新型動車組送風系統仿真分析

單修洋　劉明偉

摘? 要：文章基于某新型動車組空調通風系統結構，建立風道及客室計算域幾何模型，進行風道及客室內送風過程的仿真計算，分析風道送風量及客室內流場分布情況，并根據仿真分析結果對當前的風道結構提出優化建議。

關鍵詞：數值模擬;送風風道;動車組

中圖分類號：U270? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）07-0113-02

Abstract： In this paper， the geometry model of air-supply duct and carriage zone is established based on the air-supply system of a new type of EMU. The simulation is conducted to compute the air-supply process in the duct and carriage zone. And then the airflow distribution is analyzed to offer optimization suggestions for the current air-supply duct structure.

Keywords： numerical simulation; air-supply duct; EMU

1 概述

動車組客室送風系統設置有多個送風口、回風口以及廢排風口，整個客室空間內空氣流場分布較為復雜，導致客室內送風均勻性很難達到很好的效果，為提高送風均勻性，需對風道結構進行不斷優化。對送風過程的研究可利用試驗法和仿真分析法，由于仿真分析法的成本低且能獲得更多的流場數據，因此本文使用CFD數值仿真的方法對動車組客室送風系統各風口送風量及客室內流場分布進行分析。

2 送風系統仿真模型

2.1 送風系統幾何模型

空調通風系統三維幾何模型根據現車結構進行搭建。為真實反映客室通風系統的流場特征，幾何模型在搭建過程中對行李架、送、回風及廢排風道等細節特征進行了保留，對客室外圍區域、座椅等對流場特性影響不大的部件進行了近似簡化處理。風道三維幾何模型如圖1所示。

2.2 送風系統網格模型

網格劃分過程中采用六面體網格進行風道和整個客室空間計算域的空間離散。在網格劃分過程中，對送風道、回風道、廢排風道、行李架等幾何尺寸較小、對流動特性影響較大的結構進行網格加密處理，對于數據梯度變化不大的區域，網格尺寸適當放大，使得網格數量和質量得到了很好的控制。風道和客室計算域內某一截面的網格劃分結果為六面體網格總數約1068萬。

2.3 計算模型設置

根據流場內的流速及流場幾何結構估算流場雷諾數Re>2000，因此流動模型選擇Realizable k-ε湍流模型封閉方程組，采用SIMPLE算法實現速度與壓力之間的耦合求解。計算過程中，假設客室內空氣為理想不可壓縮氣體，空氣流動狀態達到穩態，且不考慮客室內空氣的泄漏[1][2]。

空調機組送風口采用流量入口邊界（邊界參數：3900m3/h），廢排風口采用流量出口邊界（邊界參數：1350 m3/h），回風口采用壓力出口邊界（邊界參數：-210.0Pa），其它各壁面采用無滑移壁面邊界。

3 計算結果與分析

3.1 風道風口風量分析

風道各風口的送回風量情況分別如下所示：

3.1.1 回風口回風量

編號1：回風量：210.7m3/h，風量偏差率32.2%;編號2：回風量：188.09m3/h，風量偏差率18.01%;編號3：回風量：169.95m3/h，風量偏差率6.63%;編號4：回風量：156m3/h，風量偏差率-2.12%;編號5：回風量：146.79m3/h，風量偏差率-7.9%;編號6：回風量：139.53m3/h，風量偏差率-12.45%;編號7：回風量：133.67m3/h，風量偏差率-16.13%;編號8：回風量：130.33m3/h，風量偏差率-18.23%;均值：159.38m3/h。

根據以上結果分析，回風口編號越大距離空調機組越遠。距空調機組越遠，回風量越小?；仫L是在蒸發風機負壓作用下產生，由于回風道沿程阻力的損耗，距離空調機組越遠回風負壓越小，導致支回風道內回風壓差減小，回風量減小。

