盛文剛 張本超 王愛斐

摘 要：隨著我國鐵路交通運(yùn)輸事業(yè)飛速發(fā)展，提高車輛舒適性成為關(guān)注焦點(diǎn)。本文基于膠輪導(dǎo)軌電車，采用CATIA三維繪圖軟件建立其車廂簡化模型，并結(jié)合ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及模擬仿真計(jì)算，對(duì)空調(diào)送風(fēng)口位置進(jìn)行對(duì)比研究，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為今后導(dǎo)軌電車以及其他類車型的空調(diào)氣流組織設(shè)計(jì)工作提供方法和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：膠輪導(dǎo)軌電車;空調(diào)系統(tǒng);數(shù)值模擬

1 引言

目前我國軌道交通運(yùn)輸事業(yè)正處于飛速發(fā)展的時(shí)期，客車的方便快捷性已不能滿足乘客的需要，車廂內(nèi)部的熱舒適性受到了越來越多的關(guān)注[1]。良好的氣流組織對(duì)于客車車廂內(nèi)的舒適性至關(guān)重要，局部氣流速度過大、溫度不均衡，都會(huì)嚴(yán)重影響乘客的舒適性[2]。因此為實(shí)現(xiàn)良好的氣流組織，保證車廂內(nèi)部的熱舒適性，提高乘車舒適度，其研究勢(shì)在必行。

本文通過對(duì)膠輪導(dǎo)軌電車T1車空調(diào)系統(tǒng)的研究學(xué)習(xí)，結(jié)合ANSYS模擬仿真，通過改變空調(diào)送風(fēng)口位置布置，對(duì)比計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)城軌車輛空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作提供了依據(jù)。

2 空調(diào)系統(tǒng)簡介

膠輪導(dǎo)軌電車采用4編組型式Mc1-T1-Tp-Mc2，兩車通過貫通道實(shí)現(xiàn)客室內(nèi)貫通?？照{(diào)采暖系統(tǒng)符合CJ/T417《低地板有軌電車車輛通用技術(shù)條件》和GB/T23431《城市輕軌交通鉸接車輛通用技術(shù)條件》的要求[3]。本文基于T1車空調(diào)系統(tǒng)研究。

2.1 空調(diào)系統(tǒng)組成

T1車空調(diào)系統(tǒng)由空調(diào)機(jī)組、送風(fēng)道、回風(fēng)道、送風(fēng)口、回風(fēng)口等組成，負(fù)責(zé)整車的制冷、通風(fēng)和采暖。

T1車空調(diào)系統(tǒng)采用頂置單元式變頻空調(diào)機(jī)組，機(jī)組采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，控制模塊集成在機(jī)組內(nèi)部，空調(diào)機(jī)組符合TB/T1804《鐵路客車空調(diào)機(jī)組》的規(guī)定;機(jī)組兩側(cè)設(shè)置有新風(fēng)口，新風(fēng)量1000m?/h，送回風(fēng)方式為底送底回，總風(fēng)量3000m?/h。

客室送風(fēng)采用靜壓腔送風(fēng)型式，空調(diào)機(jī)組處理的空氣經(jīng)主風(fēng)道進(jìn)入靜壓腔后分配至客室，每節(jié)車廂設(shè)計(jì)2節(jié)送風(fēng)道。由伯努利原理（當(dāng)流體通過2個(gè)截面時(shí)，若截面2比截面1大，則截面2處的流速小于截面1處的流速，截面2處的靜壓增大）可知，空氣在靜壓腔內(nèi)的速度小于主風(fēng)道空氣速度，因此靜壓腔的主要作用除了均勻分配風(fēng)量外，還能穩(wěn)定氣流和減少氣流振動(dòng)，從而降低噪聲。

回風(fēng)采用集中回風(fēng)型式，回風(fēng)道設(shè)置在空調(diào)機(jī)組底部。如圖2-1為T1車送風(fēng)道總圖，圖2-2為客室風(fēng)道斷面圖。

送風(fēng)格柵一側(cè)與中頂板插接，另一側(cè)與車頂骨架縱向梁通過緊固件連接，格柵長度與客室頂板長度相同。送風(fēng)格柵與風(fēng)道之間通過密封筒相連，保證風(fēng)道出風(fēng)口處風(fēng)全部進(jìn)入客室?？褪一仫L(fēng)口與頂板檢查門為一體結(jié)構(gòu)。如圖2-3為送回風(fēng)格柵示意圖。

