魏家靜

金肯職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省南京市 211156

1 引言

根據(jù)最近幾年中國(guó)客車行業(yè)的快速發(fā)展，客車的研發(fā)要求已然發(fā)生巨大的改變，消費(fèi)者對(duì)客車整體的舒適性、節(jié)能性等提出更高的要求和期待。作為客車上重要的部件之一，電動(dòng)客車空調(diào)的研究探索與性能開發(fā)也為電動(dòng)客車引出了新的研究方向。

客車空調(diào)制冷性能使用效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)為降溫能力以及車內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性，影響降溫能力的因素有空調(diào)制冷量、風(fēng)道內(nèi)的熱損失和實(shí)際制冷量。影響車內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性的因素有：空調(diào)的位置布置和風(fēng)道出風(fēng)口的布置。因此整車降溫能力和車內(nèi)溫度的均勻性都受到風(fēng)道設(shè)計(jì)的影響。本文就是從風(fēng)道這個(gè)方向入手，通過改變風(fēng)口形狀及風(fēng)道面積來(lái)進(jìn)行空調(diào)性能的一系列優(yōu)化，以提高乘客的乘坐舒適性。

2 空調(diào)的選型與風(fēng)道模型的建立

2.1 客車空調(diào)的選型

根據(jù)以上表1可知，該款空調(diào)的蒸發(fā)風(fēng)量為每小時(shí)3200 立方米。

表1 松芝空調(diào)產(chǎn)品參數(shù)

風(fēng)道設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）風(fēng)道截面面積計(jì)算

風(fēng)道總的送風(fēng)截面面積Fo=Lo/3600Vom；

Lo-蒸發(fā)器的送風(fēng)量3200m/h；

Vo-風(fēng)道內(nèi)冷空氣的流速，取5-8m/s；

經(jīng)計(jì)算得：Fo=0.136m。

鄉(xiāng)村振興，路先行。為徹底改變過去“下雨泥水一路淌，婚嫁車子進(jìn)不了莊，稀泥糊子腿肚子深，十天八天難出村”的境況，該村積極開展“道路革命”，著力抓好道路提升工作，按照“建好、管好、護(hù)好、運(yùn)營(yíng)好”和“不走泥路、不走黑路、不走急路”的“四好三不”道路建設(shè)要求，實(shí)施道路硬化、樹木綠化、路燈亮化、長(zhǎng)效機(jī)制凈化、標(biāo)識(shí)標(biāo)牌標(biāo)線規(guī)范化“五化”建設(shè)，達(dá)到讓群眾方便出行、安全出行、文明出行、美麗出行的“四行”目標(biāo)。目前，該村共修建水泥路4438米，改善了全村交通落后面貌，使廣大群眾走上了“致富路”。

（2）風(fēng)道的截面面積

S=Fo/n m；

本文所用的空調(diào)是雙側(cè)單風(fēng)向送風(fēng)風(fēng)道，所以n 的值為2。

經(jīng)計(jì)算得S=0.068m。

（3）風(fēng)道送風(fēng)口風(fēng)速的計(jì)算

一般取2-5m/s。

2.2 應(yīng)用CATIA 軟件建立空調(diào)風(fēng)道模型

本文中空調(diào)風(fēng)道模型的建立運(yùn)用的是CATIA 軟件，本文之所以選擇CATIA軟件，因?yàn)槠涮厥獾娜S繪圖功能能將風(fēng)道系統(tǒng)幾何模型展現(xiàn)得真實(shí)立體，且結(jié)構(gòu)清晰明了，方便后期的流場(chǎng)模擬。

由于風(fēng)道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以這里把它簡(jiǎn)化成以下結(jié)構(gòu)：主體由兩排通風(fēng)道構(gòu)成，總長(zhǎng)為8000mm。在兩風(fēng)道的水平側(cè)面位置安裝空調(diào)器，這里簡(jiǎn)化成圓柱體，在空調(diào)器與風(fēng)道之間連接的是兩根進(jìn)氣歧管，風(fēng)道的出風(fēng)口安排在風(fēng)道的正下方，規(guī)格是40mm×20mm，間距為343mm。

圖2 CATIA 三維建模圖2

2.3 應(yīng)用ICEMCFD 軟件劃分網(wǎng)格

本文網(wǎng)格的劃分采用的軟件是ANSYS ICEM CFD，生成網(wǎng)格是計(jì)算流體中最重要的環(huán)節(jié)。因ICEM 的功能很廣，結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格都可以生成，只要設(shè)定好我們所需要的模型與精度要求，網(wǎng)格的類型就可以確定下來(lái)。由于本文的流程模擬工作大部分由計(jì)算機(jī)來(lái)做，因此劃分生成網(wǎng)格占據(jù)了這部分工作的主要內(nèi)容，工作效率的提高直接取決于網(wǎng)格質(zhì)量。計(jì)算求解器采用 FLUENT 軟件，其在傳熱、流體的流動(dòng)、多相流、燃燒等CFD 計(jì)算中被廣泛的應(yīng)用。以下就是空調(diào)風(fēng)道模型網(wǎng)格圖。

