新型动车组送风系统仿真分析

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　　摘  要：文章基于某新型动车组空调通风系统结构，建立风道及客室计算域几何模型，进行风道及客室内送风过程的仿真计算，分析风道送风量及客室内流场分布情况，并根据仿真分析结果对当前的风道结构提出优化建议。
　　关键词：数值模拟;送风风道;动车组
　　中图分类号：U270          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）07-0113-02
　　Abstract： In this paper， the geometry model of air-supply duct and carriage zone is established based on the air-supply system of a new type of EMU. The simulation is conducted to compute the air-supply process in the duct and carriage zone. And then the airflow distribution is analyzed to offer optimization suggestions for the current air-supply duct structure.
　　Keywords： numerical simulation; air-supply duct; EMU
　　1 概述
　　動车组客室送风系统设置有多个送风口、回风口以及废排风口，整个客室空间内空气流场分布较为复杂，导致客室内送风均匀性很难达到很好的效果，为提高送风均匀性，需对风道结构进行不断优化。对送风过程的研究可利用试验法和仿真分析法，由于仿真分析法的成本低且能获得更多的流场数据，因此本文使用CFD数值仿真的方法对动车组客室送风系统各风口送风量及客室内流场分布进行分析。
　　2 送风系统仿真模型
　　2.1 送风系统几何模型
　　空调通风系统三维几何模型根据现车结构进行搭建。为真实反映客室通风系统的流场特征，几何模型在搭建过程中对行李架、送、回风及废排风道等细节特征进行了保留，对客室外围区域、座椅等对流场特性影响不大的部件进行了近似简化处理。风道三维几何模型如图1所示。
　　2.2 送风系统网格模型
　　网格划分过程中采用六面体网格进行风道和整个客室空间计算域的空间离散。在网格划分过程中，对送风道、回风道、废排风道、行李架等几何尺寸较小、对流动特性影响较大的结构进行网格加密处理，对于数据梯度变化不大的区域，网格尺寸适当放大，使得网格数量和质量得到了很好的控制。风道和客室计算域内某一截面的网格划分结果为六面体网格总数约1068万。
　　2.3 计算模型设置
　　根据流场内的流速及流场几何结构估算流场雷诺数Re>2000，因此流动模型选择Realizable k-ε湍流模型封闭方程组，采用SIMPLE算法实现速度与压力之间的耦合求解。计算过程中，假设客室内空气为理想不可压缩气体，空气流动状态达到稳态，且不考虑客室内空气的泄漏[1][2]。
　　空调机组送风口采用流量入口边界（边界参数：3900m3/h），废排风口采用流量出口边界（边界参数：1350 m3/h），回风口采用压力出口边界（边界参数：-210.0Pa），其它各壁面采用无滑移壁面边界。
　　3 计算结果与分析
　　3.1 风道风口风量分析
　　风道各风口的送回风量情况分别如下所示：
　　3.1.1 回风口回风量
　　编号1：回风量：210.7m3/h，风量偏差率32.2%;编号2：回风量：188.09m3/h，风量偏差率18.01%;编号3：回风量：169.95m3/h，风量偏差率6.63%;编号4：回风量：156m3/h，风量偏差率-2.12%;编号5：回风量：146.79m3/h，风量偏差率-7.9%;编号6：回风量：139.53m3/h，风量偏差率-12.45%;编号7：回风量：133.67m3/h，风量偏差率-16.13%;编号8：回风量：130.33m3/h，风量偏差率-18.23%;均值：159.38m3/h。
　　根据以上结果分析，回风口编号越大距离空调机组越远。距空调机组越远，回风量越小。回风是在蒸发风机负压作用下产生，由于回风道沿程阻力的损耗，距离空调机组越远回风负压越小，导致支回风道内回风压差减小，回风量减小。
　　3.1.2 上送风口送风量
