浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 邢鵬 陳其功 王文坤 張克鵬

【關(guān)鍵字】：軌道車輛空調(diào)；送風(fēng)風(fēng)道；數(shù)值模擬；流量分配

0 引言

軌道車輛空調(diào)送風(fēng)風(fēng)道出風(fēng)口的風(fēng)量決定了車廂內(nèi)部的氣流組織，直接影響車廂內(nèi)的溫度、速度分布和車廂的熱舒適性[1-3]。因此，風(fēng)道出風(fēng)口的風(fēng)量與理論風(fēng)量的偏差是評價風(fēng)道性能的重要指標(biāo)，在實(shí)際的設(shè)計生產(chǎn)中要將偏差限制在一定范圍內(nèi)，本文以某軌道車輛空調(diào)送風(fēng)風(fēng)道為研究對象，采用CFD方法計算風(fēng)道的流量分配，并提出了優(yōu)化方案使其滿足設(shè)計要求。

1 研究對象

空調(diào)送風(fēng)風(fēng)道安裝在車廂的頂部，風(fēng)道上部的進(jìn)風(fēng)口與雙蝸殼離心風(fēng)機(jī)相連，底部的出風(fēng)口短管與乘客室相連。本次計算選用的風(fēng)道模型如圖1所示，風(fēng)道為靜壓風(fēng)道，總長16.84m，總寬1.39m，高0.165m。單側(cè)風(fēng)道有兩個進(jìn)口，進(jìn)口處設(shè)置有導(dǎo)流板，導(dǎo)流板將進(jìn)口的氣流分為三路，第一路流向風(fēng)道的兩端，從風(fēng)道兩端底部的出風(fēng)口流出，此流路上設(shè)置有兩塊網(wǎng)孔板，尺寸分別為284×80mm、320×80mm，厚度1.2mm，圓孔直徑9mm；第二路從正對著進(jìn)口的出風(fēng)口流出；第三路流向風(fēng)道中間區(qū)域，并從風(fēng)道底部的出風(fēng)口流出。風(fēng)道內(nèi)部出風(fēng)口正上方設(shè)置有梯形的隔板，厚度約1.2mm，在出風(fēng)口正上方的隔板處開相應(yīng)數(shù)量的方形孔，方形孔尺寸為43.2×80mm，氣流穿過方形孔從相應(yīng)的出風(fēng)口流出。

圖1 風(fēng)道的幾何模型

風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需簡化一些對流動影響微小的幾何特征，減少網(wǎng)格數(shù)量，提高網(wǎng)格質(zhì)量，提高計算的收斂性和計算效率。風(fēng)道內(nèi)部的擋板和梯形隔板厚度1.2mm，相對于整個流道的尺寸而言非常小，厚度方向?qū)α鲃拥挠绊懣梢院雎?，所以將其簡化為零厚度的面。流道中的網(wǎng)孔板厚度為1.2mm，網(wǎng)孔直徑9mm，如果要保留網(wǎng)孔板的全部幾何特征，則在劃分網(wǎng)格時需要將板厚方向的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為小于1.2mm的值，此時網(wǎng)格總數(shù)驟增，耗費(fèi)巨大的計算資源，卻對計算精度提高很小。由于網(wǎng)孔板很薄，可以忽略厚度方向?qū)α鲃拥挠绊?，只需要考慮網(wǎng)孔板的孔徑和網(wǎng)孔板的尺寸對流動的影響，所以將網(wǎng)孔板簡化為零厚度的網(wǎng)孔面。

風(fēng)道的三維結(jié)構(gòu)中進(jìn)口的尺寸為750×215mm，如果直接將此區(qū)域作為風(fēng)道的進(jìn)口，在邊界條件的設(shè)置中會引入誤差。因?yàn)樵趯?shí)際的裝配關(guān)系中，風(fēng)道的進(jìn)口與一臺雙蝸殼離心風(fēng)機(jī)的出口直接連接，而蝸殼出口的尺寸僅為220×165mm，以蝸殼的出口尺寸作為風(fēng)道進(jìn)口的進(jìn)口尺寸更符合實(shí)際情況。風(fēng)機(jī)蝸殼出口與風(fēng)道進(jìn)口的示意圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)出口與風(fēng)道進(jìn)口示意圖