2.2 送風(fēng)原理

機(jī)組內(nèi)離心式通風(fēng)機(jī)將列車內(nèi)的空氣和適量新風(fēng)吸入機(jī)組后，經(jīng)過空調(diào)機(jī)組的處理，通過機(jī)組的送風(fēng)口進(jìn)入主風(fēng)道并沿著主風(fēng)道行進(jìn)，之后空氣通過靜壓腔條縫進(jìn)入靜壓腔內(nèi)，由于流體的壓力平衡作用（流體作用在容器內(nèi)表面同一高度處靜壓力相等）[4]，形成一定的壓力值，并由于靜壓腔內(nèi)氣體靜壓的作用，通過送風(fēng)口，出風(fēng)格柵進(jìn)入客室內(nèi)。

3 模型建立及邊界條件設(shè)置

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）是運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)的基本原理和“三傳方程”，通過建立適當(dāng)?shù)奈锢韼缀文Ｐ?，提出合理化假設(shè)，提供合適的邊界條件和參數(shù)，對(duì)車廂內(nèi)空調(diào)區(qū)域空氣流動(dòng)形成的速度場(chǎng)，溫度場(chǎng)等物理量進(jìn)行模擬仿真計(jì)算。通過模擬仿真計(jì)算，可以得到更為直觀的結(jié)果顯示，且能得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果所不能顯示的細(xì)微之處的變化，并通過分析計(jì)算結(jié)果來評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的可行性與合理性。

3.1 模型建立

三維實(shí)體模型的建立，需對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將一些細(xì)小、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化以方便計(jì)算，或者將一些對(duì)計(jì)算過程有較大影響但對(duì)結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行忽略或是簡化修改，特別是尺寸較小的形狀。圖3-1為車廂送風(fēng)出風(fēng)簡化結(jié)構(gòu)。

其對(duì)比模型為，將送風(fēng)格柵調(diào)整至距車頂邊緣兩側(cè)三分之一處，沿中心方向布置燈體位置，其余結(jié)構(gòu)不變。

針對(duì)本文要進(jìn)行計(jì)算的車廂內(nèi)氣體流動(dòng)特性，進(jìn)行必要的合理化假設(shè)：

（1）車廂內(nèi)流體工質(zhì)為空氣，是不可壓縮流體。

（2）忽略車窗與車門帶來的影響。

（3）車廂內(nèi)處于無乘客狀態(tài)。

（4）車廂密封良好。

計(jì)算模型選工程領(lǐng)域應(yīng)用較多的模型，適宜進(jìn)行內(nèi)流分析[5]。

3.2 網(wǎng)格劃分

在CFD的模擬仿真計(jì)算中，網(wǎng)格的劃分具有重要的位置，直接關(guān)系著計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。不合理的網(wǎng)格劃分，或者網(wǎng)格質(zhì)量不好的，進(jìn)行計(jì)算時(shí)不利于結(jié)果的收斂。對(duì)于三維幾何模型，較常用的是四面體網(wǎng)格，在自動(dòng)生成的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分基礎(chǔ)上結(jié)合對(duì)細(xì)微處及特殊面的局部加密，保證一定的網(wǎng)格質(zhì)量，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確有效。

車廂送風(fēng)出風(fēng)簡化結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖3-2所示，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.2以上，總網(wǎng)格數(shù)為1322572，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為232943，其中對(duì)送風(fēng)進(jìn)口、回風(fēng)出口以及座椅的拐角面處進(jìn)行了局部加密。

3.3 邊界條件

完成對(duì)幾何模型的網(wǎng)格劃分后，將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件以及物性參數(shù)，如速度、溫度、壓力等，完成定義并開始迭代計(jì)算。

T1車車輛設(shè)計(jì)總風(fēng)量為3000m?/h，整個(gè)車廂共有30個(gè)送風(fēng)進(jìn)口，分別為兩側(cè)對(duì)稱的15個(gè)，由于結(jié)構(gòu)限制其長度不一，但寬度均為45mm，送風(fēng)進(jìn)口的總面積為：

送風(fēng)進(jìn)口處設(shè)置為速度進(jìn)口，進(jìn)口速度為：

送風(fēng)進(jìn)口處實(shí)際結(jié)構(gòu)為進(jìn)口格柵進(jìn)行兩側(cè)的分流，沿三個(gè)不同角度方向進(jìn)入車廂，如圖3-3所示。可以看出，空氣通過格柵后其送風(fēng)方向總體分為三個(gè)方向，故將其簡化為三個(gè)進(jìn)風(fēng)口方向，角度與格柵實(shí)際結(jié)構(gòu)相同，并將其速度方向分解為直角坐標(biāo)系的三個(gè)方向。

