王維斌，陳大偉，姚拴寶，宋軍浩

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

軌道列車客室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)列車客室空間的溫度場(chǎng)分布具有重要作用，作為列車客室環(huán)境調(diào)控的重要系統(tǒng)，對(duì)其研究也逐漸深入、細(xì)化[1]。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真模擬方法逐漸成為軌道列車空調(diào)通風(fēng)及客室內(nèi)流場(chǎng)研究的新型手段，文獻(xiàn)[2-6]通過(guò)數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)不同車型的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道、客室內(nèi)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。

軌道列車到達(dá)車站后，在開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中，客室內(nèi)氣流與環(huán)境氣流產(chǎn)生熱量交換，特別是在高寒、高熱氣候條件下，開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程會(huì)對(duì)客室內(nèi)的溫度場(chǎng)分布產(chǎn)生一定的影響。為了評(píng)估開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程對(duì)列車客室內(nèi)溫度變化的影響程度，本文基于某型號(hào)城際車，對(duì)夏季和冬季工況下車輛開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中客室內(nèi)的溫度變化過(guò)程、客室內(nèi)流場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真研究。

1 幾何模型

圖1所示為某城際車輛客室空間及空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的三維全流場(chǎng)幾何模型。為真實(shí)反映城際車輛客室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的流場(chǎng)特征，幾何模型包括客室空間、送風(fēng)道、回風(fēng)道、廢排風(fēng)道、支風(fēng)道、座椅、門(mén)窗等主要結(jié)構(gòu)[7]，在模型構(gòu)建過(guò)程中對(duì)風(fēng)道內(nèi)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、擋板、風(fēng)口、廢排縫隙等細(xì)節(jié)特征進(jìn)行了保留，對(duì)客室外圍區(qū)域、座椅、門(mén)窗等對(duì)流場(chǎng)特性影響不大的部件進(jìn)行了近似簡(jiǎn)化處理[8]。

圖1 某城際車輛客室空間及空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)幾何模型

列車開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程仿真計(jì)算域如圖2所示，包括圖1所示的客室空間計(jì)算域、兩側(cè)車門(mén)區(qū)域?qū)?yīng)的2個(gè)外界大氣空間計(jì)算域，其中兩側(cè)車門(mén)區(qū)域?yàn)閯?dòng)網(wǎng)格區(qū)域，仿真過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作。一個(gè)完整開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作的總時(shí)長(zhǎng)為60 s，其中開(kāi)門(mén)時(shí)間為6 s，停頓時(shí)間為48 s，關(guān)門(mén)時(shí)間為6 s。

圖2 列車開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程仿真計(jì)算域

2 仿真模型及動(dòng)網(wǎng)格處理

圖3為某城際車輛開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程仿真模型。采用多面體網(wǎng)格進(jìn)行整個(gè)計(jì)算域的空間離散[9]，對(duì)送風(fēng)道、回風(fēng)道、廢排風(fēng)道、支風(fēng)道、風(fēng)道內(nèi)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、擋板、風(fēng)口、廢排縫隙等幾何尺寸較小但是對(duì)流動(dòng)特性影響較大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，針對(duì)客室外圍區(qū)域、座椅、門(mén)窗等數(shù)據(jù)梯度變化不大的區(qū)域，適當(dāng)放大網(wǎng)格尺寸，使得網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量得到了很好的控制[10]，多面體網(wǎng)格數(shù)量總和約600×104。

圖3 某城際車輛開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程仿真模型

對(duì)于車門(mén)機(jī)構(gòu)開(kāi)啟和關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)過(guò)程采用動(dòng)網(wǎng)格方式處理，仿真過(guò)程采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，根據(jù)開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間及運(yùn)動(dòng)速度編寫(xiě)程序定義車門(mén)機(jī)構(gòu)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，車門(mén)機(jī)構(gòu)主要沿直線方向運(yùn)動(dòng)，其中車門(mén)機(jī)構(gòu)附近的網(wǎng)格也需要進(jìn)行加密處理[11]。車門(mén)機(jī)構(gòu)開(kāi)啟過(guò)程中的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)變化如圖4所示，K1、K2、K3、K4分別表示俯視車門(mén)機(jī)構(gòu)從左向右開(kāi)啟過(guò)程中，依次移動(dòng)到不同位置的時(shí)刻。圖5為車門(mén)機(jī)構(gòu)開(kāi)啟過(guò)程中車門(mén)附近區(qū)域的空氣流動(dòng)，從圖5可以看出，車門(mén)機(jī)構(gòu)開(kāi)啟過(guò)程中，外部空間的氣流進(jìn)入客室空間，隨著車門(mén)機(jī)構(gòu)的動(dòng)網(wǎng)格移動(dòng)，客室內(nèi)外的計(jì)算域進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，形成氣流流動(dòng)，從而對(duì)開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中客室溫度場(chǎng)的變化進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。

圖4 車門(mén)機(jī)構(gòu)開(kāi)啟過(guò)程中的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)變化

圖5 車門(mén)機(jī)構(gòu)開(kāi)啟過(guò)程中車門(mén)附近區(qū)域的空氣流動(dòng)

3 仿真結(jié)果分析

為了評(píng)估開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程對(duì)列車客室內(nèi)溫度變化的影響程度，本文針對(duì)夏季和冬季工況下某型號(hào)城際車中間車開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中客室內(nèi)的溫度變化進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，并對(duì)客室內(nèi)的流場(chǎng)分布進(jìn)行分析。

