孟玉海 孫亮

中鐵軌道交通裝備有限公司研究院，中國·江蘇 南京 210000

跨座式單軌；空調(diào)風(fēng)道；數(shù)值分析；出風(fēng)均勻性

1 引言

跨座式單軌交通系統(tǒng)技術(shù)成熟，車輛技術(shù)性能優(yōu)越，在運(yùn)行噪聲、爬坡能力、轉(zhuǎn)彎半徑、線路造型及工程投資等方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)，不僅適應(yīng)重慶山水城市的地形特點(diǎn)，在其他城市也具有十分廣闊的推廣和應(yīng)用前景[1-2]。重慶在中國最早運(yùn)行跨座式單軌，隨后，其它很多城市計(jì)劃或已經(jīng)開通運(yùn)行，如正在建設(shè)的蕪湖龐巴迪單軌，已經(jīng)開通的銀川花博園單軌，擬規(guī)劃的安徽蚌埠、四川廣安、廣州汕頭和安徽淮南等城市。

空調(diào)系統(tǒng)是軌道交通車輛重要的系統(tǒng)之一，其作用是將空調(diào)機(jī)組處理過的空氣經(jīng)風(fēng)道送入車內(nèi)。風(fēng)道的功能將直接影響送風(fēng)的均勻性，從而影響乘客的舒適性，因此，有必要對(duì)風(fēng)道送風(fēng)均勻性進(jìn)行數(shù)值研究。

中國各主機(jī)廠和相關(guān)學(xué)者對(duì)風(fēng)道送風(fēng)均勻性進(jìn)行了研究，形成了一定的方法和結(jié)論。龍靜等[3]對(duì)地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)道進(jìn)行了分析，并總結(jié)了不同類型的風(fēng)道使用是具有一定條件，如準(zhǔn)靜壓送風(fēng)風(fēng)道比較適合車頂較大的車輛，要盡可能增大主風(fēng)道截面積，同時(shí)要盡可能減小支風(fēng)道送風(fēng)風(fēng)速；圓管組合式軟風(fēng)道安裝比較靈活，適應(yīng)較多車輛，但送風(fēng)阻力需要詳細(xì)計(jì)算和試驗(yàn)；條縫式靜壓風(fēng)道尺寸小，結(jié)構(gòu)比較簡單，比較容易達(dá)到送風(fēng)均勻。戚新秋[4]等選取了3 種不同角度送風(fēng)風(fēng)道進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，并得出以綜合指標(biāo)（送風(fēng)壓降和均勻性指標(biāo)）評(píng)價(jià)送風(fēng)風(fēng)道熱力性能，結(jié)果是60°的變截面風(fēng)道綜合指標(biāo)最佳。肖婷[5]等進(jìn)行了變截面風(fēng)管進(jìn)行了研究，認(rèn)為變截面風(fēng)管在一定程度上保證管內(nèi)氣流分布均勻并保持條形風(fēng)口的靜壓相等，但受管內(nèi)流速限制。

以上研究包含了各種截面均勻送風(fēng)風(fēng)道，基本可應(yīng)用于軌道各車型的車輛，但對(duì)跨座式單軌風(fēng)道的運(yùn)用還沒有經(jīng)驗(yàn)。由于跨座式單軌運(yùn)行在山區(qū)，隧道，樓房間的環(huán)境下，受限界要求以及軌道梁截面尺寸，進(jìn)一步限制了車體外輪廓，限制了空調(diào)機(jī)組、風(fēng)道的尺寸和布置。論文將變截面風(fēng)道靜壓送風(fēng)方案用于新設(shè)計(jì)的跨座式單軌中，合理布置空調(diào)機(jī)組和風(fēng)道。

2 計(jì)算模型

2.1 簡化物理模型

空調(diào)機(jī)組將處理過的空氣分別送入車體對(duì)稱布置的4 個(gè)支風(fēng)道，再經(jīng)由風(fēng)道底部若干個(gè)孔口將空氣均勻輸送到客室內(nèi)，通過CFD 計(jì)算得出1/4 風(fēng)道出風(fēng)口質(zhì)量流量，出風(fēng)風(fēng)速，評(píng)價(jià)出風(fēng)均勻性。

根據(jù)車體結(jié)構(gòu)，建立1/4 風(fēng)道模型。由于風(fēng)道形狀較為簡單，按照實(shí)際建立模型，去除風(fēng)道工藝鉚釘和支架，忽略工藝影響，減少計(jì)算時(shí)間。風(fēng)道模型出口標(biāo)識(shí)為out1-out16，如圖1所示。截面取風(fēng)道出風(fēng)口幾何中心位置，如圖2所示。

圖1 1/4 風(fēng)道模型

圖2 截面

2.2 邊界條件和數(shù)學(xué)模型

由于風(fēng)道內(nèi)空氣流動(dòng)屬于紊流運(yùn)動(dòng)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 雙方程模型和SIMPLE 算法進(jìn)行模擬。

采用速度入口邊界條件，方向垂直于入口邊界面（送風(fēng)風(fēng)量為5000m3/h）和壓力出口邊界條件（大氣壓力），壁面處為無滑移邊界條件，風(fēng)道壁面粗糙度0.15mm。

