計算流體力學在地鐵車輛風道設計中的應用

李鵬 張從慧 王俊杰

摘 要：采用商用CFD軟件FLUENT中的標準湍流模型，對某有軌電車空調(diào)系統(tǒng)風道進行仿真計算。根據(jù)仿真計算結(jié)果對風道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，使風道各出風口送風量滿足均勻性要求。對空調(diào)機組與風道進行配套試驗，并將試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行對比，驗證了仿真結(jié)果的準確性。

關(guān)鍵詞：湍流模型;仿真計算;均勻性要求;試驗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.047

0 引言

有軌電車客室內(nèi)的舒適性主要通過車輛配置的空調(diào)通風系統(tǒng)來維持。其中車輛風道系統(tǒng)的送風均勻性將直接影響客室內(nèi)乘客的舒適性。通過CFD仿真技術(shù)，應用數(shù)學模型取代空調(diào)風道系統(tǒng)的配套試驗，優(yōu)化風道系統(tǒng)送風口的設計，減少設計周期，為地鐵車輛客室內(nèi)舒適性設計提供工具[1]。

1 客室風道計算模型

1.1 計算模型

以某有軌電車車為研究對象，風道系統(tǒng)采用車頂安裝，為靜壓式風道。風道布置保證了客室內(nèi)各位置均有送風，且無送風死角，保證了客室內(nèi)舒適性。

空調(diào)機組出風口吹出的冷空氣，在主風道內(nèi)向前推進，靠主風道內(nèi)靜壓使冷空氣通過靜壓腔隔板開孔進入靜壓腔，然后從風道出風口噴射到送風格柵進入客室。

1.2 數(shù)學模型

本文中數(shù)值模擬采用標準湍流模型，風道內(nèi)空氣流動可用質(zhì)量守恒、動量守恒兩個基本物理規(guī)律推導出描述流體流動基本規(guī)律的控制方程，即質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程，具體方程見文獻[2-3]。

2 網(wǎng)格劃分及數(shù)值求解方法

本文中應用Hypermesh軟件，對計算模型進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。應用商用流體仿真軟件Fluent進行仿真分析，離散方程采用SIMPLE算法求解，對流項格式選用二階迎風格式，粘性項格式選用二階中心差分格式。

3 設計要求

空調(diào)機組設計送風量為3500m3/h，各送風口送風量與平均值偏差在±20%以內(nèi)。

4 計算結(jié)果及分析

本文對某有軌電車風道內(nèi)氣流組織進行數(shù)值計算，得到風道各出風口的送風量。本文根據(jù)風道長度將風道出風口共劃分為9段，風道出風口布置如下圖所示：

4.1 仿真數(shù)據(jù)結(jié)果

采用FLUENT仿真軟件對本項目風道的送風均勻性進行仿真分析，計算收斂后得到仿真數(shù)據(jù)如下：

4.2 試驗測試結(jié)果

空調(diào)機組與風道進行地面組裝，對風道的送風均勻性進行測試，詳細測試數(shù)據(jù)如下：

4.3 測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論

本文中采用商用FLUENT仿真軟件，在滿足車輛送風要求的前提下對風道的送風均勻性進行仿真分析，各送風口的送風量滿足整車的送風均勻性要求。

通過仿真數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)的對比分析，兩組數(shù)據(jù)基本吻合，采用CFD仿真技術(shù)可應用于風道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，提高設計效率。

參考文獻：

[1]劉軍樸，陳江平，陳芝久.客車車廂內(nèi)氣流分布及傳熱數(shù)值分析[J].上海：上海交通大學報，2003，37（07）：1108-1101.

[2]高秀峰，馮詩愚，郁永章等.鐵路空調(diào)客車內(nèi)三維湍流流動及溫度場的實驗研究[J].流體機械，2004，32（12）：2.

[3]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.