3.1 夏季工況開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中溫度場(chǎng)變化

圖6為夏季室外溫度35 ℃工況下，空調(diào)機(jī)組制冷運(yùn)行時(shí)，車門(mén)開(kāi)關(guān)60 s過(guò)程中客室內(nèi)溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化過(guò)程。由圖6可以看出，隨著車門(mén)開(kāi)啟，客室內(nèi)氣流與外界氣流發(fā)生熱量交換，外界的高溫氣流進(jìn)入客室，車門(mén)附近區(qū)域的溫度受此影響逐漸升高，如圖6(b)所示。車門(mén)停頓48 s后的溫度場(chǎng)分布如圖6(c)所示，此時(shí)，外界氣流對(duì)客室內(nèi)溫度的影響范圍達(dá)到最大，車門(mén)附近區(qū)域的平均溫度由開(kāi)門(mén)前的25 ℃升高至32 ℃。車門(mén)關(guān)閉對(duì)溫度的傳遞有明顯的阻隔作用，隨著車門(mén)的關(guān)閉，溫度場(chǎng)變化較為劇烈。在60 s時(shí)車門(mén)完全關(guān)閉，在82 s時(shí)客室空間的溫度分布恢復(fù)到開(kāi)門(mén)前狀態(tài)。

圖6 夏季開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中客室內(nèi)溫度場(chǎng)變化

3.2 冬季工況開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中溫度場(chǎng)變化

圖7為冬季室外溫度-25 ℃工況下，空調(diào)機(jī)組制熱運(yùn)行時(shí)，車門(mén)開(kāi)關(guān)60 s過(guò)程中客室內(nèi)溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化過(guò)程。由圖7可以看出，隨著車門(mén)開(kāi)啟，客室內(nèi)氣流與外界氣流發(fā)生熱量交換，外界的低溫氣流進(jìn)入客室，車門(mén)附近區(qū)域的溫度受此影響逐漸降低，如圖7(b)所示。車門(mén)停頓48 s后的溫度場(chǎng)分布如圖7(c)所示，此時(shí)，外界氣流對(duì)客室內(nèi)溫度的影響范圍達(dá)到最大，車門(mén)附近區(qū)域的平均溫度由開(kāi)門(mén)前的22 ℃降低至10 ℃。車門(mén)關(guān)閉對(duì)溫度的傳遞有明顯的阻隔作用，隨著車門(mén)的關(guān)閉，溫度場(chǎng)變化較為劇烈。在60 s時(shí)車門(mén)完全關(guān)閉，在94 s時(shí)客室空間區(qū)域的溫度分布恢復(fù)到開(kāi)門(mén)前狀態(tài)。

圖7 冬季開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中客室內(nèi)溫度場(chǎng)變化

3.3 客室內(nèi)流場(chǎng)分布

圖8為中間車客室內(nèi)流場(chǎng)分布，由圖8可以看出，空調(diào)氣流從客室中間主送風(fēng)道各個(gè)送風(fēng)口向客室內(nèi)送風(fēng)，其中一部分氣流從客室兩側(cè)回風(fēng)道以及客室端部回風(fēng)道回風(fēng)回到空調(diào)機(jī)組，另一部分通過(guò)客室內(nèi)飾縫隙進(jìn)入廢排風(fēng)道排出客室。整體來(lái)看，風(fēng)道設(shè)計(jì)可以有效地向中間車客室區(qū)域送風(fēng)，整個(gè)客室氣流組織分布比較均勻，很少出現(xiàn)氣流死區(qū)，可以保證客室空間氣流組織空間分布的均勻性[12]。

圖8 中間車客室內(nèi)流場(chǎng)分布

同時(shí)可以看出，從空調(diào)送風(fēng)口進(jìn)入主送風(fēng)道的氣流經(jīng)過(guò)靜壓箱調(diào)壓后從各個(gè)送風(fēng)口送入客室區(qū)域。送風(fēng)口下方的散流器對(duì)出風(fēng)口氣流起到良好的導(dǎo)流作用[13]，使得氣流以合理角度向四周側(cè)面送風(fēng)，增大了送風(fēng)區(qū)域，利于獲得良好的空間氣流組織分布。窗戶下方的回風(fēng)口設(shè)計(jì)可以保證氣流通過(guò)客室兩側(cè)的回風(fēng)道回流，由于回風(fēng)口截面積縮小，其附近區(qū)域的速度較高[14]。通過(guò)在客室長(zhǎng)度方向上回風(fēng)道間距的合理分布，可以有效調(diào)節(jié)客室內(nèi)的氣流組織分布[15]。

4 總結(jié)

為了研究列車到站后開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程對(duì)客室內(nèi)溫度分布的影響程度，本文基于某型號(hào)城際車中間車，建立了客室內(nèi)流場(chǎng)三維幾何模型，定義了車門(mén)機(jī)構(gòu)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，針對(duì)夏季及冬季工況下列車開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中客室內(nèi)溫度場(chǎng)變化進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，并分析了客室內(nèi)流場(chǎng)分布，得出如下結(jié)論：

夏季及冬季開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程對(duì)車門(mén)附近區(qū)域的溫度分布產(chǎn)生顯著影響，但是對(duì)客室區(qū)域溫度場(chǎng)的影響范圍較小且影響時(shí)間較短，主要原因?yàn)椋阂环矫?，列車整體風(fēng)道設(shè)計(jì)可以有效地向客室區(qū)域送風(fēng)，整個(gè)客室氣流組織分布均勻；另一方面，60 s開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程時(shí)間較短，客室內(nèi)溫度分布可在關(guān)門(mén)后約20～30 s恢復(fù)到開(kāi)門(mén)前狀態(tài)。