丁立利，何忠韜，黃 飛

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

高速客車氣流組織主要有速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等，其中速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)客室氣流影響最大，也是研究客室內(nèi)氣流的基礎(chǔ)。本文采用雙方程三維紊流模型對(duì)客車室內(nèi)的氣流進(jìn)行模擬，主要研究高速客車二等車廂內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，并通過(guò)UIC－533標(biāo)準(zhǔn)分析，對(duì)客車通風(fēng)系統(tǒng)及車內(nèi)氣流組織進(jìn)行評(píng)估。

1 車體物理模型

本文以某高速列車二等中間動(dòng)車作為數(shù)值模擬對(duì)象，車體模型如圖1所示。車體長(zhǎng)25 000mm，車寬3 200mm，車體高3 730mm；室內(nèi)布置18排座椅，定員93人，不考慮客車兩端的乘務(wù)員室、配電室和洗臉間；客室內(nèi)氣密性良好，通風(fēng)系統(tǒng)采用上送下排式。

圖1 車體模型

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 數(shù)值模型

客車沿長(zhǎng)度方向具有對(duì)稱性，進(jìn)風(fēng)口位于行李架下部，排風(fēng)口在兩側(cè)墻下部，回風(fēng)口位于端門(mén)上部，進(jìn)、排風(fēng)口采用格柵框，進(jìn)風(fēng)口為60cm×15cm，排風(fēng)口為50cm×10cm，回風(fēng)口為50cm×30cm，兩行李架間距為129.6cm，中間走廊寬度為57cm。簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)圖

2.2 控制方程及邊界條件

用數(shù)值模擬法對(duì)客室內(nèi)氣流進(jìn)行模擬，其步驟如下：首先根據(jù)流體的流動(dòng)性質(zhì)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(jìn)行計(jì)算。本文選用標(biāo)準(zhǔn)的κ－ε雙方程。

（1）質(zhì)量守恒方程：

其中：ρ為空氣密度，kg／m3；u、v、w分別為x、y、z方向的氣流速度；t為時(shí)間，s。

（2）動(dòng)量方程，x、y、z向分別為：

（3）能量方程：

其中：cp為比熱容；T為溫度；k為流體的傳熱系數(shù)；ST為黏性耗散項(xiàng)。

（4）湍流控制方程：

其中：μt為湍動(dòng)黏度；μi為層流動(dòng)力黏度；κ為湍流脈動(dòng)動(dòng)能；ε為 湍 流 能 量 耗 散 項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε為 經(jīng) 驗(yàn) 常數(shù)；Gκ為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；σκ為脈動(dòng)動(dòng)能的Prandtl數(shù)；σε為耗散率對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sκ、Sε為定義的源項(xiàng)。

建立了控制方程之后，在對(duì)模型數(shù)值仿真之前，需要設(shè)定一系列的邊界條件作為仿真計(jì)算的初始條件。由于列車客室內(nèi)空氣的流動(dòng)為低速流動(dòng)，流體密度變化不大，故將其看做不可壓縮流動(dòng)。

設(shè)進(jìn)風(fēng)口為速度入口，速度為0.812 2m／s，入口溫度為16℃。為保證模擬條件下車廂內(nèi)的回風(fēng)量和排風(fēng)量與實(shí)際設(shè)計(jì)情況下的比例保持一致，將回風(fēng)口和排風(fēng)口定為速度出口?；仫L(fēng)口速度為2.23m／s，溫度為27℃；排風(fēng)口速度為0.13m／s，溫度為27℃。人體產(chǎn)生的熱量大約為102W，考慮到乘客散發(fā)的熱量對(duì)客室內(nèi)溫度的影響，計(jì)算時(shí)將人體熱負(fù)荷加載到椅子上?？紤]到車廂體的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，設(shè)定車廂外壁的熱傳導(dǎo)率為1.16W／（m·K），外界溫度為35℃。所有固定壁面取無(wú)滑移邊界條件。

2.3 網(wǎng)格劃分

利用Gambit劃分網(wǎng)格，考慮到網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格采用六面體單元，總單元數(shù)為672 258，計(jì)算時(shí)采用Simple算法，圖3為模型的整體網(wǎng)格劃分圖。