圖3 網(wǎng)格劃分圖1

圖4 網(wǎng)格劃分圖2

圖5 網(wǎng)格劃分圖3

2.4 應(yīng)用FLUENT 軟件進(jìn)行流場(chǎng)模擬計(jì)算

FLUENT 軟件可以支持包含ICEM 在內(nèi)的多種網(wǎng)格軟件，其功能是可以分析模擬復(fù)雜區(qū)域的傳熱現(xiàn)象和流體的流動(dòng)。它能夠用于多種網(wǎng)格求解，各種需求的三維計(jì)算也能用它進(jìn)行分析。Fluent 軟件能夠?qū)Χ喾N復(fù)雜流動(dòng)問題進(jìn)行模擬仿真。

1.先打開網(wǎng)格文件，選擇File →Read →mesh →Display；2. 指 定 計(jì) 算 區(qū) 域 的實(shí)際尺寸，在Gambit 建立區(qū)域時(shí)沒有尺寸的單位，此時(shí)應(yīng)該進(jìn)行確定，Y →設(shè) 置 成-9.81， 點(diǎn) 擊scale →select →選 擇mm， 并check， 沒 有 出 現(xiàn) 負(fù) 值時(shí)方可進(jìn)行下一步；3. 選模選擇湍流方程；4. 指定邊界條件和求解區(qū)域的材 料，Define →Models →Boundary conditions →inlet（入口）→在velocityinlet 中選擇velocity-inlet →設(shè)置初始流速 為2m/s →Specification Method →K and Epsilon →models →選 中energyoff →設(shè) 置 初 始 溫 度 為295k；5. 在 設(shè)置 出 口 時(shí)， 在Type 中 選 擇outflow，在wall-down 和wall-y 中 都 默 認(rèn) 原來(lái)的初始溫度300k；6. 選擇計(jì)算方式，Solution →SIMPLEC →Solution Initialization → 選 擇 所 有 區(qū) 域all zones 開 始 初 始 化；7. 開 始 運(yùn)算Run Calculation → 選 擇 次 數(shù)100次 → 開 始 計(jì) 算；8. Graphics and Animations →Contours →Temperature →選中區(qū)域查看溫度云圖。

2.5 云圖分析

由云圖顯示，兩側(cè)風(fēng)道的主體顏色為淺藍(lán)，所對(duì)應(yīng)的溫度范圍是296+0.2k，局部區(qū)域?yàn)闇\綠，所對(duì)應(yīng)的顏色范圍是298+0.2k，風(fēng)道兩側(cè)的流場(chǎng)溫度不是特別均勻，與入口設(shè)定的初始溫度295k 相差不大。速度矢量圖顯示的單個(gè)風(fēng)口的速度在1.35m/S 左右，與設(shè)定的初速度2m/s 相差也不大?？傮w而言整個(gè)模擬過程還算順暢，但是未能達(dá)到十分均勻的狀態(tài)。車廂內(nèi)部的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)不僅與客車內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)還與風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)，因此在下一章節(jié)中我將重點(diǎn)從風(fēng)道的方面來(lái)對(duì)客車進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)的優(yōu)化。風(fēng)道的布置走向、占用空間以及風(fēng)道中空氣的流速等均是模擬的影響因素。

3 風(fēng)道優(yōu)化的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)考慮的因素

高質(zhì)量的空調(diào)系統(tǒng)需要滿足以下幾個(gè)條件：1. 安裝簡(jiǎn)單，維修方便2. 運(yùn)行時(shí)噪聲小3. 送風(fēng)均勻且車內(nèi)溫度分布均勻4. 舒適性好。由于客車內(nèi)乘客較多, 車窗多, 接受太陽(yáng)輻射多, 經(jīng)冷熱交換后由風(fēng)道口排入車廂, 必然引起車廂內(nèi)空氣的流動(dòng), 因此送風(fēng)口的結(jié)構(gòu)形式、布置位置及風(fēng)道設(shè)計(jì)都將影響車廂內(nèi)氣流組織的流動(dòng),影響車廂內(nèi)溫度均勻性與降溫速率?？紤]到乘客多以及車窗多這兩個(gè)因素，客車的太陽(yáng)輻射面積變大且發(fā)生冷熱交換的氣流量也會(huì)增大，經(jīng)過大致計(jì)算得該客車車身總熱負(fù)荷為55109kJ/h，若要保證車內(nèi)氣流組織流動(dòng)均勻，送風(fēng)口的結(jié)構(gòu)形式、布置位置以及風(fēng)道設(shè)計(jì)都要做出合理的優(yōu)化改善，這樣才能提高車內(nèi)的溫度均勻性以及降溫速率。

由于風(fēng)道初步設(shè)計(jì)的參數(shù)不夠完美化，因此流場(chǎng)的模擬效果并不是令人十分滿意。從上圖我們可以看到出風(fēng)口的溫度云圖還存在較大的溫度梯度，這意味著電動(dòng)客車內(nèi)部的溫度流場(chǎng)并不均勻，客人會(huì)有忽冷忽熱的體感，本著提高乘客舒適度的原則，因此我們需要做出一些優(yōu)化措施來(lái)改變流場(chǎng)溫度的均勻性。以下將從出風(fēng)口形狀和風(fēng)道的截面積兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行風(fēng)道的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 改變出風(fēng)口的形狀

