CRH380B動(dòng)車組司機(jī)室風(fēng)道及室內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值分析

王東屏，高壯,李明,劉楠

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)中心，河北 唐山 063035)

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CRH380B動(dòng)車組司機(jī)室風(fēng)道及室內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值分析

王東屏1，高壯1,李明2,劉楠2

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)中心，河北 唐山 063035)

針對(duì)CRH380B司機(jī)室風(fēng)道結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn),以其司機(jī)室為研究對(duì)象,建立了其空調(diào)送風(fēng)風(fēng)道和司機(jī)室的三維計(jì)算模型.利用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值仿真方法,采用κ-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流計(jì)算模型和SIMPLE算法,對(duì)司機(jī)室的空調(diào)風(fēng)道和內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,獲得了流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)參數(shù)的詳細(xì)信息,并結(jié)合國際鐵路聯(lián)盟規(guī)程UIC 553-2004,對(duì)司機(jī)室的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行評(píng)估．研究結(jié)果表明該頭車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,滿足人體舒適性要求．

CRH380B;司機(jī)室;CFD數(shù)值仿真;速度場(chǎng);溫度場(chǎng)

0 引言

目前，動(dòng)車組是我國中長(zhǎng)途客運(yùn)的主要交通工具，隨著我國動(dòng)車組技術(shù)的逐步發(fā)展，人們對(duì)車廂內(nèi)的舒適性要求也越來越高，車廂內(nèi)的舒適性已經(jīng)成為衡量動(dòng)車組空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一[1].車廂內(nèi)環(huán)境的好壞直接影響到乘客的身心健康，司機(jī)室內(nèi)工作環(huán)境對(duì)司機(jī)保障列車安全運(yùn)行具有極其重要的意義.

車廂內(nèi)熱舒適性和氣流速度問題已成為國內(nèi)外研究者關(guān)注的焦點(diǎn)和研究的熱點(diǎn).室內(nèi)空氣的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)是研究空調(diào)列車室內(nèi)氣流組織及空調(diào)列車室內(nèi)舒適環(huán)境評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，其內(nèi)部空氣質(zhì)量直接影響到車內(nèi)的空氣品質(zhì)和人體熱舒適性.張登春等對(duì)25K型空調(diào)硬臥車內(nèi)氣流組織進(jìn)行了數(shù)值模擬[2]；王東屏等運(yùn)用了CFD對(duì)高速動(dòng)車組的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)空調(diào)系統(tǒng)引入U(xiǎn)IC標(biāo)準(zhǔn)做出了評(píng)價(jià)[3]；頓小紅等對(duì)我國現(xiàn)有的4種高速動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了細(xì)致的比較與分析[4]；劉杰等用流場(chǎng)指標(biāo)和熱舒適性指標(biāo)對(duì)客室內(nèi)的熱舒適性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[5]；王東屏對(duì)250 km/h動(dòng)車組頭車司機(jī)室和客室的空調(diào)風(fēng)道和內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并引入U(xiǎn)IC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行了評(píng)估[6].多年來經(jīng)過流體研究者的不懈努力，國內(nèi)對(duì)于動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)的研究也在逐步深入，但由于動(dòng)車組司機(jī)室的流線型外殼較為復(fù)雜，對(duì)于其風(fēng)道及室內(nèi)流場(chǎng)的研究較少，故相關(guān)文獻(xiàn)也較少.

本文對(duì)CRH380B司機(jī)室及其風(fēng)道進(jìn)行了詳細(xì)的研究分析，綜合考慮了太陽輻射、車體壁面?zhèn)鳠帷④嚧皞鳠岷腿梭w、電器柜、操作臺(tái)等電子元件的散熱等多種傳熱等條件，研究了司機(jī)室內(nèi)氣流分布特征，并在此基礎(chǔ)上對(duì)司機(jī)室內(nèi)的人體熱舒適性進(jìn)行了分析，以滿足司機(jī)的舒適感要求.本文結(jié)合國際鐵路聯(lián)盟規(guī)程UIC 553-2004對(duì)其內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，為工廠提出最終設(shè)計(jì)方案提供了可靠的參考依據(jù).

1 司機(jī)室內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型

1.1 司機(jī)室風(fēng)道計(jì)算模型

計(jì)算模型為唐山客車廠CRH380B司機(jī)室，司機(jī)室內(nèi)有兩個(gè)電氣柜和一個(gè)操作臺(tái)，司機(jī)1人.

