采用四面體和六面體混合單元，總數(shù)約288萬.車廂內(nèi)定員88人.

圖1 動車組中車車廂流場計(jì)算模型

1.2 計(jì)算方法

基于計(jì)算流體力學(xué)理論，對動車組車廂內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值分析.車廂內(nèi)的流動是三維、定常、不可壓縮、穩(wěn)態(tài)湍流流動，計(jì)算方程見文獻(xiàn)［6］.計(jì)算方法采用有限體積法中常用的SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)法，即壓力連接方程的半隱式求解離散方程組.為簡化問題，計(jì)算時作如下假設(shè):①車廂內(nèi)空氣低速流動，忽略密度變化，認(rèn)為是不可壓縮流體;②空氣流動是穩(wěn)態(tài)湍流流動;③門、窗、墻壁密閉性好;④滿足Boussinesq假設(shè):認(rèn)為流體密度的變化僅對動量方程中的浮升力產(chǎn)生影響;⑤對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，粘性項(xiàng)采用二階中心差分格式.

2 冬季工況數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

車廂空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)在冬季工況的計(jì)算參數(shù)如下:車廂外溫度:-20℃;送風(fēng)入口溫度:19.6℃;進(jìn)風(fēng)口總風(fēng)量:5 000 m3/h;回風(fēng)量:3 540 m3/h;客室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度:21℃;人體溫度:36℃;乘客數(shù)量:88人;廢排風(fēng)量:1 460 m3/h;過道加熱器:4 kW;室內(nèi)加熱器:12 kW;側(cè)墻傳熱系數(shù):1.18 W/m2K;車窗傳熱系數(shù):1.4 W/m2K;端墻傳熱系數(shù):1.18 W/m2K;地板傳熱系數(shù):1.18 W/m2K.冬季車廂內(nèi)除了供暖風(fēng)之外，還布置有過道加熱器及客室加熱器.

冬季工況的殘差曲線如圖2所示.迭代次數(shù)297，收斂精度為10-3.

圖2 冬季工況收斂曲線

2.1 室內(nèi)溫度分布

數(shù)值計(jì)算得到車廂內(nèi)部溫度、速度分布的詳細(xì)信息.車廂內(nèi)頭部位置水平斷面的溫度分布(距地板高1.1 m)如圖3所示.

根據(jù)圖3可知，車廂內(nèi)頭部水平斷面的溫度分布中，人與人之間區(qū)域的平均溫度大致在19℃之間.過道的地方溫度偏低，在16℃左右.按照標(biāo)準(zhǔn)《BSEN14750-1》，車廂內(nèi)人體舒適區(qū)中溫度變化范圍應(yīng)為17～21℃.

圖3 車廂內(nèi)人體頭部水平斷面的溫度分布

經(jīng)過三人座縱向斷面溫度分布如圖4所示，乘客之間溫度分布在17～18℃之間.

圖4 經(jīng)過三人座縱向斷面溫度分布

2.2 車廂中的速度分布

車廂內(nèi)人體頭部水平斷面(距地板高1.1 m)的速度分布如圖5所示，車廂內(nèi)空氣流動速度大致在0.13～0.19 m/s之間.

圖5 車廂內(nèi)人體頭部水平斷面的速度分布

綜上所述，在冬季工況，車廂內(nèi)速度變化范圍0.09～0.19 m/s，滿足《BSEN14750-1》標(biāo)準(zhǔn)(在21℃時，速度變化范圍:0.05～0.3 m/s).人體周圍溫度17～20℃，符合標(biāo)準(zhǔn)《BSEN14750-1》溫度要求(車廂內(nèi)人體舒適區(qū)中溫度變化范圍應(yīng)為17～21℃).

3 夏季工況數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 室內(nèi)溫度分布

夏季計(jì)算工況如下:車廂外溫度:40℃;冷風(fēng)入口溫度:14℃;進(jìn)風(fēng)口總風(fēng)量:5000 m3/h;回風(fēng)量:3540 m3/h;室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度:26℃;乘客數(shù)量:88人;廢排風(fēng)量:1 460 m3/h.