　　编号1：送风量：36.56m3/h，风量偏差率-53.7%;编号2：送风量：43.24m3/h，风量偏差率-45.3%;编号3：送风量：120.28m3/h，风量偏差率52.3%;编号4：送风量：75.8m3/h，风量偏差率-4.1%;编号5：送风量：60m3/h，风量偏差率-24.1%;编号6：送风量：70.3m3/h，风量偏差率-10.9%;编号7：送风量：60m3/h，风量偏差率-24.1%;编号8：送风量：74.48m3/h，风量偏差率-5.7%;编号9：送风量：65.22m3/h，风量偏差率-17.4%;编号10：送风量：79.7m3/h，风量偏差率0.9%;编号11：送风量：72.87m3/h，风量偏差率-7.7%;编号12：送风量：91.12m3/h，风量偏差率15.3%。编号13：送风量：89.92m3/h，风量偏差率13.8%;编号14：送风量：103.3m3/h，风量偏差率30.8%;编号15：送风量：108.3m3/h，风量偏差率37.1%;编号16：送风量：112.84m3/h，风量偏差率42.8%;均值：79m3/h。 　　根据以上结果分析，送风口编号越大距离空调机组越远。对于1号送风口，由于在主风道内设置了挡板，导致气流远离1号送风口对应的静压腔挡板开口，送风量明显偏小，对于2号送风口，由于距离静压腔左侧壁面距离太近，壁面处产生的涡流导致该送风口处的送风量减小。
　　3.1.3 窗间送风口送风量
　　编号1：送风量：42.98m3/h，风量偏差率40.9%;编号2：送风量：36.56m3/h，风量偏差率19.9%;编号3：送风量：26.04m3/h，风量偏差率-14.6%;编号4：送风量：23.61m3/h，风量偏差率-22.6%;编号5：送风量：25.37m3/h，风量偏差率-16.8%;编号6：送风量：23.41m3/h，风量偏差率-23.2%;編号7：送风量：26.73m3/h，风量偏差率-12.3%;编号8：送风量：24.7m3/h，风量偏差率-18.9%;编号9：送风量：29.92m3/h，风量偏差率-1.9%;编号10：送风量：26.73m3/h，
　　风量偏差率-12.3%;编号11：送风量：32.65m3/h，风量偏差率7.1%;编号12：送风量：32.29m3/h，风量偏差率5.9%;编号13：送风量：37.62m3/h，风量偏差率23.4%;编号14：送风量：25.3m3/h，风量偏差率30.8%;均值：30.49m3/h。
　　根据以上结果分析，送风口编号越大距离空调机组越远。在1号、2号窗间送风口处，由于设置的静压腔挡板开口偏大，使得此处静压腔内静压偏大，导致送风量明显偏大。
　　3.2 客室速度场分析
　　客室内上下送风口截面的速度场分布分别如图2和图3所示。
　　从图中的仿真结果中可以看出废排风速最大可达到14m/s，客室内风速都不超过0.5m/s。通过分析上图，在机组端第一个送风口位置处出现最大风速，这是由于该送风口送风量过大导致。客室内整体风速在0.3m/s左右。
　　4 结论
　　通过对空调通风系统的仿真计算，对各风口风量及客室空间内的速度场进行了对比分析，可以得出如下结论：
　　（1）由于空调机组端第一节风道的静压腔挡板开口设置偏大，导致3号上送风口和1、2号窗间送风口的送风量明显偏大。同时也导致静压腔内气流从机组端向非机组端流动，产生横向风速，使得出风口处出现涡旋，在送风量一定的条件下支送风风道内局部风速偏大，易产生噪声。建议减小该风道静压腔挡板开口尺寸，减小第一节风道静压腔内的风量。
　　（2）由于主风道内安装的挡板高度偏高且距离1号上送风口较近，导致气流远离1号上送风口对应的静压腔挡板开口，此处静压偏小，送风量偏小。建议减小主风道内挡板高度，从而增大此处静压。
　　（3）在主风道内，风速从机组端到非机组端不断减小，主风道内静压不断增大，因此建议静压腔挡板上的开口应随主风道内静压的增大而减小，实现向静压腔内均匀送风的目的。
　　参考文献：
　　[1]张登春，翁培奋.载人列车车厢内空气流场温度场数值模拟[J].计算力学学报，2007，24（6）：904-910.
　　[2]刘志永，尹海国.基于乘客热舒适性的空调列车软卧包厢送风气流组织优化研究[J].铁道学报，2017，39（12）：50-57.
　　[3]刘春郑.动车组空调通风系统送风卫生状况调查[J].商品与质量，2015（49）：24.
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