內燃動車組客室氣流組織仿真分析

蔣 帆，劉智遠，李時民

(1.大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室，湖南 株洲 412000； 2.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

我國的軌道交通產業在技術創新及城市化發展[1]的推動下已進入發展的快車道，空調通風系統作為車輛的關鍵部件和乘客界面最直觀的感受對象，需要在工程應用中不斷優化提升。進行空調通風系統設計時應考慮熱舒適性[2]、能耗和環保等多個方面，其中熱舒適性相關的指標有溫度、濕度、風速、噪聲、壓力及空氣質量[3]等內容。利用計算流體力學 (Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)[4-8]仿真軟件進行客室氣流組織模擬計算，能給空調硬座車、動車組、城際車、地鐵及跨座式單軌車的暖通系統設計提供初始設計參考[9-12]，并結合PMV(預測平均熱感覺) 和 PPD(預測不滿意百分率) 指標進行優化[13]，基于仿真設計的優化通風系統結構可減少試驗周期和調試返工的成本損耗。

現有研究中有關于利用內燃動車組柴油機對客室進行預熱的試驗分析[14]，但關于內燃動車組制冷效果的研究較少。由于內燃動車組有動力包排煙管、衛生間及行李架等部件的空間限制，客室局部區域易存在送風不均勻的情況。本文基于東南亞地區內燃動車組項目(Diesel Multiple Unit，簡稱DMU)的二等座客室流體域，通過建立等效數值仿真模型，對客室內速度場與溫度場進行仿真分析。

2 物理及數值模型

2.1 物理模型

通過動車二等座客室的內裝外殼模型建立流體計算域，客室流體區域長20.8 m，寬2.74 mm，高2.18 m。進入客室的氣流通過沿車體中心線對稱的內裝格柵板作為送風口對客室送風，通過兩側行李架下方及頂部集中回風口進行回風。客室簡化模型如圖1所示。

圖1 內燃動車組客室簡化模型

客室定員80人，共布置16排座椅，行李架依車廂長度方向在座椅頂部布置。流體域不考慮客室端部的司機室和貫通道，并將其分為左右兩塊流體區域。由于座椅及行李架結構較為復雜，生成網格比較困難，建模時忽略螺栓連接等細節結構，只保留座椅及行李架的基本形狀。

2.2 數值模型

通過對幾何模型進行合理的簡化后，可以實現以六面體為主、四面體為輔的計算網格的劃分，進而對計算區域進行離散化處理。該節動車客室網格劃分后的總體示意圖如圖2所示，網格總數約為789萬。對座椅及送、回風口進行網格加密處理，局部圖如圖3所示。

圖2 客室仿真模型網格示意圖

圖3 客室仿真模型網格局部圖

2.3 計算模型及其邊界條件設置

2.3.1 計算模型

用數值模擬法對客室內氣流進行模擬，首先根據流體的流動性質選用合適的湍流模型、離散方程并給定初始邊界條件，最后進行計算。本文選用標準的k-ε湍流模型求解雷諾時均方程，并運用基于有限體積法的商用計算流體動力學軟件進行仿真計算。

2.3.2 模型邊界條件設置

該DMU項目為東南亞地區使用的內燃動車組，僅需要考慮室外308 K時的制冷工況。客室流場仿真計算的入口采用速度入口邊界條件，客室仿真模型送風口總面積為1.509 m2，流量為7 900 m3/h，計算得入口速度為1.454 m/s。因客室送風為格柵送風形式，通過分解入口速度來將送風角度設置為60°，同時設置入口送風溫度為288 K。此外客室回風口及廢排口均設置為壓力出口，出口壓力值設置為0 Pa。

因需要為衛生間內提供冷卻風，并通過排風機抽走，所以衛生間需要設置入口及出口，并將衛生間與客室通風格柵設置為內部面。因衛生間送風量與排風量確定，所以送風口與排風口均設置為速度入口，送風口(頂部)與排風口(底部)面積均為0.01 m2，送風與排風流量分別為100 m3/h與150 m3/h，從而送風口與排風口速度入口設置分別為：2.778 m/s與-4.167 m/s。

2.3.3 計算求解

模型采用穩態計算求解，結合前期仿真經驗，連續性方程的殘差設置為10-7，能量守恒方程的殘差設置為10-6，其他殘差設置為10-3。由于客室建模時的網格劃分較密和規整，監控到2 500步之后，入口面壓力及各出口面的流量監測結果基本穩定。

