孔祥峰,牛永剛

(1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210031;2.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,江蘇 南京 211800)

0 引言

風(fēng)道是軌道車輛空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分,隨著人們對出行舒適性的要求日益提高,人們對車輛空調(diào)的性能要求也提出了更高要求。風(fēng)道的結(jié)構(gòu)對空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的性能影響至關(guān)重要,若送風(fēng)道結(jié)構(gòu)不合理,很有可能會導(dǎo)致輸出的風(fēng)速、溫度、濕度不均勻,加上大量人員排出的二氧化碳,車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量將會變得很差,從而引起乘客頭暈、惡心等不適癥狀。為了使車廂內(nèi)維持穩(wěn)定溫度、壓力、氣流速度等相關(guān)車內(nèi)流場參數(shù),滿足乘客乘坐的舒適性的需求,有必要對風(fēng)道的結(jié)構(gòu)進行仿真模擬和優(yōu)化設(shè)計,從而為項目的技術(shù)準(zhǔn)備提供數(shù)據(jù)支持。

現(xiàn)代計算機輔助設(shè)計和有限元理論的發(fā)展,使得流體計算軟件得以廣泛應(yīng)用。本文嘗試采用ANSYS Workbench軟件建立相應(yīng)的風(fēng)道模型,并進行模擬和分析,優(yōu)化流場流速分布,從而降低流動阻力和功耗。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 流體介質(zhì)模型

為使流體介質(zhì)滿足通用控制方程,首先對計算流體及計算區(qū)域做如下約定:

1)流體是連續(xù)介質(zhì);

2)忽略流體的質(zhì)量力;

3)忽略流體的第二粘性系數(shù);

4)流體各向同性。

1.2 理論方程[1]

1.2.1 流體通用控制方程

(1)

1.2.2 湍動能

(2)

1.2.3 湍流耗散率

(3)

式中:Cμ取0.09,l為湍流尺度。

2 相關(guān)參數(shù)

某軌道車輛空調(diào)出風(fēng)口風(fēng)道初始尺寸如圖1所示,半徑R1、R2待定,其余尺寸受空間限制,不可更改。

圖1 風(fēng)道尺寸圖

3 數(shù)值模擬與優(yōu)化

3.1 仿真模型與模擬工況

本次模擬采用3D steady模擬,standardκ-ε、standard wall function模型[2]。

模擬工況分為兩部分:無導(dǎo)流板情況下,模擬不同R1、R2參數(shù)值對流場流速分布的影響,優(yōu)化分析后確定R1、R2參數(shù)取值;基于選定的R1、R2參數(shù)值,在風(fēng)道內(nèi)增加導(dǎo)流板,模擬不同導(dǎo)流板參數(shù)下的風(fēng)道流場流速分布,并進行優(yōu)化分析。各工況模型如圖2所示。

圖2 模型圖

3.2 流場邊界條件選擇

本次計算模型的邊界條件為:

進口邊界:速度進口,流速4 m/s;

進口溫度:70 ℃;

出口邊界:壓力出口,壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力;

固體邊界:無滑移邊界;

3.3 模擬與優(yōu)化分析

3.3.1 工況一:R1、R2的模擬與優(yōu)化分析

為減少計算量,本文僅對模型中面進行模擬分析。圖3為利用ANSYS Workbench軟件建立的仿真優(yōu)化流程圖。

圖3 仿真模型

通過設(shè)定參數(shù)R1、R2的變化范圍,分別模擬不同R1、R2組合下的輸出結(jié)果,如表1所示。由表可知,各項輸出的絕對值隨R1、R2的增加而減小。因此,在不影響風(fēng)道安裝的情況下,應(yīng)盡量采用更大的R1、R2值。

表1 R1、R2組合對應(yīng)的模擬數(shù)值

表1中各項輸出參數(shù)的含義:deltaV為出口最大流速與最小流速差,表示出口流速分布的均勻性;deltaAV表示出口平均流速與理論平均流速差,deltaP表示流場最大壓力與最小壓力差,AVP表示進口平均壓力,通過以上三項可以了解流場中流動分布和流阻。

圖4為無導(dǎo)流板時各項輸出對待定輸入?yún)?shù)R1、R2的敏感性,其中大于零時,表示輸出參數(shù)隨待定輸入?yún)?shù)的增大而增大;小于零時,表示輸出參數(shù)隨輸入待定參數(shù)的增大而減小。由圖可知,各項輸出參數(shù)對R1變化的敏感性相對更大。