司機(jī)室風(fēng)道將冷風(fēng)分別輸送到司機(jī)室擋風(fēng)玻璃縫隙、操作臺(tái)底部、電氣柜側(cè)部風(fēng)口和側(cè)窗.司機(jī)室內(nèi)有3類進(jìn)風(fēng)道：進(jìn)風(fēng)道1位于司機(jī)室擋風(fēng)玻璃的上部，前擋風(fēng)玻璃的縫隙分為上下兩部分，上部分縫隙連接進(jìn)風(fēng)道1，下部分縫隙連接進(jìn)風(fēng)道2；進(jìn)風(fēng)道2位于車體兩壁側(cè)窗上部，與兩個(gè)側(cè)窗相連；進(jìn)風(fēng)道3位于車體兩側(cè)壁面和底部交界面附近，其出風(fēng)口位于司機(jī)腳前約0.63 m處和電氣柜側(cè)部.具體送風(fēng)過程為：①冷風(fēng)從進(jìn)口1進(jìn)到進(jìn)風(fēng)道1，然后從進(jìn)風(fēng)道1通過擋風(fēng)玻璃上部的縫隙進(jìn)入到車體內(nèi)；② 冷風(fēng)從進(jìn)口2 進(jìn)到送風(fēng)道2，大部分冷風(fēng)從進(jìn)風(fēng)道2下側(cè)的2個(gè)側(cè)窗進(jìn)入到車體，小部分冷風(fēng)從進(jìn)風(fēng)道2通過擋風(fēng)玻璃下部的縫隙進(jìn)入到車體內(nèi)；③冷風(fēng)從進(jìn)口3進(jìn)到送風(fēng)道3，然后冷風(fēng)從進(jìn)風(fēng)道3位于司機(jī)腳前約0.63 m處的出風(fēng)口和電氣柜壁附近的出風(fēng)口進(jìn)入到車體內(nèi).送風(fēng)道的幾何模型，如圖1所示.車頭簡(jiǎn)化圖如圖2所示.

圖1 司機(jī)室進(jìn)風(fēng)道

圖2 車頭簡(jiǎn)化圖

圖3 網(wǎng)格圖

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格由Hypermesh軟件生成，采用四面體網(wǎng)格以適應(yīng)司機(jī)室風(fēng)道的復(fù)雜結(jié)構(gòu).網(wǎng)格總數(shù)約743萬，其中有7個(gè)網(wǎng)格vol skew 值大于0.93 ，其中最大值為0.95，網(wǎng)格質(zhì)量良好，如圖3所示.

1.3 工況計(jì)算

司機(jī)室的計(jì)算工況如下：車廂外溫度為40℃，冷風(fēng)入口溫度為20℃，司機(jī)室送風(fēng)量為1 064 m3/h，司機(jī)室回風(fēng)量為904.4 m3/h，司機(jī)室廢排風(fēng)量為159.6 m3/h，司機(jī)人數(shù)為1位.司機(jī)室產(chǎn)熱元件功率如表1所示.

表1 司機(jī)室產(chǎn)熱元件功率

太陽輻射主要由直射輻射、散射輻射和地面反射輻射三部分組成.因此,列車壁面受到的太陽總輻射強(qiáng)度J為:[7]

(1)

式中,J為列車壁面受到的太陽總輻射強(qiáng)度,W/m2;IZ為太陽直射輻射強(qiáng)度，W/m2;IS為散射輻射強(qiáng)度,W/m2;IR為地面反射輻射強(qiáng)度,W/m2.

太陽赤緯角δ，是指地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角，其中為n日期序號(hào).

(2)

式中,n=193,求得δ=22.0°.

太陽時(shí)角ω，日面中心的時(shí)角，即從觀測(cè)點(diǎn)天球子午圈沿天赤道量至太陽所在時(shí)圈的角距離.

(3)

式中,取ST=14，求得w=30°.

緯度角φ，蘭州到新疆的緯度跨度為36°～44°，這里取φ=40°.

計(jì)算太陽輻射時(shí)，地球表面的太陽輻射強(qiáng)度主要由太陽光線與照射地點(diǎn)的夾角決定，即太陽高度角，用β表示.計(jì)算太陽高度角β：

(4)

求得sinβ=0.904，則β=64°，為計(jì)算方便取60°.