經(jīng)過對原始風(fēng)道幾何模型的合理簡化，最終的風(fēng)道計算模型如圖3所示。

圖3 風(fēng)道的簡化模型

2 模型建立與計算設(shè)置

2.1 控制方程

風(fēng)道進(jìn)口馬赫數(shù)約為0.024，遠(yuǎn)小于0.3，可以認(rèn)為風(fēng)道內(nèi)部的流動是不可壓縮流動；由于風(fēng)道的壁面貼有保溫棉，因此忽略風(fēng)道與外界的換熱，此時風(fēng)道內(nèi)部的空氣溫度為恒定，且靜壓變化較小，所以計算中空氣的物性設(shè)為定值。風(fēng)道進(jìn)口雷諾數(shù)約為99000，因此認(rèn)為風(fēng)道內(nèi)部為充分發(fā)展的湍流流動，也不考慮流動的瞬態(tài)效應(yīng)，此時風(fēng)道內(nèi)部的定常不可壓縮雷諾時均N-S方程[4-5]如下：

本文計算采用Fluent軟件進(jìn)行，F(xiàn)luent軟件是基于有限體積法的CFD軟件，提供了靈活的網(wǎng)格特性，可以使用非結(jié)構(gòu)化，包括三角形、四邊形、四面體、六面體、金字塔形網(wǎng)格來解決具有復(fù)雜外形的流動，也可以使用混合型非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對于流動具有較大梯度的流動區(qū)域Fluent提供的網(wǎng)格自適應(yīng)功能可以在很高的精度下獲得流場的解。

Fluent可用于二維平面、二維軸對稱和三維流動分析，可以完成多種類型的流動分析，定常與非定常流動分析、不可壓縮與可壓縮流計算、層流與湍流模擬、傳熱和熱混合分析、化學(xué)組分混合和反應(yīng)分析、多相流分析、流固熱耦合分析、多孔介質(zhì)計算等。同時提供了豐富的湍流模型及壁面處理方法，包括S-A模型、k-epsilon模型、k-omega模型、Reynolds應(yīng)力模型、LES模型、標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)、可縮放壁面函數(shù)、增強(qiáng)型壁面函數(shù)等。

Fluent軟件豐富的物理模型和穩(wěn)健的求解器可以快速的解決工程中遇到的難題，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 計算網(wǎng)格

計算域的網(wǎng)格質(zhì)量是數(shù)值計算精度和計算速度的關(guān)鍵，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用四面體網(wǎng)格能夠準(zhǔn)確的捕捉幾何特征，防止幾何失真。本文選用四面體網(wǎng)格對計算域進(jìn)行劃分，在擋板、梯形板和網(wǎng)孔板等速度梯度較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，準(zhǔn)確的捕捉幾何形狀，提高計算的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格總數(shù)為858萬，風(fēng)道進(jìn)口處計算網(wǎng)格模型如圖4。

圖4 風(fēng)道進(jìn)口處計算網(wǎng)格模型

2.3 計算邊界

風(fēng)道計算的邊界條件設(shè)置如下：

（1）流動工質(zhì)定義為19℃的空氣，常物性，定常湍流流動.

（2）進(jìn)口給定速度邊界條件，方向垂直于入口邊界，指定湍流強(qiáng)度和水力直徑.

（3）出口給定壓力邊界，指定表壓，環(huán)境壓力設(shè)置為101325Pa.

（4）壁面指定為光滑絕熱壁面。

對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，湍流模型選擇Realizablek-epsilon模型，壁面函數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，選擇基于壓力的求解器。圖5是風(fēng)道的出風(fēng)口示意圖及出風(fēng)口的編號，表1是具體的幾何尺寸及邊界參數(shù)。

圖5 風(fēng)道出風(fēng)口的編號

表1 幾何尺寸及邊界參數(shù)

3 計算結(jié)果對比及分析

3.1 原始結(jié)構(gòu)與優(yōu)化方案計算結(jié)果對比

表2是原始結(jié)構(gòu)的各個出風(fēng)口的流量，從表中可以看出風(fēng)道出風(fēng)口1、3、5、13、15、16、18的流量與理論流量偏差較大，超出了±15%的范圍，風(fēng)道最大阻力112.7Pa。

原始風(fēng)道的結(jié)構(gòu)不能滿足理論出風(fēng)量的要求，因此需要調(diào)整風(fēng)道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來調(diào)整各出風(fēng)口的風(fēng)量，本文主要通過封堵梯形隔板的開孔來調(diào)整流量。