圖4 各項輸出對R1、R2的敏感性

圖5為R1=100 mm、R2=300 mm和R1=300 mm、R2=1300 mm時的流場壓力、速度和出口流速分布圖。由圖可知,隨R1、R2的增加,流場壓力、速度和出口速度分布更加均勻。流場高壓、低壓和速度峰值更小,高壓滯留區(qū)和低壓回流區(qū)相對更小,流場流阻更小。出口速度最小值有明顯改善,流速分布更趨均勻。

圖5 R1、R2組合對應(yīng)的模擬結(jié)果

3.3.2 工況二:導(dǎo)流板的模擬與優(yōu)化分析

為了改善出口流速的分布,減小低壓回流區(qū),嘗試在風(fēng)道內(nèi)增加導(dǎo)流板,以引導(dǎo)氣流運動。圖6為增加一塊導(dǎo)流板時,導(dǎo)流板距離出口左側(cè)壁面H1分別為300 mm、500 mm和700 mm時流場壓力、速度和出口流速分布。

圖6 一塊導(dǎo)流板不同位置對應(yīng)的模擬結(jié)果

表2為一塊導(dǎo)流板在不同位置對應(yīng)的模擬數(shù)值,結(jié)合圖6可以發(fā)現(xiàn),導(dǎo)流板設(shè)置在流場右側(cè)時,比設(shè)置在中部和左側(cè)更能有效降低進口壓力,從而相對減少流阻,但是出口流速和流場壓力分布的均勻性相對降低。與不設(shè)導(dǎo)流板時相比,其流阻沒有明顯改善,有些位置甚至?xí)沽髯枭陨栽黾?但出口流速的兩個輸出參數(shù)有明顯的改善。

表2 一塊導(dǎo)流板不同位置對應(yīng)的模擬數(shù)值

分別對兩塊導(dǎo)流板和三塊導(dǎo)流板做同樣的模擬,其模擬結(jié)果分別如圖7、圖8所示,模擬數(shù)值如表3、表4所示。

表3 兩塊導(dǎo)流板不同位置對應(yīng)的模擬數(shù)值

表4 三塊導(dǎo)流板不同位置對應(yīng)的模擬數(shù)值

圖7 兩塊導(dǎo)流板不同位置對應(yīng)的模擬結(jié)果

圖8 三塊導(dǎo)流板不同位置對應(yīng)的模擬結(jié)果

由圖7、圖8和表3、表4可知,繼續(xù)增加導(dǎo)流板數(shù)量并合理布置后,可以繼續(xù)優(yōu)化出口速度分布,但是流場速度和壓力分布并沒有得到繼續(xù)改善。綜合制造經(jīng)濟性和風(fēng)道性能,建議在不影響安裝的前提下采用最大的R1、R2,并增加兩塊導(dǎo)流板以改善出口流速分布。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS Workbench軟件對軌道車輛空調(diào)通風(fēng)道關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)建模,模擬了不同工況下風(fēng)道中氣流的壓力分布和速度分布,提取了進口平均壓力和出口速度分布。通過模擬提供了風(fēng)道結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、風(fēng)道流阻改善的計算依據(jù)。模擬結(jié)果可以指導(dǎo)風(fēng)道結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計,減少試驗次數(shù),縮短設(shè)計周期,節(jié)約設(shè)計成本。

通過模擬和分析,得到了風(fēng)道參數(shù)R1、R2,導(dǎo)流板個數(shù)和導(dǎo)流板布置對流場分布的影響趨勢和程度。在結(jié)構(gòu)允許的情況下,采用大的R1、R2可以極大地改善風(fēng)道中各參數(shù)的分布。在確定了參數(shù)R1、R2的基礎(chǔ)上增加導(dǎo)流板個數(shù)并恰當(dāng)布置,可以進一步優(yōu)化出口速度分布,但當(dāng)導(dǎo)流板的個數(shù)大于二塊時,對流場的進一步改善效果不明顯,建議采用二塊導(dǎo)流板,后續(xù)結(jié)合試驗確定導(dǎo)流板的準(zhǔn)確位置。本文采用的導(dǎo)流板其彎曲段均為單一曲率,對多曲率結(jié)構(gòu)導(dǎo)流板對流場的影響并未涉及。