空調(diào)出風(fēng)口的位置，大小，型式直接影響到車內(nèi)氣流速度，流動(dòng)方向，流場(chǎng)組織，本文從型式也就是形狀著手。市面上的空調(diào)出風(fēng)口的形狀大致有矩型、圓型、條型等幾種。首先，優(yōu)化從改模型開始，用CATIA 軟件將原來(lái)的風(fēng)口尺寸改為半徑為16mm 的圓形風(fēng)口，并將原來(lái)的矩形尺 寸40mm×20mm 改 為10mm×80mm的條型風(fēng)口。然后如上文所提到的步驟一樣，劃分網(wǎng)格，并進(jìn)行模擬，模擬的溫度與速度矢量圖如下。

圖6 矩形風(fēng)口的溫度云圖

圖7 條縫形風(fēng)口的溫度云圖

圖8 圓形風(fēng)口的溫度云圖

由溫度的梯度躍變顯示，圓型風(fēng)口的流場(chǎng)溫度更為均勻，能夠滿足乘客的舒適度要求

圖9 矩形風(fēng)口的速度矢量圖

圖10 條縫形風(fēng)口的速度矢量圖

圖11 圓形風(fēng)口的速度矢量圖

從圖中可以看出圓形出風(fēng)口的效果最好。

3.3 改變風(fēng)道的截面積

云圖中溫度場(chǎng)的分布位置是空調(diào)送風(fēng)效果的直接反映，我們可以通過選擇恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)道截面來(lái)解決車廂后部熱量積聚的問題，以調(diào)整車內(nèi)氣流組織的均勻性，發(fā)揮空調(diào)的最佳性能。

風(fēng)道的截面如圖12 所示。因空調(diào)機(jī)組在車廂尾部安裝, 后頂部空間小, 原車后排沒有空調(diào)出風(fēng)口, 使后排乘客無(wú)法享受到冷氣。由于空調(diào)機(jī)組安裝在車廂的尾部，后頂部空間窄小，所以在后排并沒有設(shè)置空調(diào)的出風(fēng)口，因此坐在后排的乘客并不能感受到冷氣。在本文設(shè)計(jì)中后排增設(shè)4 個(gè)空調(diào)出風(fēng)口, 并在主風(fēng)道中增加小擋板以形成冷風(fēng)分道,后經(jīng)軟管分別送至后排圓形出風(fēng)口。在考慮到擋板的結(jié)構(gòu)形狀角度以及高度等因素后（這些都會(huì)影響到前后風(fēng)量的分配以及出風(fēng)口風(fēng)量），應(yīng)將原來(lái)風(fēng)道的截面優(yōu)化成如圖12b 所示的形狀。這個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有：1. 能夠給后三排提供冷氣，保障整個(gè)車內(nèi)冷氣的流通；2. 對(duì)主風(fēng)道的送風(fēng)效果不會(huì)起到任何影響作用；3. 解決了近風(fēng)道擋板處出風(fēng)口風(fēng)量太小的問題。

圖1 CATIA 三維建模圖

圖12 風(fēng)道截面圖

對(duì)模型圖加以修改后，重新劃分網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算，得到云圖如下所示?？梢院芮宄每闯鰜?lái)有了風(fēng)道截面的改善后，風(fēng)道內(nèi)的流場(chǎng)較前均勻，因此改變風(fēng)道截面可以有效優(yōu)化車內(nèi)流場(chǎng)。

圖13 截面的溫度云圖

圖14 截面的溫度云圖

圖15 截面的速度矢量圖

圖16 截面的速度矢量圖

4 總結(jié)

因?yàn)楸疚闹攸c(diǎn)只研究了客車夏季對(duì)空調(diào)的制冷需求，因此根據(jù)客車設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算了空調(diào)夏季所需的制冷量，并對(duì)應(yīng)地在松芝空調(diào)品牌里找出了適合功率的空調(diào)類型。然后利用CATIA 軟件對(duì)空調(diào)風(fēng)道進(jìn)行第一次三維建模，后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后用FLUENT 軟件進(jìn)行客車內(nèi)部流場(chǎng)的模擬。通過模擬計(jì)算后的云圖分析結(jié)果顯示，由于最初建模時(shí)沒有將風(fēng)道各個(gè)結(jié)構(gòu)充分考慮到位，溫度云圖難免會(huì)有較大的溫度階梯，因此導(dǎo)致車內(nèi)流場(chǎng)的不均勻性。所以在任務(wù)后期，需要對(duì)已建立的模型進(jìn)行優(yōu)化，本文主要從改變風(fēng)口的形狀、改變風(fēng)道的橫截面、兩個(gè)方面來(lái)對(duì)風(fēng)道優(yōu)化處理。在根據(jù)以上兩個(gè)方向修改過模型之后，重復(fù)上述已介紹的步驟，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，流場(chǎng)模擬，最終通過比對(duì)溫度云圖的均勻性和速度云圖的均勻性來(lái)選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方式。