尤立伟，郑学林，赵义逢

( 长春轨道客车股份有限公司，长春 130062 )



地铁列车空调系统送风风道气流组织模拟及优化

尤立伟，郑学林，赵义逢

( 长春轨道客车股份有限公司，长春 130062 )

基于计算流体动力学(CFD)对兰州某地铁列车风道进行模拟，并利用不均匀系数对风道内的气流组织进行评价，分析造成气流不均匀的原因，并针对这些问题对风道的结构进行优化。通过优化前后风道气流组织的模拟仿真，结果表明优化过后气流更加均匀。为以后地铁列车空调送风风道系统的设计提供参考。

地铁列车；风道；CFD；优化；气流组织

引言

图1　送风道全局模型图

随着我国经济的快速发展，地铁已成为许多大中型城市必不可少的交通工具，同时人们对地铁车厢环境的舒适性要求也不断提高。良好的空调气流组织对于车厢内的舒适程度和能源消耗都有很大的影响[1-2]。客室内温度均匀性主要取决于风道送风的均匀性，倘若风道送风均匀性不好，就会导致车厢内气流组织不均匀。某些区域风量较大，某些区域风量不足，风量的不均匀导致风速的不均匀，就会使气流在车厢内形成涡旋，从而造成车厢内温度场和速度场分布不均，不能达到设计目标，所以均匀风道的设计非常重要。合理的气流组织设计，也是保证充分利用空调机组产生的冷量、充分发挥送风的冷却或加热作用、保证新风的利用率、提高乘客舒适感的必要条件。对于空调气流组织分布性能的准确评价是地铁空调优化设计的基础。

本文以兰州某地铁风道为例，基于空调气流仿真结果，采用气流不均匀系数这一评价指标对风道出风口气流进行评价分析，通过调整风道内部格栅结构使风道内气流更加均匀。

1　数学模型

研究风道和车厢内流场的空气动力特性，其实质是研究流体流动问题。而流体运动与结构设计领域中应力分析等问题相比，其建模与数值模拟要困难得多，是最复杂的物理行为之一。风道及车厢内流场的空气流动是三维、定常、不可压缩流动，根据流场特点，描述空气流动的控制方程包括连续性方程、Reynolds时均Navier-Stokes方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes，简称RANS)以及湍流模型方程[5-6]。

对于大多数工程问题，无法获得精确解析解，只能用CFD数值模拟的方法求解。计算湍流运动时，还需要附加湍流方程。本文计算采用k-ε双方程模型进行计算，对空调领域多种流型的计算结果显示，该模型优于其他模型。采用有限体积法中常用的SIMPLE算法对离散方程进行求解。离散方程，对流项采用二阶迎风格式，粘性项采用二阶中心差分格式。

不均匀系数是用来描述风道气流不均匀性的指标，不均匀系数越大说明风道内的气流组织越不均匀。这里只定义风道出风口最大不均匀性系数

(1)

式中：

vP—送风出口平均初流速度；

v—每个出风口平均出流速度。

maxr越小说明各个出风口的流量越趋近于设计值，则风道内的气流组织越均匀，反之则说明风道内的气流越不均匀。

2　风道的计算模型

2.1风道的组成和工作原理

选取其中TC车进行分析。TC车车厢顶部有两台空调机组，空调机组分别分布在车顶两侧1/4处，空气先通过导流板进行分流，分别向地铁风道的两侧流动，风道中的空气由于孔板的阻挡，速度逐渐降低，使空气向静压腔中流动，通过间隙风由主风道传送到静压风道，最后经静压腔底部的风口送往车厢。图1为建立的送风道全局模型。空调机组送风口分为两个支路分别向两个风道送风。图2、3为风道内部结构及截面示意图。

图2　风道内部结构图

图3　风道截面示意图

2.2计算模型和参数设计

由图1可知，受列车车顶空间限制，列车风道由高风道和扁风道两种类型的风道组成，故我们可以分别对高风道和扁风道分别进行优化。运用ICEM CFD分别对高风道a、扁风道b进行建模及网格划分，为适应风道的复杂结构并确保网格质量，采用非结构网格进行网格划分。风道出风口标号为1～6号，风口位置见图4和图5。

图4　a风道出风口位置编号图

图5　b风道出风口位置编号图

边界条件：

本计算假设列车完全密封，外界与车内不连通，外界环境的热量通过车体围护结构进入车内，给定外界环境温度为33℃，采用第一类边界条件(恒壁温)设定车体外壁温度为33℃，列车车体的传热系数为2.4W/(m2·K)，列车车壁厚度约为170mm。车厢内空调送风采用速度入口边界条件，空调机组的送风量为5000m3/h，回风量为3400 m3/h，废排风量为1600m3/h。由风道结构成中间对称，为方便计算和建模，只取列车车体一半结构进行模拟分析，故每台机组的风量取一半，送风量为2500m3/h，回风量为1700m3/h。空调机组的送风温度为16.82℃。

