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，對某有軌電車空調系統風道進行仿真計算。根據仿真計算結果對風道結構進行優化設計，使風道各出風口送風量滿足均勻性要求。對空調機組與風道進行配套試驗，并將試驗數據與仿真數據進行對比，驗證了仿真結果的準確性。

關鍵詞：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

有軌電車客室內的舒適性主要通過車輛配置的空調通風系統來維持。其中車輛風道系統的送風均勻性將直接影響客室內乘客的舒適性。通過CFD仿真技術，應用數學模型取代空調風道系統的配套試驗，優化風道系統送風口的設計，減少設計周期，為地鐵車輛客室內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，風道系統采用車頂安裝，為靜壓式風道。風道布置保證了客室內各位置均有送風，且無送風死角，保證了客室內舒適性。

空調機組出風口吹出的冷空氣，在主風道內向前推進，靠主風道內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 數學模型

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

2 網格劃分及數值求解方法

本文中應用Hypermesh軟件，對計算模型進行非結構化網格劃分。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。

4 計算結果及分析

本文對某有軌電車風道內氣流組織進行數值計算，得到風道各出風口的送風量。本文根據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 仿真數據結果

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據如下：

4.2 試驗測試結果

空調機組與風道進行地面組裝，對風道的送風均勻性進行測試，詳細測試數據如下：

4.3 測試數據與仿真數據對比

5 結論

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。

通過仿真數據與測試數據的對比分析，兩組數據基本吻合，采用CFD仿真技術可應用于風道結構優化設計，提高設計效率。

參考文獻：

[1]劉軍樸，陳江平，陳芝久.客車車廂內氣流分布及傳熱數值分析[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.鐵路空調客車內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.