王維斌，姚拴寶，陳大偉，宋軍浩

(中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司 國(guó)家工程技術(shù)研究中心，山東青島 266111)

軌道列車(chē)客室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)列車(chē)客室空間溫濕度及熱舒適度等起到重要作用，同時(shí)也是客室內(nèi)的主要噪聲源之一，而客室空調(diào)機(jī)組是整車(chē)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的重要設(shè)備。隨著對(duì)列車(chē)客室舒適度要求的不斷提高，對(duì)空調(diào)機(jī)組內(nèi)部流場(chǎng)分布的合理性及氣動(dòng)噪聲控制的研究不斷深入。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及計(jì)算聲學(xué)仿真技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間能夠滿(mǎn)足工程應(yīng)用的要求，逐漸成為軌道列車(chē)空調(diào)機(jī)組內(nèi)流場(chǎng)研究的重要手段，F(xiàn)ukano[1]、胡俊偉[2]等通過(guò)數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)不同型式風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)及氣動(dòng)聲學(xué)進(jìn)行研究。

相比于家用空調(diào)、商用空調(diào)或其他使用風(fēng)機(jī)通風(fēng)的設(shè)備，軌道交通車(chē)輛空調(diào)機(jī)組的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。對(duì)于組合式列車(chē)空調(diào)機(jī)組，蒸發(fā)部分和冷凝部分集成在一起，蒸發(fā)腔包括2臺(tái)或者4臺(tái)離心風(fēng)機(jī)，冷凝腔包括2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，空調(diào)機(jī)組內(nèi)部的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)更加突出，軸流風(fēng)機(jī)之間、離心風(fēng)機(jī)之間的相互影響引發(fā)的流動(dòng)及噪聲問(wèn)題更加復(fù)雜。

1 幾何模型

圖1所示為軌道列車(chē)客室空調(diào)機(jī)組三維幾何模型，空調(diào)機(jī)組由蒸發(fā)腔、壓縮機(jī)腔、冷凝腔3大部分組成，集成為1臺(tái)空調(diào)機(jī)組，蒸發(fā)腔包含2臺(tái)離心送風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)直徑239 mm，轉(zhuǎn)速1 600 r/min，冷凝腔包含2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)直徑600 mm，轉(zhuǎn)速1 450 r/min。軌道列車(chē)空調(diào)機(jī)組的集成結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，蒸發(fā)腔及冷凝腔距離較近，但各自氣流流動(dòng)是相互獨(dú)立的，由中間的壓縮機(jī)腔分割開(kāi)來(lái)。

圖1 軌道列車(chē)客室空調(diào)機(jī)組幾何模型

圖2所示為軌道列車(chē)客室空調(diào)機(jī)組仿真的三維簡(jiǎn)化幾何模型，建立包括殼體、離心送風(fēng)機(jī)、冷凝軸流風(fēng)機(jī)、換熱器、濾網(wǎng)、壓縮機(jī)、支架、接水盤(pán)、風(fēng)門(mén)、導(dǎo)流板等在內(nèi)的對(duì)流場(chǎng)影響較大的部件?？紤]到細(xì)小部件對(duì)仿真網(wǎng)格及計(jì)算量的影響，對(duì)于格柵、彎管、固定件等對(duì)流場(chǎng)影響較小的結(jié)構(gòu)做了適當(dāng)簡(jiǎn)化，或不予考慮。空調(diào)機(jī)組進(jìn)出風(fēng)口區(qū)域做適當(dāng)延伸。

圖2 軌道列車(chē)客室空調(diào)仿真幾何模型

2 網(wǎng)格模型及數(shù)值算法

圖3所示為軌道列車(chē)客室空調(diào)機(jī)組仿真的完整全流場(chǎng)計(jì)算域及離心風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)區(qū)域的網(wǎng)格劃分結(jié)果。網(wǎng)格處理過(guò)程中，導(dǎo)入空調(diào)機(jī)組內(nèi)流場(chǎng)幾何模型，處理面網(wǎng)格后采用多面體網(wǎng)格進(jìn)行空調(diào)機(jī)組全流場(chǎng)仿真域的空間離散，對(duì)離心送風(fēng)機(jī)、冷凝軸流風(fēng)機(jī)、換熱器等幾何尺寸相對(duì)較小，而對(duì)空調(diào)機(jī)組內(nèi)部氣流分布產(chǎn)生重要影響的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加密處理[3]，對(duì)于空調(diào)機(jī)組殼體、壓縮機(jī)殼體等幾何尺寸較大的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸相應(yīng)增大，使得網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量得到合理兼顧，空調(diào)機(jī)組整機(jī)內(nèi)流場(chǎng)多面體網(wǎng)格數(shù)量約950萬(wàn)。

