徐峻，任延静，韩寒，王东屏，张文威

(1.中国北车集团 长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062;2.大连交通大学 机械工程学院，辽宁大连116028)*

0 引言

高速动车组以“高速、舒适、时尚”为突出特点，其中“舒适”是旅客最直观的感受，旅客车厢内空气的温度、湿度、流速等都是直接影响到人体的舒适感的主要因素，而这些因素都是由列车的空调通风系统所决定的.因此，在高速动车组的关键技术中，研究空调通风系统的关键技术，包括结构设计、送风方式以及车厢内的气流组织情况是非常必要的［1-3］.

由于车厢内部流场受夏季环境高温、冬季低温以及乘客散热的影响，用实验方法研究车厢内部的气流组织难度大、成本高［4-5］.CFD技术具有传统方式无法比拟的优越性，可以形象、直观、全面的掌握车辆空调通风系统各物理量在流场中的详细信息，在较短的时间内对空气调节系统的性能做出预测，对企业产品的设计和研发具有很高的参考价值.同时，CFD仿真技术作为一种实验手段，更容易发现问题产生的机理，指出原始设计方案中存在的不足之处，对设计方案进行优化，所以应该在动车组空调通风方案的设计中得到广泛应用.目前已有不少的资料对动车组的空调通风进行数值研究［1-5］，但由于具体问题的复杂性，所以对新开发研制的动车组，仍需要具体问题具体分析.

本文应用CFD数值仿真方法，结合计算流体力学软件-FLUENT对企业正在研制的高速动车组车厢内三维空间区域的空气流动和传热状况进行了数值分析，对空调通风设计方案进行了评估，计算中综合考虑了车体壁面传热、人体散热等多种传热过程.计算结果为空调设计人员提供直接的技术支持.

1 计算模型与计算方法

1.1 计算模型

高速动车组某中车车厢内空气流场的三维模型如图1所示，通风方式是上进风上回风，底部排出废气.冷风从车厢中部的进风口进入车厢，回风口在客室一位端车厢顶部，废排风口位于客室二位端门下部.网格采用四面体和六面体混合单元，总数约288万.车厢内定员88人.

图1 动车组中车车厢流场计算模型

1.2 计算方法

基于计算流体力学理论，对动车组车厢内流场进行数值分析.车厢内的流动是三维、定常、不可压缩、稳态湍流流动，计算方程见文献［6］.计算方法采用有限体积法中常用的SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)法，即压力连接方程的半隐式求解离散方程组.为简化问题，计算时作如下假设:①车厢内空气低速流动，忽略密度变化，认为是不可压缩流体;②空气流动是稳态湍流流动;③门、窗、墙壁密闭性好;④满足Boussinesq假设:认为流体密度的变化仅对动量方程中的浮升力产生影响;⑤对流项采用二阶迎风格式，粘性项采用二阶中心差分格式.

2 冬季工况数值计算结果分析

车厢空调通风系统在冬季工况的计算参数如下:车厢外温度:-20℃;送风入口温度:19.6℃;进风口总风量:5 000 m3/h;回风量:3 540 m3/h;客室内设计温度:21℃;人体温度:36℃;乘客数量:88人;废排风量:1 460 m3/h;过道加热器:4 kW;室内加热器:12 kW;侧墙传热系数:1.18 W/m2K;车窗传热系数:1.4 W/m2K;端墙传热系数:1.18 W/m2K;地板传热系数:1.18 W/m2K.冬季车厢内除了供暖风之外，还布置有过道加热器及客室加热器.

冬季工况的残差曲线如图2所示.迭代次数297，收敛精度为10-3.

图2 冬季工况收敛曲线

2.1 室内温度分布

数值计算得到车厢内部温度、速度分布的详细信息.车厢内头部位置水平断面的温度分布(距地板高1.1 m)如图3所示.

根据图3可知，车厢内头部水平断面的温度分布中，人与人之间区域的平均温度大致在19℃之间.过道的地方温度偏低，在16℃左右.按照标准《BSEN14750-1》，车厢内人体舒适区中温度变化范围应为17～21℃.

