某車載醫療方艙風道仿真分析及改進設計

黃 健,陸嘉偉，王 彥，王偉利，陳 威，王良模

(1.蘇州江南航天機電工業有限公司，江蘇 蘇州 215300) (2.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

車載醫療方艙通風系統和冷卻系統是保證艙內空氣質量、提供適宜溫度的重要部件。作為冷卻系統重要組成部分的風道，承擔著將空調吹出的風分散到艙內各處的任務，風道的出風均勻性直接影響了艙內各位置的溫度均勻性。

風道內氣流的流動特性是一個值得研究的問題，許多風道結構都存在出風口出風不均的現象。Ou等[1]在出風口安裝導流板后改善了氣流路線，提升了各出風口處溫度分布的均勻性。朱娟娟等[2]研究發現導流板的安裝位置和形狀對出風均勻性存在一定的影響。陶其銘等[3]針對不合理的導流板布置進行改進設計，消除了因導流板結構問題引起的分風比不合理問題，通過調整風道拐彎處的圓弧半徑，達到減少大尺度渦流的效果。Sroka等[4]研究發現彎道處流體的壓力脈動比直管處更加劇烈。由于離心力和慣性的作用，彎道處更容易發生流動分離和二次流現象[5-6]，這會使得彎道處流體的流動路線十分不規則。Hu等[7]提出將彎道后的直管段做成漸縮的形狀，使得流體的流動均勻性得到了一定改善。

本文將計算流體力學(CFD)仿真分析和實驗相結合進行風道流場研究，觀察流場存在的問題，并分別針對方艙直風道和彎風道進行改進，以提高風道流速的均勻性。

1 車載醫療方艙風道CFD模型的建立

對風道結構進行簡化，直接建立內部流體域的三維模型(如圖1所示)，主要由出風箱、直出風管道和彎出風管道組成。在風道中間位置布置有一塊導流板，入風口為直徑400 mm的圓， 每根管道均布4個350 mm×300 mm的矩形出風口。

圖1 風道流體域三維模型

由于風道的幾何特性較為復雜，因此采用四面體網格來劃分模型。對于導流板以及一些結構變化較大的部位，網格適當加密，以便于更好地捕捉這些結構處的流場變化。邊界層設置為5層，每一層的增長率為1.1。

2 車載醫療方艙風道流速均勻性分析

風道承擔著送風的任務，需要保證各個出風口的氣流流速盡可能相等，從而保證室內各個位置的溫度分布均勻。

2.1 風道仿真分析

對模型進行穩態分析，采用湍流k-ε模型，標準Standard壁面函數。此處將速度方向假設為垂直于進風口方向，入口設置為速度入口，速度大小分別為1.0 m/s以及1.5 m/s，水力直徑為400 mm，湍流強度為4.5%以及4.2%。出口設置為壓力出口，采用表壓形式，相對于大氣壓的表壓值為0 Pa。出口處每個孔的水力直徑均為323.08 mm，湍流強度為4.5%以及4.2%。

2.2 風道流速試驗

采用QDF-6型數字風速儀對風道各出風口流速進行測量，表1為直風口實驗流速,表2為彎出風口實驗流速，流速值為選取每個出風口3個測點測量之后所取的平均流速。

表1 直風口實驗流速 m·s-1

表2 彎出風口實驗流速 m·s-1

2.3 對比分析

由圖2(a)可知：直風道的出風口流速仿真和實驗結果基本吻合，導流板前一個出風口以及風道最末端的出風口，由于導流板和風道壁面對氣流的截止作用，流速有一個明顯的上升，但是剩余兩個出風口的流速較低，造成了直風道4個出風口流速分配不均勻。

由圖2(b)可知，彎風道后兩個出風口的流速仿真和實驗結果吻合，但是前兩個出風口流速的仿真和實驗結果差異較大。原因是彎道處氣流流向發生改變，并且轉彎處風道截面積發生變化導致流速改變，使靠近彎道處存在大量的渦流，而前兩個出風口靠近彎道使得出口處風速不穩定。

3 車載醫療方艙風道改進

3.1 直風道結構改進

首先對直風道結構進行改進，入口處的進風量設置為350 m3/h。為評價各出風口的流速均勻性，引入標準差的概念。標準差越小，說明各出風口流速與平均值之間的差異越小，代表出風的均勻性越好。

圖2 風道出口流速對比

1)增加導流板。

表3 為不同導流板個數情況下各出風口流速。可以看出，無導流板時，氣流都集中在風道后半部分，尤其是最后一個出風口，流速是前幾個出風口的好幾倍，均勻性較差。

只有1塊導流板時，靠近導流板的出風口以及末端出風口由于導流板和風道壁的攔截作用，出口流速明顯偏大，但是剩余兩個出口的流速較低，造成了4個風口流速差異大。除最末端的出風口外，在每個出風口的后面加入導流板后，出風的均勻性得到了明顯的改善。但是，加入導流板后，氣流流動的阻力加大，導致4個出風口流速的平均值有所下降。由圖3的流跡線可以看出，入口的變截面處和導流板處會形成大量的渦流。