送風(fēng)干球溫度為：19.33+273.15=292.48K。

回風(fēng)出口處選擇壓力出口，壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pa。

車廂壁面以及車廂內(nèi)座椅均視為壁面wall，根據(jù)《導(dǎo)軌電車整車K值分析報(bào)告》，導(dǎo)軌電車靜態(tài)工況下整車等效K值為，室內(nèi)外干球溫差為6K，邊界條件設(shè)置的壁面熱流量為。

4 模擬計(jì)算結(jié)果與討論

根據(jù)BS EN 14750鐵路應(yīng)用—城市和郊區(qū)鐵路車輛用空調(diào)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了郊區(qū)或區(qū)域車輛（膠輪導(dǎo)軌電車所屬范圍）的空調(diào)系統(tǒng)舒適性參數(shù)：

（1）舒適區(qū)域速度參數(shù)。在舒適度試驗(yàn)中規(guī)定了舒適區(qū)空氣速度測(cè)量點(diǎn)，在所有配備座位區(qū)域的地面上方1.1m的高度位置以及在地面上方1.7米處測(cè)量空氣速率。進(jìn)行這些測(cè)量的目的是在舒適區(qū)內(nèi)查找最大空氣速率的區(qū)域。若在供暖、冷卻或通風(fēng)模式中的分配或氣流有所不同，則在每個(gè)模式中都可以找到最大空氣速率的區(qū)域。應(yīng)將這些臨界空氣高速區(qū)域用來進(jìn)行空氣速率和空氣溫度的精密測(cè)量以確保舒適區(qū)內(nèi)空氣速率的要求檢驗(yàn)合格?？褪业娘L(fēng)速要小于等于附圖B.1曲線規(guī)定的值。

（2）舒適區(qū)域溫度參數(shù)。距地板面1.1m處測(cè)得的內(nèi)部氣溫范圍，郊區(qū)或區(qū)域車輛的溫差范圍不能超過4K;對(duì)于內(nèi)部垂直方向的溫度變化范圍，郊區(qū)或區(qū)域車輛不能超過4K。

4.1 截面選取

選擇如圖3-1所示，沿車體方向垂直于端面，分別帶有座椅和出風(fēng)口的、位于車體中間處的以及另一端帶有座椅的三個(gè)位置作為截取對(duì)比結(jié)果的平面，分別記為截面s1，截面s2，截面s3。如圖4-2所示。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的相同位置截面加后綴g以區(qū)分。

4.2 速度云圖對(duì)比

在s1截面處的對(duì)比可以看出，優(yōu)化結(jié)構(gòu)相比原有結(jié)構(gòu)，在整體流場(chǎng)中更加均勻，且在座椅上部區(qū)域風(fēng)速變化更少。

在s2截面處，即車體整體的中間位置處無座椅，乘客為站立狀態(tài)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)雖流場(chǎng)分布較好。

在無出風(fēng)口影響的s3截面處，兩者的流場(chǎng)在縱向上均更加均勻，優(yōu)化結(jié)構(gòu)其對(duì)座椅上的乘客的直吹影響更低。

4.3 溫度云圖對(duì)比

在s1截面處，在座椅上部區(qū)域以及距離地面1.1m高度處，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的溫度在水平方向上的變化更小，且在座椅上的乘客其感受到的溫度變化也更小。

在s2截面處，即車體整體的中間位置處無座椅，乘客為站立狀態(tài)，此處優(yōu)化結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)較原有結(jié)構(gòu)更加均勻。

在無出風(fēng)口影響的s3截面處，兩者的溫度場(chǎng)在縱向上均勻性更好，但是在水平方向上比較，原有結(jié)構(gòu)的溫度變化更小，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的溫度變化較大，但均在3K范圍內(nèi)?？紤]到乘客對(duì)車廂內(nèi)氣流的擾動(dòng)以及人體的散熱量，此處可進(jìn)行進(jìn)一步研究。

5 研究結(jié)論

通過建立車廂送風(fēng)出風(fēng)簡化結(jié)構(gòu)模型，并結(jié)合ANSYS進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，分析得出：

（1）通過速度云圖與溫度云圖得出，在乘客所在區(qū)域內(nèi)，同一鉛垂線的最大溫差均不超過3K，滿足EN標(biāo)準(zhǔn)。

（2）通過兩種結(jié)構(gòu)云圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)在客室整體的熱舒適性上表現(xiàn)更好。

（3）通過模擬仿真的方法，可有效指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少相應(yīng)的試驗(yàn)成本與周期。

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