CFD技術在動車組空調送風道設計中的應用

蒲 棟

1 研究背景

隨著高速鐵路技術的發展，人們軌道車輛的乘坐舒適度要求越來越高，空調通風系統作為提高乘坐舒適度的必要硬件設備，合理的通風方案能夠有效改善、提高列車的乘坐舒適。研究高速動車組空調通風系統內空氣的流動均勻性，提出相應改進措施，對指導動車組空調通風系統設計有理論價值和現實意義。

張吉光[1-7]、談越明[8]等人對靜壓送風風道的送風性能等進行了試驗研究，分別提出了在靜壓腔的主送風道應為變截面風道及在主風道內增加阻力板的送風均勻性調整方法，鄧建強[9]等人模擬復雜結構風道內三位流場及其送風口送風特性等，研究了主風道內隔板及導流板高度等對風道送風均勻性的影響。

目前，國內動車組典型的送風型式包括與鐵路客車相似的靜壓送風、散流式孔板送風型式等。上述學者對鐵路客車靜壓送風的風道送風均勻性進行了試驗和數值模擬研究，對于散流式孔板送風的研究未見相關報告。本文對散流式孔板送風道內空氣流動特性進行研究，通過CFD（Computational Fluid Dynamics）技術預測其流動特性，確定風道各風口的風量分配等相關參數，為散流式孔板送風的設計及試驗提供理論依據。本文以某型動車組風道設計為實例，結合CFD仿真技術在軌道車輛風道系統中的應用，提出一種基于仿真與風道配套試驗結合的動車組風道系統設計方法。

2 基于CFD的風道流場計算

所有可通過CFD技術進行計算的問題，其求解流程如圖1所示，包括建立控制方程、創建幾何模型、確定計算條件（邊界及初始條件）、模型的網格劃分、建立偏微分方程、確定偏微分方程的計算條件（邊界及初始條件）、給定求解控制參數、求解偏微分方程、顯示計算結果。

2.1 流場分析求解控制方程

風道內的流體為具有穩定、粘性較小及紊流等特性，通過采用帶有浮力特性的高雷諾數k-ε兩方程紊流模型對流場進行三維紊流計算[10]，進行以下假設：

（1）風道內氣流為不可壓縮流體，滿足理想氣體狀態方程；

圖1 基于CFD的流場計算流程

（2）流體表面應力符合牛頓粘性應力公式；

（3）風道內氣體的紊流粘度各向同性；

（4）流體密度的變化僅對浮力產生影響，僅在計算浮力時考慮密度的變換；

（5）采用 ρ=ρ0(1-β·?T)（式中 ρ0為流體的常密度，β為膨脹系數）消除浮力項中的ρ。

風道內空氣流場分析需用到的控制微分方程包括連續性方程、動量方程及能量方程，由上述方程共同組成一個控制方程組，用于求解風道內氣體流場的各個參數[11]。

式中：ux、uy、uz為速度分量，p為靜壓力，Fx、Fy、Fz為微元體受到的體積力，ρ為流體的密度，k為流體的傳熱系數，cp為比熱容，ST為粘性耗散項，β為膨脹系數，ρ0為流體的常密度，T表示溫度，T0為工作溫度。

偏微分方程組采用有限體積法求解，方程對流項采用二階精度的迎風差分格式，壓力速度的耦合采用SIMPLE算法。

2.2 幾何模型處理

2.2.1 創建幾何模型

利用建模軟件建立模型，考慮到仿真計算的復雜程度和計算時間，其中一些細節部分如風管內加強筋，管道連接處法蘭等因素未加載到模型內，風道幾何模型如圖2所示。同時，根據風道安裝形式，將各塊進行編號處理，便于數據分析及優化，如圖3所示。

圖2 送風道幾何模型

圖3 模型編號

仿真模型所涉及的送風參數如表1所示。

表1 送回風參數

2.2.2 網格劃分及邊界條件設置

采用數值方法求解控制方程時，需將控制方程在控件區域上進行離散，然后求解得到離散方程組，這就需要對三維模型進行網格劃分處理。在網格處理時選擇合適的網格尺寸，在邊界和幾何復雜區域進行加密處理，可提高仿真計算的精度。本文利用gambit對模型劃分網格，網格形式為TGrid，如圖4所示。

