CFD技術(shù)在軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯CFD技術(shù)在軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用本文以計(jì)算流體力學(xué)（CFD）為基礎(chǔ)，采用有限體積法，建立列車風(fēng)道及車廂模型，對列車流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到速度及溫度場的分布。并對模型處理方法進(jìn)行闡述，計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)一步提出CFD技術(shù)在軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用方向。

隨著旅客對軌道車輛舒適度要求的不斷提高，車廂內(nèi)部的空氣質(zhì)量、環(huán)境舒適度越來越受到人們的關(guān)注。相比傳統(tǒng)理論計(jì)算無法確定風(fēng)道送風(fēng)均勻性、車內(nèi)氣流組織、溫度分布的弱點(diǎn)，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)可以對空調(diào)系統(tǒng)管路及車內(nèi)流場分布狀況進(jìn)行分析，確定風(fēng)道阻力及各風(fēng)口風(fēng)量分配、車內(nèi)流場相關(guān)參數(shù)。該技術(shù)具有成本低、周期短、可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，適合在前期指導(dǎo)列車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文以列車流場仿真分析實(shí)例為基礎(chǔ)，對CFD技術(shù)在列車通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行說明。

一、車內(nèi)流場分析控制方程及計(jì)算模型處理

1.求解控制方程

空調(diào)系統(tǒng)及車廂內(nèi)的流體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)、粘性、紊流流動(dòng)的空氣，采用帶有浮升力效應(yīng)的k―ε高Re數(shù)兩方程紊流模型對流場做三維紊流流動(dòng)和傳熱計(jì)算，需用到的控制微分方程包括：連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、紊動(dòng)能方程及紊動(dòng)能耗散率方程。微分方程組采用有限體積法求解，方程的對流項(xiàng)采用二階精度的迎風(fēng)差分格式，壓力速度的耦合采用SIMPLE算法。

連續(xù)方程：（1）

其中，ρ為流體的密度，為方向的速度分量。

動(dòng)量方程：（2）

其中，是靜壓力，是應(yīng)力矢量，是重力，是微元體受到的體積力。

能量守恒方程：（3）

其中，是焓，是分子傳導(dǎo)率，是由于紊流傳遞而引起的傳導(dǎo)率，是定義的體積熱源。

2.幾何模型的處理

進(jìn)行列車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)流場分析需建立列車內(nèi)部空間及風(fēng)道系統(tǒng)的幾何模型，對于考慮車內(nèi)旅客的計(jì)算工況，還需建立人體幾何模型。針對不同的分析目的可適當(dāng)?shù)睾喕治瞿Ｐ?，如忽略對空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)影響較小的幾何特征；用于指導(dǎo)風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)，可僅建立風(fēng)道幾何模型，通過調(diào)整風(fēng)道結(jié)構(gòu)使其滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及車輛使用要求；用于指導(dǎo)整車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)布置時(shí)，可僅建立列車內(nèi)部空間的幾何模型，將風(fēng)道風(fēng)口特性作為邊界條件，進(jìn)行車內(nèi)氣流組織的分析。為了使分析結(jié)果更接近實(shí)際情況，可將調(diào)整好送風(fēng)特性的風(fēng)道與列車進(jìn)行整體分析。

3.模型前處理及計(jì)算條件設(shè)置

目前針對流體分析的前處理軟件有很多種，可選用Spaceclaim和WorkBench中自帶的網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行前處理。在網(wǎng)格處理時(shí)選擇合適的網(wǎng)格尺寸，在邊界和幾何較復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行加密，可提高計(jì)算精度。

對于列車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)流場分析，若僅考慮車內(nèi)的氣流組織，僅設(shè)置流動(dòng)邊界條件即可，若考慮車內(nèi)溫度分布則還需設(shè)置熱邊界條件，若考慮車內(nèi)濕度還需設(shè)置組分條件。

