基于CFD 分析的地鐵洗車機強風吹掃系統優化改進

劉洪春，于 洋，尹 星

（青島地鐵集團有限公司運營分公司車輛部，山東青島 266041）

1 背景與問題提出

1.1 背景

某地鐵洗車機（以下簡稱洗車機）主要用于車輛段電客車車體外表面的洗刷與水漬強風吹掃，其中的強風吹掃系統包括5 組側面風機和1 組頂部風機，通過風機輸出強風將洗刷完畢后粘附在電客車表面的水漬清除[1]。

但據檢修人員普遍反映，電客車在經過洗車機洗刷、強風吹掃后，車窗與門窗玻璃上仍殘存臟污點。經現場跟蹤發現：在結束刷組洗刷與水噴淋后通過強風吹掃系統時，發現風機強風清除水漬的作用不明顯，幾乎不起作用。

1.2 問題提出與優化改進思路

該風機基本技術參數：全壓PT范圍（4334～4356）Pa，流量Q范圍（852～1297）m3/h，電機功率P 為3 kW，風機出風口尺寸為A×B=590 mm×15.5 mm。這種設計存在以下弊端。

（1）出風口開度大，風機所輸出的風所受“擠壓”作用較小，全壓較小，因此無法保證風口處的風速達到使用要求，水漬將無法清除。

（2）出風口開度大，若要求出風口風速達到要求，必然需增大風機排量，由此導致電機功率較大；該系統共有12 套強風風機，耗電量較大。

為此，提出優化方案：改進出風口結構，使用較小尺寸圓孔代替原出風口，圓孔直線分布在圓形管路上；此外，變電機帶動扇片直接排風為空壓機提供壓縮空氣排風。由各圓孔吹出的高壓風形成一道“風墻”，將車體表面的水漬清除。

2 CFD 分析方法與CFX 分析軟件簡介

CFD 是計算流體力學的簡稱，其核心是基于現代計算流體力學的有限元分析技術[2]，目前市面上廣泛使用的商業流體力學分析軟件有很多，如FLUENT、STAR-CD、CFX 等。CFX 軟件因具有豐富的物理模型、先進的數值方法以及強大的前后處理功能，在航空航天、旋轉機械、汽車設計等方面有著廣泛應用[3]。本文使用ANSYS 公司CFX軟件對洗車機強風吹掃系統風速、壓強等物理參數進行數值模擬，并以此為依據進行系統優化改進。

3 基于CFX 的洗車機強風吹掃系統內部流場優化分析

3.1 建模與幾何模型導入

使用三維繪圖軟件Solidworks 完成原結構所包含空氣部分三維流體實體的繪制，該部分即為計算區域，以下稱模型1；同樣地，開有圓孔的圓形管路所包含的空氣部分即為計算區域，以下稱模型2；為了節省計算空間，選取其中典型一段區域作為計算區域，其中管徑ΦD=8 mm，孔徑Φd=1 mm。

3.2 網格劃分與細化

定義兩模型材料為Fluid（流體）；網格劃分質量的好壞往往直接影響數值模擬的計算結果[4]，由于兩模型結構較不規則，因此選用Tetrahedrons 四面體網格劃分方法。

3.3 流場與邊界條件的設置

3.3.1 流場設置

定義兩模型材料均為25 ℃空氣；為了考慮流體動能引起的熱量變化，且此流場流動為高速及可壓縮流動，定義該流場傳熱模型為Total Energy（全熱模型）；由于空氣的黏度很小，因此選用湍流模型來求解空氣流動狀態；此外k-ε 模型作為湍流模型中的一種，已經被證明具有分析結果可靠、數據穩定、具有很好的預測能力、既準確又易于收斂等特點[5]。因此，綜合考慮，兩模型流體仿真計算選擇k-ε 湍流模型。