圖4 風道網格劃分

風道邊界條件類型分為Velocity inlet和Pressure outlet，包括入口風量、出口壓力及k和ε，具體參數詳見表2。

表2 送風道仿真分析邊界條件設置參數

2.3 計算結果及分析

可通過調整圖5中散流器的高度h對風道的送風均勻性進行優化。

圖5 送風孔板優化措施

對風道進行基于CFD技術的流場仿真，并對仿真數據進行分析，結合風量的不平衡率及風道的優化措施，對風道方案進行優化，并驗證優化措施的有效性。

風道方案的仿真計算結果見表3，其風速分布見圖6。由表3可以看出，除編號1、4、7、9、T1外，其余位置的風速不平衡率均超過了15%，絕對值最大為62.90%，不滿足送風均勻性的設計要求。從圖6可以看出風道內最大風速為9.93m/s，不滿足送風道風速設計標準5～8m/s的要求。

按照圖5所示的方案對風道進行優化，仿真計算數據見表4，從表4中的數據可以看出風速的最大不平衡率絕對值為9.72%，小于10%，滿足送風均勻性的要求，進而保證車內的送風均勻性及溫度均勻性。

圖7為優化后送風道內的風速分布圖，可以看出，風道經過優化后，風道內的最大風速為6.8m/s，滿足送風道風速設計標準5～8m/s的要求，由此說明基于圖5所示的通過縮小或增大孔板面積的方法對送風道進行優化的方法可行。合理控制風道內的風速，可有效降低空調系統的送風噪聲，提高客室的乘坐舒適性。

2.4 風道配套試驗數據校驗

結合風道配套試驗，對表4中的試驗數據進行校驗。首先進行風道模型的制作，采用鋁板材質，通過風道配套試驗臺（見圖8）模擬送風，試驗數據見表5。

通過對表5的數據進行分析，可得送風量的總和為7053m3/h，大于設計值7000m3/h，與設計值的偏差為0.76%，而且各個孔板上的風量偏差都控制在10%以內。對風道內風速進行測試，風速最大為7.45m/s，滿足送風道內風速5～8m/s的要求。

圖6 送風道風速分布圖

圖7 優化后風道風速分布圖

表4 優化后送風道仿真計算結果

圖8 風道配套試驗臺

因此，通過仿真計算后對散流器高度進行調整的方法，在風道的送風均勻性設計中應用是合理的。

表5 風道配套試驗中測試數據

3 結論

綜上所述，CFD仿真在理論上有效地指導了風道的理論設計，將CFD與工程研究相結合是一種有效和經濟的研究手段。由于在仿真中對模型進行了一定簡化，且對風道的后期改進未及時體現在仿真模型當中，可能使模擬結果產生一定偏差，總結如下。

第一，在進行仿真時風道的某些參數尚未確定，如管道的摩擦系數等，同時也對風道的某些細節部位進行了適當簡化，這些問題會對計算結果產生一定影響。

第二，仿真設置中，空氣在進入風道時都是與法線方向平行的，進口處都是均勻流，但在實際情況下由于管路的復雜性，流體的流態往往在進口處發生較大波動。送風是通過人字型板的分流后進入送風道的，設置兩個送風口，其中，送風道的中間送分部分是由兩個送風口同時相對送風的，氣流組織比較復雜。

以上問題，涉及的模型參數可以根據試驗數據進行確定，同時將在后續工作中對各部分的局部流動狀態進行分析，盡量減少模型簡化帶來的影響，并考慮對整車風道進行模擬分析，以消除由于各部分單獨分析帶來的影響。

[1]楊晚生，張吉光，張艷梅．新型空調均勻送風道靜壓腔均衡衰減特性研究[J].廣東工業大學學報，2005，（3）：105-108.

[2]楊晚生，張吉光，張艷梅.靜壓式空調送風道送風均勻性研究[J].鐵道運輸與經濟，2005，（1）：79-81.

[3]張吉光，史自強，楊晚生．空調靜壓送風道合理結構的分析研究[J].制冷空調與電力機械，2002，（4）：24-27．

[4]張吉光，史自強，楊晚生．鐵路客車空調送風道試驗臺的研制[J].暖通空調，2002，（4）：104-106．

[5]張吉光，楊晚生，史自強．靜壓送風道空氣動力學性能的試驗研究[J].流體機械，2002，（7）：4-7．

[6]楊晚生，張吉光，史自強．現有客車空調送風均勻性的改進措施研究[J].鐵道標準設計，2005，（4）：89-92．

[7]張吉光，楊晚生，史自強．鐵路客車空調送風道送風均勻性的研究[J].流體機械，2002，（11）：50-53．

[8]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，（6）：11-15．

[9]鄧建強，靳宜勇，張早校，等．空調客車內風道三維湍流流動特性數值研究[J].制冷學報，2001，（1）：30-34．

[10]張兆順，崔桂香．流體力學[M].北京：清華大學出版社，2006：349-350．

[11]楊永，宋文萍，張正科等譯．空氣動力學基礎[M].北京：航空工業出版社，2014：103-184．