地鐵車輛空調系統送風均勻性仿真及優化

于會龍

摘要：旨在研究地鐵車輛空調系統送風風道的送風均勻性，以某地鐵車輛為研究對象，在CFD軟件中建立三維流場模型進行計算，并利用各段出風口質量流量與平均值相對偏差的標準差來評價風道的送風均勻性，分析造成氣流不均勻的原因，并對風道的結構進行優化。通過優化前后的模擬仿真，結果表明優化過后氣流更加均勻，為以后地鐵車輛空調系統的設計提供參考。

關鍵詞：地鐵車輛；風道；氣流組織；均勻性

1引言

良好的空調氣流組織對于室內熱環境的舒適性相當重要。實現良好的氣流組織，前提是要保證空調系統送風風道的送風均勻性，即空調各送風口送風均勻。倘若風道送風均勻性不好，就會導致車廂內氣流組織不均勻，進而造成車廂內溫度場和速度場分布不均勻，影響車輛的舒適性和能源消耗。所以，實現送風風道均勻性非常重要，也是保證充分利用空調機組產生的冷量、充分發揮空調的制冷或者制熱作用、保證新風的利用率、提高乘客舒適性的重要條件。

2地鐵車輛數值模型

2.1物理模型

以某地鐵車輛為研究對象。考慮到該車風道在結構上的對稱特點，整個風道沿列車橫向對稱并且沿列車縱向分為4段相同的風道，因此建立其中一段完整的風道三維模型作為研究對象。對車輛的風道三維模型進行簡化時，以最大化地保留原結構，不影響整體氣流分配為基本原則，刪除掉了細小部件（如螺栓、法蘭等），同時僅保留模型的最內層表面用于流體計算。其簡化模型如圖1所示，風道出風口從左至右順次命名為k1-k28。

2.2數學模型

為了簡化問題作如下假設：車室內空氣流動為三維、定常、不可壓縮流動，描述空氣流動的控制方程包括連續性方程、RANS方程以及湍流模型方程。空氣密度不變，不考慮空氣的溫度變化，風道壁面設為絕熱。

2.3邊界條件和評價方法

車廂內空調送風采用速度人口邊界條件。單臺空調機組的送風流量為5000m3/h考慮到計算模型為1/2，故計算時一臺機組風量視為2500m3/h，每段風道風量為1250m3，h1，根據送風道入口的面積計算出送風速度為3.41m/s。

客室各出風口的風量示數組成集合，計算各段送風量與平均值相對偏差的標準差。較大的標準差，代表該集合中各數值與平均值差異較大；較小的標準差，反映各數值較為接近平均值；標準差反映各數值在平均值上下分布的均勻程度。

3結果分析

通過CFD軟件對風道原始模型進行仿真計算，得到計算結果如圖2：

圖2自上一下分別為28個出風口速度云圖，從圖中來看，低風道遠離機組側出口k2-k8區域出風口處流速較大，低風道出口k1、出口k9-k14區域出風口處流速較小，出口速度接近0m/s；高風道出風口k15-k27處流速較為均勻；在高、低風道內所有長圓孔邊界均發生了回流，且靠近機組出風口處回流現象明顯。低風道k9-k14區域在氣流由分配箱風道進入低風道入口處端，氣流速度較大且中間風道沒有任何擾流措施，導致氣流直接向風道中部匯集，沒有通過靜壓隔板到達靜壓腔內，故該區域流量值很小；k2-k8區域處于低風道中、末端，氣流通過靜壓隔板到達靜壓腔內，因此該區域流量值偏大。整體來看，低風道送風口均勻性不好，高風道送風口均勻性較好，但送風口的整體均勻性水平不佳，整體風道出風口質量流量與平均值相對誤差的標準差為0.72。

4結構優化

針對低風道靠近機組端出風口無送風的現象，通過在風道中部增加擾流板來解決，通過在靜壓腔內增加隔板來解決風進入靜壓腔后向遠離機組端推送的現象，同時適當調整靜壓腔入口的位置及數量，起到風量均勻性的調節。針對高風道機組端出風口風量較大的現象，對風道內的擾流板增加開孔，通過增大孔隙率來減小進機組端的風阻，并且調整部分靜壓隔板開孔的位置及數量，達到風量均勻性的調節。

通過CFD軟件對風道優化后的模型進行仿真計算，得到計算結果如圖3：

由圖3可見，經過結構優化，低風道整體流量值、流速值趨向均勻，高風道近機組端流量值、流速值降低，高、低風道分段流量值、流速值較為均勻。各段風道整體送風均勻性均得到提高，風道各段送風質量流量與平均值相對偏差的標準差為0.33，相比原始結構各段送風質量流量與平均值相對偏差的標準差0.72有了明顯的優化效果。各個出風口的出流不均勻性明顯降低，出風更加均勻，提高乘客的舒適感，并且達到節能的目的。

5結論

本文采用CFD仿真分析方法對地鐵車輛送風風道的送風均勻性進行論仿真分析，驗證了調整風道內部擾流板及孔板參數對風道均勻送風的作用，采用該方法對風道進行優化達到均勻送風的目的。風道各段送風質量流量與平均值相對偏差的標準差由0.72減小至現在的0.33。針對地鐵車輛空調系統的設計，采用CFD仿真計算的方法可在較短時間內得到最佳的設計參數。