图6　a风道Y=-1.29截面流场速度分布云图

3　计算结果及分析

3.1原始风道计算结果及分析

选取Y=-1.29m处的截面，此截面正好通过出风口上方支风道中间位置处。a、b风道内速度流场分别如图6、图7所示，a、b风道各出风口的风量分别如下表所示：

图7　b风道Y=-1.29截面流场速度分布云图

表1　a风道各出风口风量

表2　b风道各出风口风量

该列车风道设计多是依靠设计人员的经验而来，由上图可以看出针对风道进行CFD仿真计算的结果并不是十分理想，与设计风量相比相差比较大。由于未对风道结构进行任何调整，主风道内各开口的尺寸以理论设计值进行CFD仿真计算时，风量的分配并不均匀，各风口的风量呈现依次增大的现象，并且个别风口的风量与设计风量偏差非常大。因此，需对各隔板上开口的面积尺寸进行调整，以使各风口的风量达到平衡。

由于风道由风机进风口处流体流速快，在流体全压不变的情况下，动压越大静压越小，风道内的气流在经过前面几个风口的时候动压过大，静压较小，导致出风口的风量较小，甚至出现回流现象，出风口出现负风量的情况。而随着风道内气流流速的衰减，主风道内动压变小静压变大，后面几个出风口的流量增大。风道内流场分布的不均匀导致车厢气流组织不均匀，进而影响乘客的舒适感，因此需要对风道内部结构进行调整优化，使风道内的气流组织更加均匀，从而使车厢内的气流组织更加均匀，提升乘客的舒适感。

3.2风道优化及结果分析

a风道优化的方法为靠近机组孔板的孔径由原来的50mm变成现在的30mm。第二个孔板前移255mm，2号出风口正上方支风道上面两个孔靠近前孔板的一个孔直径增大为70mm，另外一个增大为60mm。

b风道优化的方法为移除靠近机组侧第一块孔板，第二块孔板向机组侧移动150mm，并且将孔直径由原来的50mm变成现在的30mm。第三块孔板向远离机组侧移动90mm，其余出风孔保持不变。

优化过后风道内流场分布云图分别如图8和图9。

图8　a风道Y=-1.29截面流场速度分布云图

图9　b风道Y=-1.29截面流场速度分布云图

图8与图6对比可知经过优化过后风道内的流场更加均匀，主风道与静压箱连通处风速分布相对比较均匀，使得静压基本相等，保证了风量的均匀分配。图9与图7对比可知，经过优化过后风道内尾部的涡旋也消失。优化过后车风口流量如图10和图11。

图10　a风道优化前后风口流量

图11　b风道优化前后出风口流量

从表1、2可知优化前a风道出风口最大不均匀系数28.9%，b风道出风口最大不均匀系数为81.5%。各个出风口的不均匀系数都比较大，超过设计值，会导致客室内的气流组织不均匀，影响乘客的舒适感，并且还会造成能量的浪费。经优化过后a风道出风口最大不均匀系数减小至10.3%，b风道出风口最大不均匀系数减小至22.2%。各个出风口的出流不均匀性明显降低，出风更加均匀，风道内的流场也更加均匀，从而使客室内的流场也更加均匀，提高乘客的舒适感，并且达到节能的目的。

4　结论

本文采用CFD方法对风道送风均匀性进行了仿真分析，验证了调整孔板参数对非变截面风道均匀送风的作用，采用该方法对风道进行优化达到均匀送风的目的，并得到以下结论：

(1)风道进风口处采用小孔径的孔板能够实现均匀送风的目的。

(2)a风道的优化过后风道内流场均匀性得到改善，出风口不均匀性由原来的28.9%减小至现在的10.3%。

(3)b风道的优化过后风道内流场均匀性也得到明显改善，出风口不均匀性由原来的81.5%减小至现在的22.2%。

等截面风道设计时，依靠设计师经验进行设计不够准确，采用CFD与经验相结合的方法可在较短时间内得到最佳的设计参数。

[1] 黄文杰.地铁车厢空调气流组织仿真及优化[J].建筑热能通风空调,2009，28(6):88-90

[2] Lin C,Han T,Koromilas CA.Effects of HAVC design parameters on passenger thermal comfort[J].SAE,1992(2):209-231

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[6] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004

[7] 杨柳.风道结构优化对地铁车室内气流组织均匀性影响的研究[D].华中科技大学,2008

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Simulation and Optimization of Air Flow Organization in the Air Duct of Air Conditioning System of Metro Train

YOU Liwei，ZHENG Xuelin，ZHAO Yifeng

( Changchun railway passenger car Limited by Share Ltd.，Changchun 130062 )

Based on computational fluid dynamics (CFD) simulation of a subway train in Lanzhou.And the air flow organization in the air duct is evaluated by using the unequal coefficient.Analysis of the causes of uneven air flow.And the structure of the air duct is optimized according to these problems.By optimizing the air flow organization of the front and rear air duct,the simulation results show that the air flow is more uniform after optimization.Provide reference for the design of the air duct system of the air duct system of the subway train.

Metro train;Air duct;CFD;Optimization;Air-flow organization

2016-3-27

尤立伟(1979-)，男，主要从事城市轨道车辆空调系统的研究。Email：youliwei@cccar.com.cn

文章编号：ISSN1005-9180(2016)03-039-05

TU831文献标示码：Adoi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.007