表3 出風口流速

圖3 直風道流跡線

考慮到1塊導流板情況下流速均勻性很差，沒有實際應用價值，而3塊導流板對流速均勻性有很大提升，后續分析均采用3塊導流板的方案，并在此基礎上進一步減少風道內部的渦流，增加出風口的流速均勻性。

2)調節入口大小。

入口大小原來為235 mm×50 mm，與風道截面積差異過大，過渡得不好，因此入口處存在兩個大尺度渦流。現將之調整為240 mm×55 mm、250 mm×60 mm兩種方案，得到的結果見表4。從表中數據可以看出，增大入口的面積，流速的均勻性相差不大，但是出風口流速的平均值得到略微提高。此處主要觀察內部流場的分布情況是否有所改善，目的是改善入口變截面處兩個大尺度渦流。

3.2 彎風道結構改進

1)增加導流板。

對于彎風道同樣存在各出風口流速分配不均的問題，同樣在出風口處加入導流板，仿真結果見表5。彎風道的氣流流動情況比較特殊，由于90°彎道的存在，使得此處氣流流動方向發生改變，并且此處風道截面積突然變大使得流速下降變化較大，因此拐彎處極易形成渦流，如圖4流跡線所示，3種方案在靠近彎道內側都存在一個大尺度渦流，并且彎道處的氣流主要聚集在風道外側。

表4 不同入口大小情況下各出風口流速

表5 不同導流板個數情況下各出風口流速

圖4 彎風道流跡線

無導流板時，情況與直風道一樣，氣流都集中在風道后半部分，尤其是最后一個出風口，流速是前幾個出風口的好幾倍，均勻性較差。只有中間1塊導流板時，流動路線比較不規則，在彎道內側和風道末端有兩個大尺度渦流。各出風口氣流的分布規律和直風道的情況類似，導流板處和風道末端的氣流流速明顯大于另外兩個出口，整體的均勻性差。3塊導流板時，此方案氣流大部分被第一塊導流板攔截，氣流大部分堆積在風道前半部分，前后風量差距過大，因此后半部分幾乎沒有氣流顯示。從流跡線可以看出，彎道內側和第一塊導流板前后存在大量大尺度渦流，局部壓力損失極大，因此風道內的氣流流動情況十分混亂，彎風道僅依靠加入導流板并不能解決流速均勻性差的問題。

2)安裝分流片。

彎風道首要解決的問題是彎道內側的大尺度渦流，彎道拐彎處的曲率半徑一般以一個風道寬度為宜，受空間限制時，如果彎道內側曲率半徑小于1/2風道寬度，需要加入分流片。因此，此處以3塊導流板方案為基礎，在拐彎處加入1片和2片分流片，觀察內部流場的改善情況，目的是使氣流分成多股，避免集中流向風道外側區域使得內側形成渦流。表6為安裝分流片情況下各出風口流速。可以看出，安裝分流片之后，彎道處的渦流減小，但是風道出風口處流速的均勻性仍較差。因此，需要對導流板高度進行合理的調整，減小擋板的高度使氣流順利流向后部，提高后3個出風口的風速，從而增加流速的均勻性。

3)調節導流板高度。

原始的3塊導流板高度均為50 mm，現將3塊導流板的高度按一定比例遞增排列，離入口最遠的一塊導流板高度保持50 mm，增長比例選取1.1，1.3，1.4，1.5和1.6。

由圖5可得，調節導流板高度后，均勻性有大幅度提升。其中，最佳的高度遞增比例為1.4，此時流速標準差最小。

表6 安裝分流片情況下各出風口流速

圖6為彎風道改進前后的4個出風口速度分布，由圖可知，改進后的速度分布曲線明顯平穩，均勻性有很大提升，可以達到設計要求，并且對風道本體沒有改動，說明借助導流板來實現均勻性提升，簡單可行。

圖5 4個出風口的流速標準差

圖6 改進前后的4個出風口速度分布

4 結論

對于風道各出風口之間流速均勻性差的問題，本文針對車載醫療方艙直風道和彎風道分別進行了仿真分析和改進設計，得出如下結論。

1)直風道：除末端出風口外，在每個出風口處加入導流板可以較好地改善各出風口的流速均勻性。加大入口面積可以減小入口處的兩個大尺度渦流，減小流動阻力，增加出風口的平均風速。

2)彎風道：彎道處加入兩塊分流片可以減小彎道內側的大尺度渦流。導流板高度呈階梯狀從低到高分布，有助于改善各出風口流速均勻性，并且導流板高度以1.4的比例增加，最后一塊導流板高度50 mm時，取得的效果最佳。