3.3.2 邊界條件設置

（1）模型1 邊界條件設置。為模擬該風機最強的強風吹掃效果，以第1.2 節提到的已知的風機最大全壓PTmax=4.356×103Pa 以及最大流量Qmax=1.297×103m3/h 為依據設置風機出風口入口和出口邊界：入口1 設置為Total Pressure（全壓入口），設定值即為PTmax=4.356×103Pa；出口1 設置為Normal Speed（速度出口），以出風口處平均速度vavg=39.4 m/s 作為其設定值，vavg的計算如下。

由于空氣在出風口內壁流動時存在摩擦力，因此將Wall（壁面）邊界設置為No Slip Wall，且由于出風口材料為鋼材，因此將Sand Grain Roughness（粗糙度高度）設置為0.046 mm。

（2）模型2 邊界條件設置。為模擬壓縮空氣在圓形管道和圓孔內的流動情況，入口2、入口3 設置為Total Pressure（全壓入口），為確定以0.5 MPa 作為設定值；出口2、出口3 設置為Static Pressure（靜壓出口），由于連通大氣，以1 標準大氣壓1.013×105Pa作為設定值；其Wall（壁面）邊界設置與模型1 相同。兩模型邊界條件的具體設置見表1。

表1 邊界條件設置結果

3.4 結果分析

3.4.1 模型1 計算結果分析

從圖1a 所示的速度云圖上可以看出，風機出風口最大風速為vmax1=77.88 m/s，出現在出風口最低端，出風口風速分布特點呈現“自上而下遞減”的趨勢；從圖1b 所示的壓力云圖可以直觀地看到出風口處壓力下降明顯，風機所輸出的風所受“擠壓”作用較小，甚至存在“負壓”情況，驗證了第1.2 節所提出的觀點。

圖1 模型1 流體仿真計算結果

3.4.2 模型2 計算結果分析

從圖2a 速度云圖可以看出，在理想仿真情況下，出風口最大風速已經達到了vmax2=8.171×102m/s，顯然已經超過音速，實際中不需要如此大風速，因此，為了探求最佳條件，改變壓力入口設定值，分別設定為0.35 MPa，0.2 MPa，0.15 MPa，最大風速仿真結果分別為vmax3=6.395×102m/s，vmax4=4.020×102m/s，vmax5=2.828×102m/s，從降低系統能耗、提高安全系數和可靠性方面綜合考慮，選擇入口壓力（0.15～0.2）MPa 為最佳入口壓力條件。

圖2 模型2 流體仿真計算結果

3.4.3 兩模型計算結果對比分析

從兩模型速度云圖和壓力云圖，可以明顯得出以下結論。

（1）決定水漬清除效果好壞的根本因素為風速大小，使用空壓機提供壓縮空氣代替原風機直接排風，出風口風速為原結構的3.6 倍，出風口“增速”效果明顯。

（2）原結構12 臺風機的總功率為P總=3×12=36 kW，優化方案使用壓縮空氣，且僅需提供0.15 MPa 的壓縮空氣，比直接使用風機排風，耗能更低。

（3）原結構出風口風速存在“自上而下遞減”的趨勢，且風機所輸出的風所受“擠壓”作用較小，甚至存在“負壓”情況，無法保證較大以及較為均勻的出風口風速。優化結構所開圓孔為均勻分布，各圓孔吹出的風形成一道“風墻”，可保證較大以及較為均勻的出風口風速，水漬清除效果更好。

4 結論

本文利用CFD 分析軟件CFX 對某地鐵洗車機強風吹掃系統的出風口風速、壓力等參數進行仿真分析，分析結果表明風機所輸出的風所受“擠壓”作用較小，“增速”效果較弱，以致水漬無法有效清除；針對原出風口結構內部全壓小、“增速”效果差、風速分布不均、耗能較大的缺點，創新地設計了一種以壓縮空氣為工作介質的改進型強風吹掃系統，改變了強風的產生與輸送方式，并通過仿真計算，改進后的強風吹掃系統比原系統吹掃更干凈，符合設計要求。