車廂內(nèi)距地板高1.1 m溫度分布如圖6所示.車廂舒適區(qū)溫度分布比較均勻，人與人之間的溫度大致在22～23.2℃之間.過道的地方溫度偏低，在17～18℃之間.按照標(biāo)準(zhǔn)《BSEN14750-1》:在1.1 m高度平均溫度為22℃，車廂內(nèi)人體舒適區(qū)中溫度變化范圍應(yīng)為20～24℃.所以車廂內(nèi)溫度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.

圖6 車廂內(nèi)頭部位置水平斷面的溫度分布云圖

經(jīng)過三人座縱向斷面溫度分布如圖7所示.溫度分布在20～21℃之間.

圖7 經(jīng)過三人座縱向斷面溫度分布云圖

3.2 室內(nèi)的速度分布

經(jīng)過三人座縱向斷面速度矢量如圖8所示，車廂內(nèi)舒適區(qū)速度大致在0.13～0.23 m/s之間.

根據(jù)圖8可知，車廂舒適區(qū)速度分布比較均勻，車廂內(nèi)部舒適區(qū)速度大致在0.13～0.23 m/s之間.空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)《BSEN14750-1》為在20～24℃溫度范圍內(nèi)，速度變化范圍0.08～0.5 m/s，所以該平面速度滿足標(biāo)準(zhǔn).

圖8 經(jīng)過三人座縱向斷面速度矢量圖

在夏季工況下，車廂內(nèi)速度范圍為0.13～0.42 m/s，滿足《BSEN14750-1》標(biāo)準(zhǔn)的速度要求.車廂內(nèi)人體之間溫度范圍21～24℃，滿足《BSEN14750-1》標(biāo)準(zhǔn)要求.

4 結(jié)論

本文通過對某高速動車組中間車車廂內(nèi)空氣溫度場及速度場的數(shù)值仿真，并基于BSEN14750-1空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，對空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估，得出如下結(jié)論:

(1)在冬季工況中，車廂內(nèi)速度變化范圍0.09～0.19 m/s，滿足《BSEN14750-1》標(biāo)準(zhǔn)(在21℃時，速度變化范圍:0.05～0.3 m/s).人體周圍溫度17～20℃，符合標(biāo)準(zhǔn)《BSEN14750-1》溫度要求(車廂內(nèi)人體舒適區(qū)中溫度變化范圍應(yīng)為17～21℃);

(2)在夏季工況下，車廂內(nèi)速度范圍為0.13～0.42 m/s，滿足《BSEN14750-1》標(biāo)準(zhǔn)的速度要求.車廂內(nèi)人體之間溫度范圍21～24℃，滿足《BSEN14750-1》標(biāo)準(zhǔn)要求(按照標(biāo)準(zhǔn)《BSEN14750-1》車廂內(nèi)人體舒適區(qū)中溫度變化范圍應(yīng)為20～24℃);

(3)CFD技術(shù)具有傳統(tǒng)方式無法比擬的優(yōu)越性，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合國際通用的空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)評價體系，在方案設(shè)計(jì)階段對空調(diào)效果進(jìn)行數(shù)值分析、對空調(diào)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，這種設(shè)計(jì)方法應(yīng)該得到廣泛應(yīng)用.

［1］王斌.地鐵車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)及車廂內(nèi)流場數(shù)值仿真［D］.大連:大連交通大學(xué)，2012.

［2］陳煥新，黃素逸，張登春.空調(diào)列車室內(nèi)氣流分布的數(shù)值模擬［J］.流體機(jī)械，2002，30(4):59-61.

［3］張吉光，楊晚生，史自強(qiáng).鐵路客車空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)均勻性的研究［J］.流體機(jī)械，2002，30(1):50-53.

［4］楊晚生，張梅艷，張吉光.鐵路客車高速化對其空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展要求探討［J］.鐵道機(jī)車車輛，2005，25(5):38-39.

［5］張登春，翁培奮，鄒聲華.旅客列車空調(diào)硬座車廂內(nèi)熱舒適性研究［J］.鐵道學(xué)報，2006(10):62-65.

［6］王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.