3 客室仿真結果

3.1 空載工況

本節仿真計算背景為：客室入口流量為7 900 m3/h時，客室入口速度1.282 m/s，入口溫度為288 K，室外溫度為308 K，不考慮客室內人體散熱的影響。

從圖4、圖5中可以看出客室內氣流組織比較均勻，同時衛生間與客室氣流交換較好，但是2個座椅區底部冷氣流相對較少。

圖6～8分別給出了客室內3個不同截面處的溫度云圖，分別對應座椅側、內部過道以及衛生間位置處，對比可得，動力包附近的座椅區底部的溫度較高。根據圖8，行李架上方區域溫度較高，且均勻性較差，因此處冷氣流受到行李架阻擋，較難為此區域降溫。

基于現有研究報告[15]及標準UIC553，設置3個水平截面的溫度云圖，圖9～11分別對應人體腳踝、坐姿人體頭部以及站姿人體頭部所在截面[16]，上述截面溫度均勻性均較好，總體上溫度滿足295 K的設計溫度要求。

圖4 客室內速度流線圖(空載)

圖5 客室內速度矢量圖(空載，左圖座椅區Z=15 m，右圖衛生間Z=18 m)

圖6 溫度云圖(空載，X=3.7 m處截面，座椅側)

圖7 溫度云圖(空載，X=4.46 m處截面，內部過道)

圖8 溫度云圖(空載，X=5.5 m處截面，衛生間側)

圖9 溫度云圖(空載，Y=3.34 m處截面，0.2 m腳踝)

圖10 溫度云圖(空載，Y=4.34 m處截面，1.2 m坐姿頭部)

圖11 溫度云圖(空載，Y=4.94 m處截面，1.8 m站姿頭部)

3.2 定員工況

本節仿真計算背景為：客室入口流量為7 900 m3/h時，客室入口速度為1.282 m/s，客室入口溫度為288 K，室外溫度為308 K，且考慮客室內人體散熱的影響。

因為客室區域內乘客的主要活動區域為2塊座椅區域，基于動車組運用環境將人均排放熱量設置為116 W/人，設定人的2個活動區域(區域一24.331 m3，區域二23.416 m3)，其熱能密度分別為190.703 W/m3與198.155 W/m3。

從圖12～13中可以看出定員下客室內氣流組織分布與空載情況相似，流線及矢量圖比較均勻，且衛生間與客室氣流交換較好。

從圖14～16三個特征截面可以看出座椅區域的溫度較高，局部溫度略高于295 K。內部過道所在平面內溫度均勻性相對較差，需要采取措施改善動力包附近的氣流組織，以提升客室內溫度均勻性。

圖12 客室內速度流線圖(定員)

圖13 客室內速度矢量圖(定員，左圖座椅區Z=15 m，右圖衛生間Z=18 m)

圖14 溫度云圖(定員，X=3.7 m處截面，座椅側)

圖15 溫度云圖(定員，X=4.46 m處截面，內部過道)

圖16 溫度云圖(定員，X=5.5 m處截面，衛生間側)

圖17～19分別給出了定員情況下3個人體特征截面的溫度云圖，較空載情況相比，溫度分布更加不均勻，其中，坐姿截面整體溫度高于295 K。

圖17 溫度云圖(定員，Y=3.34 m處截面，0.2 m腳踝)

圖18 溫度云圖(定員，Y=4.34 m處截面，1.2 m坐姿頭部)

圖19 溫度云圖(定員，Y=4.94 m處截面，1.8 m站姿頭部)

4 結語

本文對東南亞內燃動車組客室氣流組織進行了仿真分析，結果表明：人員負荷為空載AW0時，格柵送風、側部及集中回風的形式客室內氣流組織較好，溫度均勻性較高，客室溫度滿足設計要求；當客室人員負荷達到定員AW2時，動力包附近的座椅區溫度略高于295 K的設計溫度要求，需要對動力包與客室交接面上采取隔熱處理，仿真動力包熱量傳入客室影響客室溫度均勻性，后續應繼續將通過試驗驗證。通過一系列措施，優化客室空調通風系統送風，提升客室溫度均勻性，提高了乘客的舒適感。