某地鐵車輛客室送風道送風均勻性優化分析

王常宇 單紅娜

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春； 2.長春市軌道交通集團有限公司，130022，長春∥第一作者，高級工程師)

隨著我國城市軌道交通的不斷發展, 對地鐵車廂內乘客熱舒適性的研究備受關注[1-2]。客室空調送風道良好的送風均勻性是決定乘客舒適性的重要指標，因此合理設計空調送風道成為了整個空調系統設計中較為重要的環節。文獻[3]分析了帶有靜壓腔式空調送風道的送風原理及結構，提出了在送風道內增加擾流板的改進建議。

本文對某地鐵車輛客室送風道進行仿真分析與模擬計算, 獲得了送風均勻性氣流組織云圖、各段送風口的質量流量，以及各段送風口與整體送風口平均值的相對誤差的標準差;此外，對初始送風道結構進行了優化，優化后的客室送風道送風均勻性有所提高。本研究可為空調送風系統的優化設計提供重要的理論依據。

1 研究對象及計算模型建立

1.1 研究對象

本文的研究對象為某地鐵車輛客室送風道。初始送風道結構如圖1所示：氣流由進風口進入風道靜壓腔，經靜壓腔隔板條縫進入主風道，最后由送風口送往客室。

圖1 初始送風道結構Fig.1 Initial air delivery duct structure

1.2 建立計算模型

為了更真實地模擬送風道的送風情況，計算建模包含客室區域。進風口及回風口模型如圖2所示。經風道進風口進入地鐵車輛客室的氣流在客室循環后，由回風口流出。為了便于后續對送風均勻性指標進行評價，對風道出風口進行簡要劃分，從送風口1開始，每隔600 mm設置1個送風口，共設置15個送風口(送風口1—送風口15)，其模型如圖3所示。

圖2 進風口及回風口模型Fig.2 Model of air inlet and return air inlet

圖3 送風口模型Fig.3 Model of air outlet

在Pointwise軟件中簡化上述三維模型，在STAR-CCM+軟件中進行計算模型的前處理工作。為提高計算準確度且考慮到計算模型的收斂性問題，本次計算采用的體網格數量約為500萬個。

1.3 評價指標

基于送風均勻性氣流組織云圖、各段送風口質量流量及各段送風口與整體送風口平均值的相對誤差的標準差等評價參數，評價客室送風道的送風均勻性。

1.4 邊界條件設定

邊界條件設定為：① 空氣在風道中的流動為湍流，空氣密度不變且不考慮空氣的溫度變化，風道壁面設為絕熱；② 根據設計要求，每個進風口的體積流量為2 000 m3/h，為了便于計算，在標準大氣壓密度為1.29 kg/m3的條件下，將進風口的體積流量換算為質量流量，并將進風口空氣流量設置為質量流量，取值為0.718 kg/s，回風口空氣壓力設置為相對壓力，取為0。

2 初始送風道結構

各段送風口的評價參數如表1所示，其中各段送風口與整體送風口平均值的相對誤差的標準差為0.635。初始送風道的速度云圖(主視圖)如圖4所示。由表1和圖4可知，送風道靠近機組下方的送風口氣流流速較小，而送風道端部區域氣流速度較大，送風均勻性較差。

表1 各段送風口的評價參數Tab.1 Evaluation parameters of each sectional air supply outlet

圖4 初始送風道的送風速度云圖(主視圖)

3 優化后的送風道結構

針對客室兩端送風速度較大且整體送風不均勻的問題，將主風道優化為變間距結構。為了使靜壓腔內的氣流更為均勻地送入客室，并減小送風道兩端的送風量，取消靜壓腔內的擋板設計。同時，考慮到送風道內的安裝可行性問題，從一位側主風道隔板和二位側主風道隔板起始端開始，在兩側主風道隔板間每隔500 mm布置一個擋板，優化后的送風道結構如圖5所示。優化送風道結構后，各送風口的質量流量和相對誤差如表2所示，其中各段送風口與整體送風口平均值的相對誤差的標準差為0.535。優化后送風道的送風速度云圖(主視圖)如圖6所示。

圖5 優化后的送風道結構Fig.5 Optimized air delivery duct structure

表2 優化送風道結構后各送風口的質量流量和相對誤差

圖6 優化后送風道的送風速度云圖(主視圖)

4 結語

本文通過改進送風道結構及增加主風道內隔板的方法對初始送風道結構進行優化，獲得如下結論：

1) 初始送風道結構的端部氣流速度較大，優化后的送風道采用變間距結構，越靠近端部的送風道越窄，從而降低了端部流速及流量值。

2) 由于端部氣流速度較大，初始送風道結構的送風速度較大，送風均勻性較差，優化后的送風道由一位側主風道隔板和二位側主風道隔板起始端開始，在兩側主風道隔板間每隔500 mm間距均勻布置擋板，計算獲得的各段送風口的質量流量更接近于整體送風口質量流量平均值，其相對誤差的標準差也有所減小，說明優化后送風道的送風均勻性更優。