許鈺文 楊天智 易柯 肖峰敏

/ 中車株洲電力機車有限公司

風(fēng)機故障情況下兩種不同的下送下回送風(fēng)模型氣流組織仿真對比

許鈺文 楊天智 易柯 肖峰敏

/ 中車株洲電力機車有限公司

目前城軌車輛B型車客室送風(fēng)多采用下送下回的的方式，即從空調(diào)機組下部送風(fēng)、下部回風(fēng)，但送風(fēng)風(fēng)機的布置方式及風(fēng)道型式多種多樣，本文選取了其中兩種型式，采用數(shù)值模擬對比當(dāng)空調(diào)機組內(nèi)一臺送風(fēng)機故障時，兩種氣流組織型式的差異，以及對客室內(nèi)部溫度場的影響。

城軌車輛；下送下回；風(fēng)道貫通；風(fēng)機故障

1.概述

隨著城軌車輛客室舒適性要求不斷提高，越來越多的項目要求在一臺空調(diào)送風(fēng)機故障的情況下，整個客室仍能保證溫度、風(fēng)速的舒適性。目前城軌車輛B型車客室送風(fēng)多采用下送下回的的方式，即從空調(diào)機組下部送風(fēng)、下部回風(fēng)，但送風(fēng)風(fēng)機的布置存在兩種方式（橫向布置或縱向布置），客室內(nèi)風(fēng)道也分為貫通和不貫通兩種。本文采用數(shù)值模擬的方式對比當(dāng)機組內(nèi)一臺送風(fēng)機故障時，兩種氣流組織型式的差異，以及對客室內(nèi)部溫度場的影響。

2.物理模型

目前下送下回的送風(fēng)方案中，送風(fēng)機布置方案及風(fēng)道方案多種多樣，本文主要選取了其中兩種模型進行分析，下面對這兩種模型進行介紹：

1）兩種不同的送風(fēng)機布置方案：

方案一

方案二

2）兩種不同的風(fēng)道方案：

非貫通式風(fēng)道

貫通式風(fēng)道

正常工況下，兩種模型的客室舒適性效果差別不大。但當(dāng)其中一臺送風(fēng)機故障時，客室氣流組織會發(fā)生相應(yīng)變化，為研究一臺風(fēng)機故障時客室內(nèi)的氣流組織，本文根據(jù)以上布置方式建立計算了兩種模型：

模型一客室采用非貫通式風(fēng)道，風(fēng)機布置采用方案一：

模型一

模型二客室采用貫通式風(fēng)道，風(fēng)機布置采用方案二：

模型二

計算使用UG軟件建模，fluent軟件模擬。由于地鐵車廂內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車內(nèi)障礙物較多，幾何模型需對實際情況進行合理的簡化。

1）忽略了車廂內(nèi)座椅對氣流的影響；

2）忽略了車內(nèi)燈、扶手等尺寸較小障礙物對氣流的影響。

車廂模型及入口定義

故障風(fēng)機示意見下圖：

故障風(fēng)機示意

3.邊界條件的設(shè)置

（1）入口的邊界條件

本文將所有的送風(fēng)口定義為速度入口，送風(fēng)速度按送風(fēng)矢量值計算，矢量值的大小由送風(fēng)量決定，溫度按設(shè)計值計算。

對于模型一，當(dāng)風(fēng)機故障時，inlet1及inlet3是沒有送風(fēng)的，因此在模型一中，inlet1及inlet3入口速度設(shè)為0m/s。

對于模型二，當(dāng)風(fēng)機故障時，inlet1及inlet2沒有送風(fēng)，但由于中間風(fēng)道貫通，會有從無故障空調(diào)機組送來的冷風(fēng)，因此在模型二中，inlet1入口速度設(shè)為0m/s，inlet2有少量送風(fēng)。

（2）出口的邊界條件

車廂計算模型中回風(fēng)口和排風(fēng)口都屬于出口邊界條件，定義為自由出流邊界條件，設(shè)定其流量的分配。

（3）壁面邊界

流場分析時，固體表面邊界一般按無滑移條件處理，車頂及兩側(cè)壁面、客室地板、端墻取無滑移邊界條件，u=v=w=k=ε=0。

車頂及車兩側(cè)壁面、端墻在考慮傳熱問題溫度場分析時，使用第三類邊界條件，列車車頂與車體側(cè)壁、端墻由于受室內(nèi)外溫差作用，對車內(nèi)產(chǎn)生作用，形成熱負荷。由試驗得出車體表面的換熱系數(shù)k為2.4W/（m2.K）.

（4）室內(nèi)人體熱源的確定

模擬計算過程中忽略空氣濕度對人體舒適性的影響，計算人體散熱量時，只考慮其顯熱量。每位乘客的算熱量根據(jù)標(biāo)準取q=64 W/人，每節(jié)車人數(shù)按250人計算。

（5）流體參數(shù)

假設(shè)車內(nèi)空氣流動可認為是不可壓縮的穩(wěn)態(tài)湍流，車內(nèi)空氣密度符合Boussinesq假設(shè)，并考慮重力與浮升力的作用。除了入口和出口外，假設(shè)車內(nèi)空氣不從客室的其他任何縫隙處泄漏出去。

4.計算結(jié)果分析

4.1 溫度場分析

圖1 距地板1.6m面溫度云圖

圖2 距地板1.2m面溫度云圖

4.2 速度場分析

圖3 距地板1.6m面速度矢量圖

圖4 距地板1.2m面速度矢量圖

從上述計算結(jié)果結(jié)果，可以看出：

（1）距地板1.6m處，模型一無故障區(qū)域溫度場分布較均勻，故障風(fēng)機對應(yīng)的1/4車廂區(qū)域溫度較高，尤其靠近車輛端部的位置，幾乎沒有冷風(fēng)。

模型二無故障區(qū)域溫度場分布也較均勻，故障風(fēng)機對應(yīng)的車廂區(qū)域溫度稍高，

由于風(fēng)道貫通，有從無故障空調(diào)送來的冷風(fēng)，對應(yīng)區(qū)域的溫度約比無故障區(qū)域高2℃左右。

（2）距地板1.2m處，溫度場整體分布與1.6m處相似，由于遠離送風(fēng)口，1.2m面平均溫度約比1.6m面高0.7℃

（3）由速度場分布圖可進一步驗證溫度場分布，風(fēng)機故障區(qū)域?qū)?yīng)的氣流速度較低，導(dǎo)致故障區(qū)域溫度較高。

5 結(jié)論

對于兩種不同的送風(fēng)型式：

（1）在正常工況下，客室舒適性效果差別不大。

（2）當(dāng)一臺風(fēng)機故障時，對應(yīng)的無故障區(qū)域差別不大，而故障區(qū)域受到風(fēng)道型式的影響，模型二的風(fēng)道貫通區(qū)域室內(nèi)溫度較模型一的故障區(qū)域低，模型一靠近車輛端部的區(qū)域受影響較大，溫度較高。

總的來說，當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)機故障時，模型二的送風(fēng)型式在舒適性方面占一定優(yōu)勢。

[1]孫一堅.工業(yè)通風(fēng)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[2] 路延魁.空氣調(diào)節(jié)設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995.