图3 车厢内人体头部水平断面的温度分布

经过三人座纵向断面温度分布如图4所示，乘客之间温度分布在17～18℃之间.

图4 经过三人座纵向断面温度分布

2.2 车厢中的速度分布

车厢内人体头部水平断面(距地板高1.1 m)的速度分布如图5所示，车厢内空气流动速度大致在0.13～0.19 m/s之间.

图5 车厢内人体头部水平断面的速度分布

综上所述，在冬季工况，车厢内速度变化范围0.09～0.19 m/s，满足《BSEN14750-1》标准(在21℃时，速度变化范围:0.05～0.3 m/s).人体周围温度17～20℃，符合标准《BSEN14750-1》温度要求(车厢内人体舒适区中温度变化范围应为17～21℃).

3 夏季工况数值计算结果分析

3.1 室内温度分布

夏季计算工况如下:车厢外温度:40℃;冷风入口温度:14℃;进风口总风量:5000 m3/h;回风量:3540 m3/h;室内设计温度:26℃;乘客数量:88人;废排风量:1 460 m3/h.

车厢内距地板高1.1 m温度分布如图6所示.车厢舒适区温度分布比较均匀，人与人之间的温度大致在22～23.2℃之间.过道的地方温度偏低，在17～18℃之间.按照标准《BSEN14750-1》:在1.1 m高度平均温度为22℃，车厢内人体舒适区中温度变化范围应为20～24℃.所以车厢内温度满足标准要求.

图6 车厢内头部位置水平断面的温度分布云图

经过三人座纵向断面温度分布如图7所示.温度分布在20～21℃之间.

图7 经过三人座纵向断面温度分布云图

3.2 室内的速度分布

经过三人座纵向断面速度矢量如图8所示，车厢内舒适区速度大致在0.13～0.23 m/s之间.

根据图8可知，车厢舒适区速度分布比较均匀，车厢内部舒适区速度大致在0.13～0.23 m/s之间.空调标准《BSEN14750-1》为在20～24℃温度范围内，速度变化范围0.08～0.5 m/s，所以该平面速度满足标准.

图8 经过三人座纵向断面速度矢量图

在夏季工况下，车厢内速度范围为0.13～0.42 m/s，满足《BSEN14750-1》标准的速度要求.车厢内人体之间温度范围21～24℃，满足《BSEN14750-1》标准要求.

4 结论

本文通过对某高速动车组中间车车厢内空气温度场及速度场的数值仿真，并基于BSEN14750-1空调标准，对空调通风设计方案进行评估，得出如下结论:

(1)在冬季工况中，车厢内速度变化范围0.09～0.19 m/s，满足《BSEN14750-1》标准(在21℃时，速度变化范围:0.05～0.3 m/s).人体周围温度17～20℃，符合标准《BSEN14750-1》温度要求(车厢内人体舒适区中温度变化范围应为17～21℃);

(2)在夏季工况下，车厢内速度范围为0.13～0.42 m/s，满足《BSEN14750-1》标准的速度要求.车厢内人体之间温度范围21～24℃，满足《BSEN14750-1》标准要求(按照标准《BSEN14750-1》车厢内人体舒适区中温度变化范围应为20～24℃);

(3)CFD技术具有传统方式无法比拟的优越性，空调通风系统的设计采用虚拟仿真技术，结合国际通用的空调标准评价体系，在方案设计阶段对空调效果进行数值分析、对空调设计方案进行评估、优化设计方案，这种设计方法应该得到广泛应用.

［1］王斌.地铁车空调通风系统及车厢内流场数值仿真［D］.大连:大连交通大学，2012.

［2］陈焕新，黄素逸，张登春.空调列车室内气流分布的数值模拟［J］.流体机械，2002，30(4):59-61.

［3］张吉光，杨晚生，史自强.铁路客车空调系统送风均匀性的研究［J］.流体机械，2002，30(1):50-53.

［4］杨晚生，张梅艳，张吉光.铁路客车高速化对其空调系统的发展要求探讨［J］.铁道机车车辆，2005，25(5):38-39.

［5］张登春，翁培奋，邹声华.旅客列车空调硬座车厢内热舒适性研究［J］.铁道学报，2006(10):62-65.

［6］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004.