二、車內(nèi)流場分析實(shí)例

以某車型為例，分析該車送風(fēng)道的送風(fēng)特性、車內(nèi)氣流組織和車內(nèi)溫度場，因此分別建立了送風(fēng)道模型、空調(diào)系統(tǒng)管路及額定載客量時(shí)車輛整體幾何模型。首先對送風(fēng)道的送風(fēng)特性進(jìn)行分析，并調(diào)整結(jié)構(gòu)直至風(fēng)道流速及出風(fēng)均勻性滿足要求，然后將該風(fēng)道與車輛模型合并，整體分析車內(nèi)氣流組織及溫度場分布。

1.送風(fēng)道送風(fēng)特性分析

（1）送風(fēng)道幾何模型及邊界條件設(shè)置。

如圖1所示，該車送風(fēng)道位于車頂兩側(cè)，采用條縫式出風(fēng)口，每側(cè)61個(gè)條縫式出風(fēng)口，該風(fēng)口與客室頂板相連。為了穩(wěn)定計(jì)算，在模型處理時(shí)將出風(fēng)口延長一定長度。

風(fēng)道入口取流量邊界條件，出口取壓力邊界條件。為了真實(shí)模擬風(fēng)道的送風(fēng)特性，用于調(diào)節(jié)送風(fēng)均勻性的孔板使用無厚度的面體，賦予多孔介質(zhì)屬性對其阻力特性進(jìn)行模擬，使用多孔介質(zhì)跳躍模型計(jì)算阻力，其公式為：

Δp=-（?ν/α+0.5C2ρν2）Δm（4）

其中，Δm為孔板厚度，取0.002m；?為空氣的粘度，取1.7894x10-5kg/m-3；ρ為空氣的密度，取1.225kg/m3；α為表面滲透率，取3.5788e-7m2；C2為壓力階躍系數(shù)，取3265.3m-1。

（2）送風(fēng)道出風(fēng)口速度的計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果對比。

從計(jì)算結(jié)果中提取一側(cè)送風(fēng)道61個(gè)條縫式出風(fēng)口的風(fēng)速，與對應(yīng)出風(fēng)口實(shí)測速度進(jìn)行對比，對比圖如圖2和圖3。

求得計(jì)算結(jié)果所有出風(fēng)口的平均風(fēng)速為3.98m/s，測試結(jié)果所有出風(fēng)口的平均風(fēng)速約為3.52m/s，偏差小于15%。且從對比圖中可以看出，計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果吻合度較好。在風(fēng)道端部，出風(fēng)口風(fēng)速較高；在空調(diào)機(jī)組正下方，出風(fēng)口風(fēng)速偏低；中間段的出風(fēng)口風(fēng)速較為均勻。

2.車內(nèi)流場特性分析

（1）車內(nèi)流場分析幾何模型。

客室空調(diào)系統(tǒng)由車頂送風(fēng)道、回風(fēng)道及排風(fēng)裝置構(gòu)成，其中送回風(fēng)道口一端與車輛空調(diào)機(jī)組相連，一端與客室頂板風(fēng)口相連。司機(jī)室空調(diào)系統(tǒng)由司機(jī)室通風(fēng)機(jī)、司機(jī)室回風(fēng)機(jī)構(gòu)成。在求夏季額定載客量時(shí)，以車內(nèi)流場和溫度場的分布為例，建立幾何模型如圖4所示。

（2）網(wǎng)格劃分。

使用CutCell笛卡爾網(wǎng)格劃分模型（圖5），總共生成694萬網(wǎng)格，網(wǎng)格正交性質(zhì)量高于0.15。

（3）計(jì)算條件設(shè)置。

流動(dòng)邊界條件設(shè)置，送風(fēng)道入口按照實(shí)測數(shù)據(jù)的體積流量折算為質(zhì)量流量；客室及司機(jī)室回風(fēng)道出口采用壓力邊界條件。

