CFD技術在軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)設計中的應用

精品文檔-下載后可編輯CFD技術在軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)設計中的應用本文以計算流體力學（CFD）為基礎，采用有限體積法，建立列車風道及車廂模型，對列車流場進行數(shù)值模擬，得到速度及溫度場的分布。并對模型處理方法進行闡述，計算結果進行分析，進一步提出CFD技術在軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)中的應用方向。

隨著旅客對軌道車輛舒適度要求的不斷提高，車廂內(nèi)部的空氣質(zhì)量、環(huán)境舒適度越來越受到人們的關注。相比傳統(tǒng)理論計算無法確定風道送風均勻性、車內(nèi)氣流組織、溫度分布的弱點，計算流體力學（CFD）技術可以對空調(diào)系統(tǒng)管路及車內(nèi)流場分布狀況進行分析，確定風道阻力及各風口風量分配、車內(nèi)流場相關參數(shù)。該技術具有成本低、周期短、可重復等優(yōu)點，適合在前期指導列車空調(diào)通風系統(tǒng)的設計。本文以列車流場仿真分析實例為基礎，對CFD技術在列車通風系統(tǒng)中的應用進行說明。

一、車內(nèi)流場分析控制方程及計算模型處理

1.求解控制方程

空調(diào)系統(tǒng)及車廂內(nèi)的流體流動為穩(wěn)態(tài)、粘性、紊流流動的空氣，采用帶有浮升力效應的k―ε高Re數(shù)兩方程紊流模型對流場做三維紊流流動和傳熱計算，需用到的控制微分方程包括：連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、紊動能方程及紊動能耗散率方程。微分方程組采用有限體積法求解，方程的對流項采用二階精度的迎風差分格式，壓力速度的耦合采用SIMPLE算法。

連續(xù)方程：（1）

其中，ρ為流體的密度，為方向的速度分量。

動量方程：（2）

其中，是靜壓力，是應力矢量，是重力，是微元體受到的體積力。

能量守恒方程：（3）

其中，是焓，是分子傳導率，是由于紊流傳遞而引起的傳導率，是定義的體積熱源。

2.幾何模型的處理

進行列車空調(diào)通風系統(tǒng)流場分析需建立列車內(nèi)部空間及風道系統(tǒng)的幾何模型，對于考慮車內(nèi)旅客的計算工況，還需建立人體幾何模型。針對不同的分析目的可適當?shù)睾喕治瞿Ｐ?，如忽略對空調(diào)通風系統(tǒng)影響較小的幾何特征；用于指導風道設計時，可僅建立風道幾何模型，通過調(diào)整風道結構使其滿足相關標準及車輛使用要求；用于指導整車空調(diào)通風系統(tǒng)布置時，可僅建立列車內(nèi)部空間的幾何模型，將風道風口特性作為邊界條件，進行車內(nèi)氣流組織的分析。為了使分析結果更接近實際情況，可將調(diào)整好送風特性的風道與列車進行整體分析。

3.模型前處理及計算條件設置

目前針對流體分析的前處理軟件有很多種，可選用Spaceclaim和WorkBench中自帶的網(wǎng)格劃分工具進行前處理。在網(wǎng)格處理時選擇合適的網(wǎng)格尺寸，在邊界和幾何較復雜區(qū)域進行加密，可提高計算精度。

對于列車空調(diào)通風系統(tǒng)流場分析，若僅考慮車內(nèi)的氣流組織，僅設置流動邊界條件即可，若考慮車內(nèi)溫度分布則還需設置熱邊界條件，若考慮車內(nèi)濕度還需設置組分條件。

二、車內(nèi)流場分析實例

以某車型為例，分析該車送風道的送風特性、車內(nèi)氣流組織和車內(nèi)溫度場，因此分別建立了送風道模型、空調(diào)系統(tǒng)管路及額定載客量時車輛整體幾何模型。首先對送風道的送風特性進行分析，并調(diào)整結構直至風道流速及出風均勻性滿足要求，然后將該風道與車輛模型合并，整體分析車內(nèi)氣流組織及溫度場分布。

1.送風道送風特性分析

（1）送風道幾何模型及邊界條件設置。

如圖1所示，該車送風道位于車頂兩側，采用條縫式出風口，每側61個條縫式出風口，該風口與客室頂板相連。為了穩(wěn)定計算，在模型處理時將出風口延長一定長度。

風道入口取流量邊界條件，出口取壓力邊界條件。為了真實模擬風道的送風特性，用于調(diào)節(jié)送風均勻性的孔板使用無厚度的面體，賦予多孔介質(zhì)屬性對其阻力特性進行模擬，使用多孔介質(zhì)跳躍模型計算阻力，其公式為：