3.1.2 上送風口送風量

編號1：送風量：36.56m3/h，風量偏差率-53.7%;編號2：送風量：43.24m3/h，風量偏差率-45.3%;編號3：送風量：120.28m3/h，風量偏差率52.3%;編號4：送風量：75.8m3/h，風量偏差率-4.1%;編號5：送風量：60m3/h，風量偏差率-24.1%;編號6：送風量：70.3m3/h，風量偏差率-10.9%;編號7：送風量：60m3/h，風量偏差率-24.1%;編號8：送風量：74.48m3/h，風量偏差率-5.7%;編號9：送風量：65.22m3/h，風量偏差率-17.4%;編號10：送風量：79.7m3/h，風量偏差率0.9%;編號11：送風量：72.87m3/h，風量偏差率-7.7%;編號12：送風量：91.12m3/h，風量偏差率15.3%。編號13：送風量：89.92m3/h，風量偏差率13.8%;編號14：送風量：103.3m3/h，風量偏差率30.8%;編號15：送風量：108.3m3/h，風量偏差率37.1%;編號16：送風量：112.84m3/h，風量偏差率42.8%;均值：79m3/h。

根據以上結果分析，送風口編號越大距離空調機組越遠。對于1號送風口，由于在主風道內設置了擋板，導致氣流遠離1號送風口對應的靜壓腔擋板開口，送風量明顯偏小，對于2號送風口，由于距離靜壓腔左側壁面距離太近，壁面處產生的渦流導致該送風口處的送風量減小。

3.1.3 窗間送風口送風量

編號1：送風量：42.98m3/h，風量偏差率40.9%;編號2：送風量：36.56m3/h，風量偏差率19.9%;編號3：送風量：26.04m3/h，風量偏差率-14.6%;編號4：送風量：23.61m3/h，風量偏差率-22.6%;編號5：送風量：25.37m3/h，風量偏差率-16.8%;編號6：送風量：23.41m3/h，風量偏差率-23.2%;編號7：送風量：26.73m3/h，風量偏差率-12.3%;編號8：送風量：24.7m3/h，風量偏差率-18.9%;編號9：送風量：29.92m3/h，風量偏差率-1.9%;編號10：送風量：26.73m3/h，

風量偏差率-12.3%;編號11：送風量：32.65m3/h，風量偏差率7.1%;編號12：送風量：32.29m3/h，風量偏差率5.9%;編號13：送風量：37.62m3/h，風量偏差率23.4%;編號14：送風量：25.3m3/h，風量偏差率30.8%;均值：30.49m3/h。

根據以上結果分析，送風口編號越大距離空調機組越遠。在1號、2號窗間送風口處，由于設置的靜壓腔擋板開口偏大，使得此處靜壓腔內靜壓偏大，導致送風量明顯偏大。

3.2 客室速度場分析

客室內上下送風口截面的速度場分布分別如圖2和圖3所示。

從圖中的仿真結果中可以看出廢排風速最大可達到14m/s，客室內風速都不超過0.5m/s。通過分析上圖，在機組端第一個送風口位置處出現最大風速，這是由于該送風口送風量過大導致。客室內整體風速在0.3m/s左右。

4 結論

通過對空調通風系統的仿真計算，對各風口風量及客室空間內的速度場進行了對比分析，可以得出如下結論：

（1）由于空調機組端第一節風道的靜壓腔擋板開口設置偏大，導致3號上送風口和1、2號窗間送風口的送風量明顯偏大。同時也導致靜壓腔內氣流從機組端向非機組端流動，產生橫向風速，使得出風口處出現渦旋，在送風量一定的條件下支送風風道內局部風速偏大，易產生噪聲。建議減小該風道靜壓腔擋板開口尺寸，減小第一節風道靜壓腔內的風量。

（2）由于主風道內安裝的擋板高度偏高且距離1號上送風口較近，導致氣流遠離1號上送風口對應的靜壓腔擋板開口，此處靜壓偏小，送風量偏小。建議減小主風道內擋板高度，從而增大此處靜壓。

（3）在主風道內，風速從機組端到非機組端不斷減小，主風道內靜壓不斷增大，因此建議靜壓腔擋板上的開口應隨主風道內靜壓的增大而減小，實現向靜壓腔內均勻送風的目的。

參考文獻：

[1]張登春，翁培奮.載人列車車廂內空氣流場溫度場數值模擬[J].計算力學學報，2007，24（6）：904-910.

[2]劉志永，尹海國.基于乘客熱舒適性的空調列車軟臥包廂送風氣流組織優化研究[J].鐵道學報，2017，39（12）：50-57.

[3]劉春鄭.動車組空調通風系統送風衛生狀況調查[J].商品與質量，2015（49）：24.