圖3 軌道列車(chē)客室空調(diào)仿真網(wǎng)格模型

仿真計(jì)算采用RNGk-ε湍流模型，分離式隱式方案[4]，SIMPLE算法，大氣壓力進(jìn)出口邊界條件。對(duì)于風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，建立離心風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)域，通過(guò)Interface邊界與靜止域連接，采用運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系模型進(jìn)行仿真計(jì)算，蒸發(fā)器、冷凝器、濾網(wǎng)采用多孔介質(zhì)模型處理。通過(guò)寬頻噪聲源模型預(yù)測(cè)氣動(dòng)噪聲聲功率的分布[5]。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 速度場(chǎng)分布

圖4所示為軌道列車(chē)客室空調(diào)整機(jī)三維流線(xiàn)分布，可以定性看出氣流整體流動(dòng)軌跡。在蒸發(fā)腔，外界空氣從兩側(cè)新風(fēng)口進(jìn)入壓縮機(jī)艙擾流壓縮機(jī)后，與回風(fēng)口氣流混合，均勻擾流蒸發(fā)器后經(jīng)離心風(fēng)機(jī)將氣流向下送入客室。在冷凝腔，外界空氣從兩側(cè)進(jìn)風(fēng)格柵流入，均勻擾流冷凝器后經(jīng)軸流風(fēng)機(jī)將氣流向上從中間兩個(gè)圓形出風(fēng)口流出。從整機(jī)流線(xiàn)分布來(lái)看，整個(gè)空調(diào)蒸發(fā)腔和冷凝腔內(nèi)氣流分布比較均勻，很少出現(xiàn)氣流死區(qū)，可以保證氣流與蒸發(fā)器和冷凝器的充分熱交換，滿(mǎn)足空調(diào)機(jī)組的熱量交換要求。

圖4 客室空調(diào)整機(jī)流線(xiàn)分布

從圖5軌道列車(chē)客室空調(diào)典型截面速度場(chǎng)分布可以看出：在蒸發(fā)腔，氣流沿蝸殼軸向進(jìn)入離心風(fēng)機(jī)后經(jīng)過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)加速，高速流出風(fēng)機(jī)，在蝸殼出口和葉輪與蝸殼間隙區(qū)域形成明顯的高速區(qū)，在離心風(fēng)機(jī)出口及蝸舌區(qū)域沒(méi)有氣流回流，合理的葉輪與蝸舌間隙對(duì)提高離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量及降低氣動(dòng)噪聲具有重要影響。在冷凝腔，兩個(gè)軸流風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)相互影響，氣流沿軸流葉片作用面高速流出，向四周擴(kuò)散，并在葉輪中間區(qū)域形成低速區(qū)，合理的風(fēng)機(jī)葉片與四周導(dǎo)流圈之間的葉頂間隙對(duì)提高軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量及降低氣動(dòng)噪聲具有重要影響。

圖5 客室空調(diào)典型截面速度場(chǎng)分布

3.2 壓力場(chǎng)分布

圖6所示為軌道列車(chē)客室空調(diào)整機(jī)截面的壓力場(chǎng)分布，可以看出，空調(diào)機(jī)組內(nèi)部區(qū)域除了離心風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)周?chē)鷧^(qū)域存在明顯的壓力梯度之外，蒸發(fā)腔及冷凝腔內(nèi)的壓力梯度較小。離心風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)區(qū)域由于風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)形成明顯的負(fù)壓區(qū)，冷凝腔出口壓力由于兩個(gè)軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)氣流相關(guān)干擾，壓力脈動(dòng)劇烈，壓力梯度明顯。在軸流風(fēng)機(jī)兩個(gè)葉片之間的區(qū)域，存在明顯的壓力從正壓到負(fù)壓的過(guò)渡。

圖6 客室空調(diào)整機(jī)截面壓力場(chǎng)分布

圖7所示為軌道列車(chē)客室空調(diào)離心風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)截面及風(fēng)機(jī)葉片表面的壓力場(chǎng)分布，可以看出，由于離心風(fēng)機(jī)蝸殼起到集流增壓作用，氣流沿蝸殼流動(dòng)過(guò)程中壓力得到提升，在臨近蝸殼出口區(qū)域的風(fēng)機(jī)葉片周?chē)鷼饬鞅患铀?，形成明顯低壓區(qū)；軸流風(fēng)機(jī)葉片前后存在明顯的正負(fù)壓區(qū)別，葉片壓力面隨著風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)而推動(dòng)氣流運(yùn)動(dòng)，葉片正壓區(qū)域較大。葉片吸力面隨著氣流運(yùn)動(dòng)而形成負(fù)壓，葉片負(fù)壓區(qū)域較大。