輻射強(qiáng)度的計(jì)算公式如下:

(5)

式中，I0為太陽常數(shù)，取值為1 367 W/m2;P為大氣透明度，通常用來衡量大氣透明程度的標(biāo)志，其值越接近于1，大氣越清澈，一般取值0.65～0.75之間；m=1/sinβ，β為太陽高度角β=60°.

為了便于研究夏季太陽熱輻射對(duì)車輛隔熱壁的熱作用，可以把外表面所吸收的那部分太陽熱輻射能采用溫度的形式來描述.將其迭加到室外溫度上，得到太陽照射表面的綜合溫度.公式如下[8]:

(6)

式中ρJ/αH的單位為溫度單位(℃)，用這一值來等效太陽輻射熱作用的溫度值，即太陽輻射的當(dāng)量溫度.

車體內(nèi)壁面K值(W/(m2·k))、總輻射量(W/m2)和溫度值(℃)匯總列于表2.

表2 車體內(nèi)壁溫度統(tǒng)計(jì)表

2 司機(jī)室計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 風(fēng)道和司機(jī)室內(nèi)的空氣粒子分布

風(fēng)道和司機(jī)室內(nèi)的空氣粒子分布圖(跡線圖)，如圖4所示.

圖4 風(fēng)道的空氣粒子分布圖(跡線圖)

由圖4可知，送風(fēng)風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)口分別將冷風(fēng)從3類風(fēng)道送進(jìn)司機(jī)室，第一類是經(jīng)過擋風(fēng)玻璃的縫隙送進(jìn)，分上下兩部分；第二類通過進(jìn)風(fēng)道送到司機(jī)腳前0.63m處和電氣柜周圍；第三類通過四個(gè)側(cè)窗送進(jìn).回風(fēng)口位于進(jìn)風(fēng)口1的下部，廢氣從位于操作臺(tái)底部的兩個(gè)廢排風(fēng)道和電氣柜后部的兩個(gè)廢排風(fēng)道排出.

2.2 溫度場(chǎng)分析

車體對(duì)稱面(Z=0 m)的溫度分布，如圖5所示.

圖5 司機(jī)室對(duì)稱面溫度分布

由圖5可知，司機(jī)室內(nèi)溫度分布較為均勻，主要區(qū)域溫度為26.3～26.9℃，司機(jī)室前部為25.7℃，上部為26.9℃，后部為26.3℃，操作臺(tái)是產(chǎn)熱元件，附近區(qū)域溫度較高，前擋風(fēng)玻璃區(qū)域受到外界溫度的影響溫度也較高，為28.3℃，靠近冷風(fēng)道的區(qū)域由于有冷風(fēng)吹進(jìn)，溫度較低，為25.7℃.

司機(jī)胸部位置截面(Y=2.1 m)的溫度分布，如圖6所示.

圖6 司機(jī)胸部位置截面溫度分布

由圖6可知，司機(jī)胸部位置截面主要區(qū)域溫度為26.3～26.9℃，分布在人體周圍，前部溫度較高，為28.1℃.

司機(jī)體表測(cè)點(diǎn)(頭、左肩、右肩、左膝、右膝、左腳、右腳)處的溫度(距離被測(cè)表面30 mm)分別是26.2、26.0、26.3、26.1、26.2、25.8、26.1℃.

由圖5、6可知，司機(jī)室主要區(qū)域溫度為26.3～26.9℃，靠近冷風(fēng)道的區(qū)域由于有冷風(fēng)吹進(jìn)，溫度較低，約為25.7℃，靠近產(chǎn)熱元件和人體周圍溫度較高，司機(jī)室中部區(qū)域溫度較為均勻，為26.3℃，司機(jī)周圍溫度為26.3～26.9℃.

2.3 速度場(chǎng)分析

車體對(duì)稱面(Z=0 m)的速度分布，如圖7所示.

圖7 司機(jī)室對(duì)稱面的速度分布

由圖7可知，人體胸部、頭部速度為0.47 m/s，腳部速度為0.32 m/s，腰部速度為0.43 m/s，司機(jī)室速度為0.2～0.5 m/s，速度大小從上至下逐漸減小，頂部速度較高，為0.5 m/s，司機(jī)腿部周圍為0.25 m/s，膝部區(qū)域風(fēng)速0.35 m/s，肩部區(qū)域風(fēng)速0.36 m/s.

司機(jī)胸部位置截面(Y=2.1 m)的速度分布，如圖8所示.

圖8 司機(jī)胸部位置截面的速度分布

由圖8可知，司機(jī)胸部周圍速度分別為：前部0.5 m/s，左臂0.42 m/s，右臂0.3 m/s，后部0.35 m/s.