圖3 整體網(wǎng)格劃分圖

3 計(jì)算結(jié)果分析及UIC標(biāo)準(zhǔn)評(píng)測(cè)

3.1 客室內(nèi)氣流的溫度和速度分布

客室內(nèi)1.1m高度上氣流溫度分布如圖4所示?？褪覂?nèi)最高溫度為293.4K，最低溫度為291.2K，平均溫度為292.7K，溫度數(shù)值變化最大幅度不超過(guò)3 K，均勻性比較好?？褪覂?nèi)1.1m高度上氣流速度分布如圖5所示，氣流速度分布大致維持在0.06m／s～0.37m／s，符合乘客舒適度的要求。

圖4 客室內(nèi)1.1m高度上氣流溫度分布

圖5 客室內(nèi)1.1m高度上氣流速度分布

3.2 基于UIC標(biāo)準(zhǔn)評(píng)測(cè)客室舒適區(qū)的溫度和空氣流速

目前很多國(guó)家列車的通風(fēng)系統(tǒng)采用UIC553－2004《客車車廂的通風(fēng)、供暖和空調(diào)》和UIC553－1－2005《客車的通風(fēng)、供暖和空調(diào)型式試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，用它來(lái)評(píng)估列車空調(diào)系統(tǒng)的性能。UIC553標(biāo)準(zhǔn)中提出的試驗(yàn)規(guī)范比較詳盡，符合人體舒適度的要求，較適用于評(píng)價(jià)客室內(nèi)部氣流組織性能，因此數(shù)值仿真的后處理結(jié)果也基于此標(biāo)準(zhǔn)。

按照UIC553的標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)點(diǎn)取在客室內(nèi)的第一排、中間排和最后一排乘客周圍，各測(cè)點(diǎn)的氣流溫度和速度分布情況分別見(jiàn)表1和表2。

表1 各測(cè)點(diǎn)的氣流溫度分布 K

由表1可知：第一排個(gè)別乘客頭部外的測(cè)點(diǎn)溫度值稍低，中間兩排乘客附近的測(cè)點(diǎn)值相對(duì)比較穩(wěn)定，最后一排個(gè)別乘客的膝部處某些測(cè)點(diǎn)值的溫度稍高；從乘客舒適區(qū)的總體來(lái)看，測(cè)點(diǎn)值溫度基本滿足UIC553旅客區(qū)最低實(shí)際溫度和最高實(shí)際溫度之間的差異不得超過(guò)2K的標(biāo)準(zhǔn)。

由表2可知：測(cè)點(diǎn)速度的最小值是0.034m／s，最大值是0.339m／s，測(cè)點(diǎn)速度值大多數(shù)小于0.25m／s，舒適區(qū)的風(fēng)速比較均勻，乘客感覺(jué)到的是微風(fēng)速，因此此區(qū)域空氣比較流暢，乘客感到比較舒適，滿足UIC553標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。

表2 各測(cè)點(diǎn)的氣流速度分布 m／s

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)普通客車的通風(fēng)系統(tǒng)大多在車頂或車底的局部位置進(jìn)行供風(fēng)，使得風(fēng)量集中，送風(fēng)口位置離乘客區(qū)較遠(yuǎn)，從而使風(fēng)量損失也比較多，影響了客室內(nèi)溫度和風(fēng)速的均勻性。本高速動(dòng)車的通風(fēng)系統(tǒng)采用上送下排，進(jìn)風(fēng)口位于行李架下部，設(shè)置多個(gè)進(jìn)風(fēng)口，排風(fēng)口在座椅下部的側(cè)墻端，每個(gè)座椅附近有一個(gè)排風(fēng)口，這種送排風(fēng)方式能夠最大限度地使進(jìn)風(fēng)均勻分布在客室內(nèi)，同時(shí)及時(shí)將污濁空氣排出客室，保證了客室環(huán)境的舒適，這種方式值得在其他高速動(dòng)車上推廣應(yīng)用。

［1］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.第2版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

［2］張曙光.CRH5型動(dòng)車組［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

［3］頓小紅.動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)檢修與維護(hù)［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

［4］兆文忠.高速動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)仿真及引入U(xiǎn)IC標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（1）：7－10.