圖7 離心風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)截面壓力場(chǎng)分布

3.3 氣動(dòng)聲功率場(chǎng)分布

氣動(dòng)聲功率模型假定湍流流場(chǎng)是各向同性，并計(jì)算偶極子聲源產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，因此該模型主要考慮固體表面作用于流體產(chǎn)生的表面壓力波動(dòng)。圖8所示為客室空調(diào)典型截面的氣動(dòng)聲功率分布，可以看出，最主要?dú)鈩?dòng)噪聲源位于風(fēng)機(jī)區(qū)域，其中冷凝腔軸流風(fēng)機(jī)對(duì)氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)高于蒸發(fā)腔離心風(fēng)機(jī)。冷凝風(fēng)機(jī)區(qū)域，葉輪與導(dǎo)流圈之間的葉頂間隙區(qū)域以及冷凝出風(fēng)區(qū)域的聲功率分布相對(duì)較高。另外，空調(diào)格柵進(jìn)風(fēng)區(qū)域?yàn)榇我獨(dú)鈩?dòng)噪聲源。

圖8 客室空調(diào)典型截面氣動(dòng)聲功率場(chǎng)分布

4 總 結(jié)

建立軌道列車(chē)客室空調(diào)機(jī)組離心風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)域，采用運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系模型進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)寬頻噪聲源模型預(yù)測(cè)氣動(dòng)噪聲聲功率的分布?；跈C(jī)組內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值仿真計(jì)算，對(duì)客室空調(diào)典型截面的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、氣動(dòng)聲功率場(chǎng)等進(jìn)行了深入分析。

仿真研究結(jié)果表明：

(1)空調(diào)機(jī)組冷凝腔兩個(gè)軸流風(fēng)機(jī)之間的動(dòng)—?jiǎng)痈蓴_以及蒸發(fā)腔離心風(fēng)機(jī)與蝸殼之間的動(dòng)—靜干擾引發(fā)的氣流周期性非穩(wěn)態(tài)湍流特性是空調(diào)機(jī)組內(nèi)部流場(chǎng)壓力脈動(dòng)和氣動(dòng)噪聲的主要來(lái)源，其中冷凝軸流風(fēng)機(jī)的貢獻(xiàn)大于離心送風(fēng)機(jī)。

(2)空調(diào)機(jī)組冷凝腔和蒸發(fā)腔內(nèi)離心送風(fēng)機(jī)及軸流風(fēng)機(jī)的合理布局，有利于空調(diào)機(jī)組內(nèi)部空間內(nèi)的氣流均勻分布，有利于氣流均勻擾流冷凝器及蒸發(fā)器，可以保證氣流與蒸發(fā)器和冷凝器充分的熱交換，滿(mǎn)足空調(diào)機(jī)組的熱量交換要求。

(3)空調(diào)機(jī)組冷凝腔中冷凝風(fēng)機(jī)葉片與四周導(dǎo)流圈之間的葉頂間隙以及蒸發(fā)腔中離心風(fēng)機(jī)葉輪與蝸殼、蝸舌之間的間隙對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量及氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生重要影響。在空調(diào)外形尺寸有余量的情況下，可適當(dāng)增加兩個(gè)軸流冷凝風(fēng)機(jī)之間的距離，減少相互干擾影響。

(4)空調(diào)機(jī)組冷凝腔出口壓力由于兩個(gè)軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)氣流相關(guān)干擾，壓力脈動(dòng)劇烈，壓力梯度明顯。在軸流風(fēng)機(jī)兩個(gè)葉片之間的區(qū)域，存在明顯的壓力從正壓到負(fù)壓的過(guò)渡。蒸發(fā)腔離心風(fēng)機(jī)由于蝸殼的集流增壓作用，氣流沿蝸殼流動(dòng)過(guò)程中壓力得到提升。

(5)空調(diào)機(jī)組最主要?dú)鈩?dòng)噪聲源位于風(fēng)機(jī)區(qū)域，其中冷凝腔軸流風(fēng)機(jī)對(duì)氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)高于蒸發(fā)腔離心風(fēng)機(jī)。冷凝風(fēng)機(jī)區(qū)域，葉輪與導(dǎo)流圈之間的葉頂間隙區(qū)域以及冷凝出風(fēng)區(qū)域的聲功率分布相對(duì)較高。另外，空調(diào)格柵進(jìn)風(fēng)區(qū)域?yàn)榇我獨(dú)鈩?dòng)噪聲源。