計(jì)算中對(duì)風(fēng)道內(nèi)的空氣進(jìn)行如下假設(shè)：

（1）流動(dòng)為低速、常溫下的不可壓縮流體流動(dòng)。

（2）密度符合Boussinesq 假設(shè)。

（3）流體流動(dòng)為充分發(fā)展的的三維穩(wěn)態(tài)紊流流動(dòng)。

北京市委農(nóng)工委書記、市農(nóng)委主任孫文鍇也表示，通過舉辦此次活動(dòng)，增強(qiáng)了首都人民對(duì)吉林的了解，豐富了北京的“米袋子 ”“ 菜 籃 子 ”“ 肉 鋪 子 ”“ 果 盤子”，促進(jìn)了北京與吉林的貿(mào)易流通合作，實(shí)現(xiàn)供需互惠雙贏。兩地政府部門、農(nóng)業(yè)企業(yè)、民間組織的全面交流也將推動(dòng)兩地農(nóng)業(yè)發(fā)展再上新臺(tái)階。

（4）風(fēng)道采用隔熱材料，忽略外部熱源的影響。

在此基礎(chǔ)上建立其滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量方程等在內(nèi)的一套封閉方程組，其通用形式為：

式中：φ 為通用變量；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)；ρ 為空氣密度；ν 為速度矢量；t 為時(shí)間[6-10]。

風(fēng)道離散后模型如圖3所示，網(wǎng)格質(zhì)量Orthogonal Quality=0.363。

圖3 數(shù)學(xué)模型

3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)云圖可以看出，入口段風(fēng)速較高，最高風(fēng)速12m/s，動(dòng)壓較高。出口4 向后風(fēng)道內(nèi)靜壓較均勻，風(fēng)速逐漸降低，出風(fēng)量逐漸均勻。送風(fēng)過程中，風(fēng)道內(nèi)部兩個(gè)截面都產(chǎn)生回流現(xiàn)象，而且產(chǎn)生回流的位置也不相同，但都靠近送風(fēng)前端區(qū)域，這是由風(fēng)道結(jié)構(gòu)所決定的。風(fēng)道布置在機(jī)組兩側(cè)，送風(fēng)沿縱向往車體兩端送風(fēng)，必然需要風(fēng)向“轉(zhuǎn)彎”，此過程增加內(nèi)部導(dǎo)流板，在風(fēng)速突變時(shí)減少局部阻力系數(shù)，減少回流。

回流會(huì)阻礙送風(fēng)，也會(huì)損失一部風(fēng)能量，進(jìn)而不同位置出風(fēng)口的風(fēng)量和風(fēng)速也不相同，但送風(fēng)是連續(xù)的，在滿足長度方向上靜壓相等時(shí)盡可能改善風(fēng)道內(nèi)部回流現(xiàn)象。

圖4 速度云圖140

圖5 靜壓云圖140

圖6 速度云圖320

圖7 靜壓云圖320

由于風(fēng)道內(nèi)部不同截面靜壓是不相同的，為了減少不同出風(fēng)口風(fēng)量的差值，在采用主送風(fēng)道變截面時(shí)，改變不同出風(fēng)口的面積。經(jīng)過計(jì)算比較，得出比較優(yōu)的出風(fēng)量和速度，各出風(fēng)口平均風(fēng)速為3.5m/s，基本符合舒適度要求。風(fēng)道出口風(fēng)速如表1所示。

表1 出口風(fēng)速

4 出風(fēng)均勻性評(píng)價(jià)

根據(jù)有限元計(jì)算得出各出口質(zhì)量流量，入口質(zhì)量流量為0.421kg/s，出口質(zhì)量流量如表2所示。通過生成的質(zhì)量流量坐標(biāo)圖，可以看出出口3 質(zhì)量流量較低，這是由于出口3 和出口1 分別位于出口2 左、右兩側(cè)，而出口1 近似于一個(gè)靜壓腔，出風(fēng)較理想，而出口3 的風(fēng)道截面平均風(fēng)速較高，出口靜壓很低，出風(fēng)量就很少，出風(fēng)口2 在送風(fēng)口斜下方，且位于導(dǎo)流板處，正壓出風(fēng)，出風(fēng)量取決于開孔面積。

其余出口出風(fēng)質(zhì)量流量偏差在0.001kg/s，是比較理想的狀態(tài)。

出口16 為風(fēng)道端部進(jìn)入司控臺(tái)區(qū)域，而且占比為1.6%，忽略不計(jì)。

表2 出口質(zhì)量流量

圖8 出口質(zhì)量流量坐標(biāo)圖

5 結(jié)論

通過以上數(shù)值計(jì)算和分析，可以總結(jié)如下結(jié)論：

（1）風(fēng)道出風(fēng)口不均勻系數(shù)為9.5%，小于10%，趨于均勻.

（2）風(fēng)道出口平均風(fēng)速為3.5m/s，處于比較低的水平。

（3）在出風(fēng)“轉(zhuǎn)彎”處增加多塊導(dǎo)流板可以降低局部阻力系數(shù)，噪音也會(huì)降低；“轉(zhuǎn)彎”大小取決于車體內(nèi)部空間，盡可能利用。