首先，將整個風(fēng)道分為5段，對各段的流量分配進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)每一段的流量分配滿足設(shè)計要求時，整個風(fēng)道的出風(fēng)量必然滿足設(shè)計要求。出風(fēng)口1～3為第一段，出風(fēng)口4為第二段，出風(fēng)口5～13為第三段，出風(fēng)口14為第四段，出風(fēng)口15～18為第五段，對各段的隔板開孔進(jìn)行封堵只會影響風(fēng)量在各段內(nèi)出風(fēng)口的風(fēng)量分配，并不會影響其他段出風(fēng)口的風(fēng)量。風(fēng)量調(diào)整的基本原則為：需要增大某一出風(fēng)口的風(fēng)量，就要對組內(nèi)其他出風(fēng)口上方的隔板開孔進(jìn)行封堵；需減小某一出風(fēng)口的風(fēng)量，就要對此出風(fēng)口上方的開孔進(jìn)行封堵。

表2 原始結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果及偏差

經(jīng)過一系列的優(yōu)化方案計算，最終確定的優(yōu)化方案如下：

（1）在OUT2處，堵住靜壓腔第1、3、6個開孔；在OUT3處，堵住第1、5、6個開孔。

（2）在OUT5處，堵住第4、6個開孔；在OUT6處，堵住靜壓腔第8個開孔；在OUT12處，堵住第1個開孔；OUT13處，堵住第1、3個開孔。

（3）OUT15處，堵住第2、5、6個孔；在OUT16處，堵住靜壓腔第1、5、7個開孔；在OUT17處，堵住第3、5、9、10個開孔。

孔的編號順序與出風(fēng)口編號增大的方向一致，最終優(yōu)化方案計算得到的出風(fēng)口的風(fēng)量如表3所示，各出風(fēng)口的風(fēng)量偏差已滿足設(shè)計要求。

表3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果及偏差

outlet7 0 248.31 230 7.96 outlet8 0 133.31 130 2.55 outlet9 0 481.58 435 10.71 outlet10 0 137.77 130 5.98 outlet11 0 249.55 230 8.50 outlet12 0 256.27 230 11.42 outlet13 0 138.13 130 6.25 outlet14 0 403.48 435 -7.25 outlet15 0 136.18 130 4.75 outlet16 0 206.29 230 -10.31 outlet17 0 197.51 230 -14.12 outlet18 0 119.16 140 -14.89

3.2 計算結(jié)果分析

原始結(jié)構(gòu)中出風(fēng)口1的風(fēng)量太小，通過對出風(fēng)口2、3處隔板開孔的封堵，增大了出風(fēng)口1的風(fēng)量，圖6是出風(fēng)口1上方Z=3.305m截面的Z向速度分量云圖，通過對比可以看出經(jīng)過優(yōu)化后出風(fēng)口1處右側(cè)三個孔的Z向速度明顯增大。

原始結(jié)構(gòu)中，出風(fēng)口18的風(fēng)量嚴(yán)重不足，通過對出風(fēng)口15、16、17處隔板開孔的調(diào)整，風(fēng)量大幅增加，已滿足設(shè)計要求，Z向的速度分量分布如圖7所示。

圖8～圖11是優(yōu)化后的風(fēng)道的X=-5.25m、-6.06m、-7.78m和Y=-0.51m截面的速度云圖和矢量圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)口導(dǎo)流板、網(wǎng)孔板附近流速較大，其余區(qū)域的風(fēng)速基本在8m/s以下，較小的風(fēng)速可以降低送風(fēng)的噪音。

圖6 出風(fēng)口1上方Z = 3.3m截面速度分布

圖7 出風(fēng)口18上方Z = 3.3m截面速度分布

圖 8 X = -5.25 m 截面速度云圖和矢量圖

圖 9 X = -6.06 m 截面速度云圖和矢量圖

圖 10 X = -7.78 m 截面速度云圖和矢量圖

圖 11 Y = -0.51 m 截面速度云圖和矢量圖

4 結(jié)論

本文采用CFD方法對風(fēng)道的流量分配進(jìn)行了計算，并對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減小了實(shí)際風(fēng)量與理論出風(fēng)量的偏差，同時得到以下結(jié)論：

（1）通過調(diào)整風(fēng)道內(nèi)部隔板的開孔面積可以實(shí)現(xiàn)對出風(fēng)口風(fēng)量的調(diào)節(jié)。

（2）經(jīng)過優(yōu)化后的風(fēng)道，仿真計算的出風(fēng)量與理論出風(fēng)量的偏差在±15%以內(nèi)。