司機(jī)頭、左肩、右肩、左膝、右膝位置風(fēng)速(距離被測(cè)表面100 mm)分別是0.47、0.42、0.3、0.33、0.38 m/s.

由圖7、8可知，司機(jī)室速度為0.2～0.5 m/s，速度大小從上至下逐漸減小，頂部速度較高，為0.5 m/s，司機(jī)腿部周圍為0.25 m/s，司機(jī)頭部風(fēng)速0.47 m/s，膝部區(qū)域風(fēng)速0.35 m/s，肩部區(qū)域風(fēng)速0.36 m/s.

3 結(jié)論

通過對(duì)動(dòng)車組司機(jī)室風(fēng)道及室內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算，分析其風(fēng)道和室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，得出如下結(jié)論:

(1)司機(jī)室內(nèi)溫度分布從上到下，溫度由26.9 ℃降至25.7℃，主要區(qū)域溫度為26.3～26.9℃，司機(jī)從頭部區(qū)域到腳部區(qū)域，溫度由26.3℃過渡到25.8℃，室內(nèi)溫度分布均勻；

(2)司機(jī)室內(nèi)風(fēng)速為：司機(jī)頭部風(fēng)速為0.47 m/s，司機(jī)室中上部區(qū)域風(fēng)速為0.45 m/s，司機(jī)肩部區(qū)域風(fēng)速0.36 m/s，腰部風(fēng)速為0.43 m/s，腿部周圍為0.25 m/s，膝部區(qū)域風(fēng)速0.35 m/s，腳部風(fēng)速為0.32 m/s，司機(jī)室內(nèi)速度分布合理；

(3)頭車司機(jī)室采用立體送風(fēng)方式，冷風(fēng)從司機(jī)室前擋風(fēng)玻璃頂部縫隙、側(cè)窗和司機(jī)腳部附近進(jìn)入，風(fēng)道設(shè)計(jì)合理，司機(jī)室的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)符合UIC 553-2004標(biāo)準(zhǔn)，滿足實(shí)際工作的需要.

[1]BERLITZ T，MATSCHKE G．Interior air flow simulation in railway rolling stock[J]．Journal of Rail and Rapid Transit，2002，216(4):231- 236．

[2]張登春．空調(diào)硬臥車內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬研究[J]．中國工程科學(xué)，2004，6(9):66- 72．

[3]兆文忠，曹亞楠，王東屏．高速動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)數(shù)值仿真及引入U(xiǎn)IC標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)[J]．大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(1):7- 10．

[4]頓小紅．我國4種型式鐵路高速動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)的比較研究[J]．裝備制造技術(shù)，2010，(9):31- 33．

[5]劉杰，李人憲，陳琳．高速列車空調(diào)系統(tǒng)及車內(nèi)流場(chǎng)分析[J]．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，47(1):127- 132．

[6]王東屏，劉一達(dá)，黃少東，等.250 km/h動(dòng)車組頭車司機(jī)室及客室內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值分析[J]．大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34(6):1- 4．

[7]楊娟.空調(diào)轎車車室內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬[J].青島：青島大學(xué)，2006.

[8]王東屏，李鵬，陳偉，等.高速動(dòng)車組客室內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值分析[J]．大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35(3):1- 2．Numerical Simulation of Air Duct and Interior Flow Field of CRH380B EMU Cab

WANG Dongping1,GAO Zhuang2,LI Ming2,LIU Nan2

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.P&T Research Center,Tangshan Railway Vehicle Co.,Ltd，Tangshan 063035,China)

Aiming at complex structure of the CRH380B cab compartment duct,its cab compartment was studied,and three-dimensional calculation model of cab compartment and air conditioning duct was established.Numerical calculation on interior flow field of the cab compartment and its air conditioning duct was performed by using computational fluid dynamic numerical simulation method,κ-ε standard turbulence model and the SIMPLE algorithm.The detailed information of the flow parameters were obtained,and the temperature and velocity fields of the cab compartment were assessed with UIC 553-2004. Results show that the air-conditioning ventilation system meets human comfort requirements,and the design is reasonable.

CRH380B;cab compartment;CFD numerical simulation;velocity field;temperature field

1673- 9590(2016)03- 0011- 05

2015- 05- 13

王東屏(1962-),女，教授,博士，主要從事空氣動(dòng)力學(xué)的研究E-mail:wdp@163.com.

A