關于列車空調系統的數值仿真研究

吳　堅,郭小玉（南車青島四方機車車輛股份有限公司,山東　青島　266000）

關于列車空調系統的數值仿真研究

吳堅,郭小玉
（南車青島四方機車車輛股份有限公司,山東青島266000）

近年來，隨著經濟的發展，人們對生活品質的需求也愈發強烈，為了滿足乘客在乘車時能有一個舒適，空氣質量良好的乘車環境，人們在不斷地完善和調節空氣，并通過一系列的仿真實驗研究出怎樣改善空氣流動，了解空調系統在實踐中的運作。本文主要通過對空調系統的數值仿真研究，得出空氣中的含濕量和人體散熱量對列車溫度影響結論。

空調系統；含濕量；散熱量；數值仿真研究

對空氣調節系統的重視非常重要，因為它對鐵路客車有很大的輔助作用，它性能的好壞有可能直接影響到車內的空氣質量以及旅客是否健康舒適。CFD這種技術雖然在暖通空調領域發展成熟，但在列車領域還有些不足之處，利用CFD這種技術來進行列車空調通風系統的數值仿真模擬研究，可以知道車內空氣流動變化以及溫度的分布情況，得出空調通風系統的不足之處，再來加以改進。最后，通過空氣中含濕量以及人體散熱量對溫度的影響得出空調系統的數值仿真研究的結論[1]。

1　空調系統的概念以及種類

1.1概念

為了滿足人們對室內的環境要求，改善室內氣候條，用一種人為的方法，進行室內空氣的溫度、風度、濕度、含塵濃度的處理，使某些場所獲得質量好的空氣。換言之就是調節空氣參數的一種機器設備。

1.2種類

（1）根據系統風量的固定情況劃分：定風量系統、變風量系統。

（2）根據使用情況的不同劃分：工藝性空調系統、舒適性空調系統。

（3）根據系統控制情況不同劃分：一般空調系統、高精度空調系統。

2　建立空調模型以及模型所得值分析

2.1建立模型

由于此種工程的設備結構十分復雜，在實際操作中對于數值進行計算時，需要合理簡化。對此，需要制作一個適用于空氣流動計算的模型。分析空氣流通道路至關重要，它影響著溫度的分布，最后建立一個列車內空調主風的流動方向計算模型。

2.2原始模型的結果分析

實驗分析表明，從列車的縱向方向開始，出風口的流量會逐漸增大，這是因為從進風口流進風道內的時候，氣流會具有一定的速度，在流經車廂前部的入風口時，只有少量的氣流能夠通過入風口進入車廂內，這是因為慣性的原理；當氣流塊到達車廂尾部的時后，大部分氣流都會集中在車廂的尾部，這是因為氣流本身速度開始減小或者是因為風道壁的阻擋，因此造成車廂尾部的風高于進風口的風，出現了車廂末端的溫度比車廂前端的溫度低．這是由于車廂內的溫度不均勻分布造成的，這也就說明此了這個列車風道設計是不合理的。

2.3修改后模型的分析

根據原始模型所得結果進行了改進，分別對車廂頂部入風口結構的改進制作出不同方案，并且把得出的結果進行對比，最終選出最適合的空氣調節模型。

3　空氣含濕量對溫度影響的仿真研究

3.1含濕量的概念

含濕量是指，在濕空氣中，與一千克干空氣同時并存的水蒸氣的質量。

3.2濕度對溫度的影響分析

濕度對于溫度的分布具有一定的影響，室外環境如此，那么在列車這樣相對密布的空間里，濕度也在發揮著影響列車溫度的功能。考慮濕度對溫度的影響則要計算其發熱量，而計算發熱量就必須考慮到全熱，全熱是顯熱和潛熱合起來所產生的熱量的總稱。在空氣中，有一部分熱量會隨著溫度的變化而變化，那就是所謂的顯熱，而另一部分熱量是隨著含濕量的變化而變化的，這是潛熱，也就是空氣中水蒸汽的汽化熱。

我們來設定一組數據表明含濕量對溫度的影響：設定車廂進風的溫度是289K，進入車廂內的新風相對濕度是75%；車廂排風溫度是300K，相對濕度是60%；回風溫度是300K，相對濕度是60%，外界環境溫度是308K．為了了解空氣含濕量在車廂內的情況，我們將車廂溫度的變化制作了分布圖，根據分布圖可以看出，車廂內整體的溫度都不高，尤其是乘客所在的區域，這是因為空氣中具有水蒸氣，空氣受到它的影響導致氣溫下降，因此，考慮含濕量的溫度要比不考慮含濕量的溫度低。[3]考慮空氣含濕量的車廂比正常溫度低3℃在考慮空氣含濕量的情況下，沿車廂縱向方向相同點的溫度比不考慮空氣含濕量低5～6℃這就說明空氣中的水蒸汽對溫度的分布有很大的影響。

4　人體散熱對車廂內溫度的影響

另一個影響列車溫度的原因是人體散熱，而人體散熱是車廂內主要的散熱來源。

人體散熱主要的方式有兩種，一種是，首先，可以設定一個熱源，假設車廂的人數是36人，如果將每個人的散熱量定為102W來計算，每個人均勻的坐在自己的位置上，相當于所有熱量都均勻分布，再對這種熱量的擴散進行觀察。另一種是，將人體熱量傳遞到到椅子上，這是兩種熱源都是處于一種溫度分布當中，再將二者在車廂內所取的特定點的溫度進行比較，我們可以看出第一種方法比第二種方法的溫度高，這是因為定義熱源的熱量分布比較集中，而經熱量傳遞到椅子上的熱量分布較散，不集中。所以，熱量集中的地方溫度高，反之則低。

5　結語

根據對列車空調系統的數值仿真研究得出，空氣中的含濕度對溫度的分布有很大的影響，通過控制和調節列車內含濕度可以改變車廂內的溫度，而車廂內的另一個溫度來源是人體散熱，通過定義熱源和將熱源傳遞椅子上的方式得到熱量的散布情況，并以此來調節溫度。[4]最后還可以從車廂主要通風口進行改造以改變溫度。這樣的仿真研究對社會的發展具有很大的意義。

[1]楊暉,賈力,楊立新.列車運動對地鐵站臺空氣溫度分布動態影響的數值分析[J].北京交通大學學報（自然科學版）,2009,33(01)。

[2]蔣文濤,徐峻,裴勇.置換通風在列車空調系統中的應用[J].石家莊鐵道學院學報,2006,19(04)。

[3]劉杰,李人憲,陳琳等.高速列車空調系統及車內流場分析[J].西南交通大學學報,2012,47(01).

[4]王東屏,兆文忠,劉剛等.考慮空氣含濕量的列車空調系統數值仿真[J].大連交通大學學報,2008,29(05).