熱邊界條件設(shè)置，車輛外部熱負(fù)荷包括車體傳熱負(fù)荷Q1及太陽輻射負(fù)荷Q2，為了便于計(jì)算此處采用熱流密度Q/f（傳熱熱流密度Q1/f與太陽輻射熱流密度Q2/f之和）加載到計(jì)算模型表面。由于各表面的太陽輻射負(fù)荷差異，需要分別計(jì)算車頂、左側(cè)墻、右側(cè)墻和地板表面的熱流密度，加載在各邊界上。

設(shè)置送風(fēng)道入口溫度，客室內(nèi)的人體熱負(fù)荷。

（4）計(jì)算結(jié)果及分析。

參照TB/T2433-93《鐵道客車空調(diào)裝置運(yùn)用試驗(yàn)方法》中的測點(diǎn)布置要求，在計(jì)算結(jié)果中提取車內(nèi)特征截面（距地板0.5m、1.2m、1.7m高度處的截面，客室前部、中部、后部截面），風(fēng)速及溫度分布如圖6～圖17所示。

由圖6～圖11可以看出：計(jì)算模型車內(nèi)風(fēng)速分布總體較均勻，風(fēng)道出風(fēng)口處風(fēng)速稍高，約為2m/s，滿足TB1951對出風(fēng)口風(fēng)速1～3m/s的要求。由于一位端空調(diào)送風(fēng)口距客室前部端面近，二位端空調(diào)送風(fēng)口距客室后部端面遠(yuǎn)，因此前部出風(fēng)口處風(fēng)速稍高，后部出風(fēng)口處風(fēng)速稍低，該結(jié)果與實(shí)測情況吻合，如圖3測試結(jié)果所示前部出風(fēng)口風(fēng)速高于后部。

由于計(jì)算模型空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道出風(fēng)口處沒有設(shè)置出風(fēng)格柵，因此風(fēng)道出風(fēng)口處風(fēng)速比實(shí)際風(fēng)速稍高，后續(xù)處理模型時(shí)可詳細(xì)考慮出風(fēng)口格柵的幾何模型，進(jìn)一步增加仿真計(jì)算的準(zhǔn)確度。

車內(nèi)的溫度場計(jì)算結(jié)果分析由圖12、圖13可以看出：計(jì)算模型車內(nèi)溫度分布總體較均勻，在車輛滿員的時(shí)候車內(nèi)溫度略高于27℃，滿足車輛溫度控制要求（額定工況下，車內(nèi)溫度低于28℃）。且由于客室前部比后部送風(fēng)量高，客室后部流動(dòng)較弱，因此客室前部溫度低于后部溫度。由于送風(fēng)不均勻形成的客室前后部溫差可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)道送風(fēng)特性來減弱。

三、結(jié)論及展望

（1）送風(fēng)口的分布及尺寸對車廂內(nèi)氣流組織影響較大，合理的送回風(fēng)方式是保證流場參數(shù)均勻分布及熱舒適性的關(guān)鍵；各支風(fēng)道阻力的匹配也是保證送風(fēng)均勻性的關(guān)鍵。但目前通常采用空調(diào)風(fēng)道配套試驗(yàn)來調(diào)節(jié)風(fēng)道風(fēng)口及阻力，此方法需要消耗較多的物力財(cái)力人力且重復(fù)試驗(yàn)有較大難度。采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對特定結(jié)構(gòu)送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)效果進(jìn)行分析，可以提前發(fā)現(xiàn)不合理的設(shè)計(jì)，提高試驗(yàn)的成功率，降低成本。

（2）探索列車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化算法，通過設(shè)置風(fēng)道系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)及優(yōu)化目標(biāo)，使計(jì)算機(jī)自動(dòng)重復(fù)計(jì)算并自動(dòng)尋優(yōu)，減少人工操作，提高技術(shù)人員的工作效率。

（3）計(jì)算模型、邊界條件的處理對于分析結(jié)果的準(zhǔn)確性均有較大影響，通過結(jié)果分析修正計(jì)算模型，積累分析經(jīng)驗(yàn)才能更