Δp=-（?ν/α+0.5C2ρν2）Δm（4）

其中，Δm為孔板厚度，取0.002m；?為空氣的粘度，取1.7894x10-5kg/m-3；ρ為空氣的密度，取1.225kg/m3；α為表面滲透率，取3.5788e-7m2；C2為壓力階躍系數(shù)，取3265.3m-1。

（2）送風道出風口速度的計算結果與測試結果對比。

從計算結果中提取一側送風道61個條縫式出風口的風速，與對應出風口實測速度進行對比，對比圖如圖2和圖3。

求得計算結果所有出風口的平均風速為3.98m/s，測試結果所有出風口的平均風速約為3.52m/s，偏差小于15%。且從對比圖中可以看出，計算結果與測試結果吻合度較好。在風道端部，出風口風速較高；在空調(diào)機組正下方，出風口風速偏低；中間段的出風口風速較為均勻。

2.車內(nèi)流場特性分析

（1）車內(nèi)流場分析幾何模型。

客室空調(diào)系統(tǒng)由車頂送風道、回風道及排風裝置構成，其中送回風道口一端與車輛空調(diào)機組相連，一端與客室頂板風口相連。司機室空調(diào)系統(tǒng)由司機室通風機、司機室回風機構成。在求夏季額定載客量時，以車內(nèi)流場和溫度場的分布為例，建立幾何模型如圖4所示。

（2）網(wǎng)格劃分。

使用CutCell笛卡爾網(wǎng)格劃分模型（圖5），總共生成694萬網(wǎng)格，網(wǎng)格正交性質(zhì)量高于0.15。

（3）計算條件設置。

流動邊界條件設置，送風道入口按照實測數(shù)據(jù)的體積流量折算為質(zhì)量流量；客室及司機室回風道出口采用壓力邊界條件。

熱邊界條件設置，車輛外部熱負荷包括車體傳熱負荷Q1及太陽輻射負荷Q2，為了便于計算此處采用熱流密度Q/f（傳熱熱流密度Q1/f與太陽輻射熱流密度Q2/f之和）加載到計算模型表面。由于各表面的太陽輻射負荷差異，需要分別計算車頂、左側墻、右側墻和地板表面的熱流密度，加載在各邊界上。

設置送風道入口溫度，客室內(nèi)的人體熱負荷。

（4）計算結果及分析。

參照TB/T2433-93《鐵道客車空調(diào)裝置運用試驗方法》中的測點布置要求，在計算結果中提取車內(nèi)特征截面（距地板0.5m、1.2m、1.7m高度處的截面，客室前部、中部、后部截面），風速及溫度分布如圖6～圖17所示。

由圖6～圖11可以看出：計算模型車內(nèi)風速分布總體較均勻，風道出風口處風速稍高，約為2m/s，滿足TB1951對出風口風速1～3m/s的要求。由于一位端空調(diào)送風口距客室前部端面近，二位端空調(diào)送風口距客室后部端面遠，因此前部出風口處風速稍高，后部出風口處風速稍低，該結果與實測情況吻合，如圖3測試結果所示前部出風口風速高于后部。

由于計算模型空調(diào)系統(tǒng)風道出風口處沒有設置出風格柵，因此風道出風口處風速比實際風速稍高，后續(xù)處理模型時可詳細考慮出風口格柵的幾何模型，進一步增加仿真計算的準確度。

車內(nèi)的溫度場計算結果分析由圖12、圖13可以看出：計算模型車內(nèi)溫度分布總體較均勻，在車輛滿員的時候車內(nèi)溫度略高于27℃，滿足車輛溫度控制要求（額定工況下，車內(nèi)溫度低于28℃）。且由于客室前部比后部送風量高，客室后部流動較弱，因此客室前部溫度低于后部溫度。由于送風不均勻形成的客室前后部溫差可以通過調(diào)節(jié)風道送風特性來減弱。

三、結論及展望

（1）送風口的分布及尺寸對車廂內(nèi)氣流組織影響較大，合理的送回風方式是保證流場參數(shù)均勻分布及熱舒適性的關鍵；各支風道阻力的匹配也是保證送風均勻性的關鍵。但目前通常采用空調(diào)風道配套試驗來調(diào)節(jié)風道風口及阻力，此方法需要消耗較多的物力財力人力且重復試驗有較大難度。采用先進的計算機仿真技術，對特定結構送風系統(tǒng)的送風效果進行分析，可以提前發(fā)現(xiàn)不合理的設計，提高試驗的成功率，降低成本。

（2）探索列車空調(diào)通風系統(tǒng)優(yōu)化算法，通過設置風道系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)及優(yōu)化目標，使計算機自動重復計算并自動尋優(yōu)，減少人工操作，提高技術人員的工作效率。

（3）計算模型、邊界條件的處理對于分析結果的準確性均有較大影響，通過結果分析修正計算模型，積累分析經(jīng)驗才能更