于會(huì)龍

摘要：旨在研究地鐵車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)道的送風(fēng)均勻性，以某地鐵車(chē)輛為研究對(duì)象，在CFD軟件中建立三維流場(chǎng)模型進(jìn)行計(jì)算，并利用各段出風(fēng)口質(zhì)量流量與平均值相對(duì)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)評(píng)價(jià)風(fēng)道的送風(fēng)均勻性，分析造成氣流不均勻的原因，并對(duì)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)優(yōu)化前后的模擬仿真，結(jié)果表明優(yōu)化過(guò)后氣流更加均勻，為以后地鐵車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)輛；風(fēng)道；氣流組織；均勻性

1引言

良好的空調(diào)氣流組織對(duì)于室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性相當(dāng)重要。實(shí)現(xiàn)良好的氣流組織，前提是要保證空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)道的送風(fēng)均勻性，即空調(diào)各送風(fēng)口送風(fēng)均勻。倘若風(fēng)道送風(fēng)均勻性不好，就會(huì)導(dǎo)致車(chē)廂內(nèi)氣流組織不均勻，進(jìn)而造成車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布不均勻，影響車(chē)輛的舒適性和能源消耗。所以，實(shí)現(xiàn)送風(fēng)風(fēng)道均勻性非常重要，也是保證充分利用空調(diào)機(jī)組產(chǎn)生的冷量、充分發(fā)揮空調(diào)的制冷或者制熱作用、保證新風(fēng)的利用率、提高乘客舒適性的重要條件。

2地鐵車(chē)輛數(shù)值模型

2.1物理模型

以某地鐵車(chē)輛為研究對(duì)象?？紤]到該車(chē)風(fēng)道在結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)，整個(gè)風(fēng)道沿列車(chē)橫向?qū)ΨQ(chēng)并且沿列車(chē)縱向分為4段相同的風(fēng)道，因此建立其中一段完整的風(fēng)道三維模型作為研究對(duì)象。對(duì)車(chē)輛的風(fēng)道三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)，以最大化地保留原結(jié)構(gòu)，不影響整體氣流分配為基本原則，刪除掉了細(xì)小部件（如螺栓、法蘭等），同時(shí)僅保留模型的最內(nèi)層表面用于流體計(jì)算。其簡(jiǎn)化模型如圖1所示，風(fēng)道出風(fēng)口從左至右順次命名為k1-k28。

2.2數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題作如下假設(shè)：車(chē)室內(nèi)空氣流動(dòng)為三維、定常、不可壓縮流動(dòng)，描述空氣流動(dòng)的控制方程包括連續(xù)性方程、RANS方程以及湍流模型方程?？諝饷芏炔蛔?，不考慮空氣的溫度變化，風(fēng)道壁面設(shè)為絕熱。

2.3邊界條件和評(píng)價(jià)方法

車(chē)廂內(nèi)空調(diào)送風(fēng)采用速度人口邊界條件。單臺(tái)空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)流量為5000m3/h考慮到計(jì)算模型為1/2，故計(jì)算時(shí)一臺(tái)機(jī)組風(fēng)量視為2500m3/h，每段風(fēng)道風(fēng)量為1250m3，h1，根據(jù)送風(fēng)道入口的面積計(jì)算出送風(fēng)速度為3.41m/s。

客室各出風(fēng)口的風(fēng)量示數(shù)組成集合，計(jì)算各段送風(fēng)量與平均值相對(duì)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差。較大的標(biāo)準(zhǔn)差，代表該集合中各數(shù)值與平均值差異較大；較小的標(biāo)準(zhǔn)差，反映各數(shù)值較為接近平均值；標(biāo)準(zhǔn)差反映各數(shù)值在平均值上下分布的均勻程度。

3結(jié)果分析

通過(guò)CFD軟件對(duì)風(fēng)道原始模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果如圖2：

圖2自上一下分別為28個(gè)出風(fēng)口速度云圖，從圖中來(lái)看，低風(fēng)道遠(yuǎn)離機(jī)組側(cè)出口k2-k8區(qū)域出風(fēng)口處流速較大，低風(fēng)道出口k1、出口k9-k14區(qū)域出風(fēng)口處流速較小，出口速度接近0m/s；高風(fēng)道出風(fēng)口k15-k27處流速較為均勻；在高、低風(fēng)道內(nèi)所有長(zhǎng)圓孔邊界均發(fā)生了回流，且靠近機(jī)組出風(fēng)口處回流現(xiàn)象明顯。低風(fēng)道k9-k14區(qū)域在氣流由分配箱風(fēng)道進(jìn)入低風(fēng)道入口處端，氣流速度較大且中間風(fēng)道沒(méi)有任何擾流措施，導(dǎo)致氣流直接向風(fēng)道中部匯集，沒(méi)有通過(guò)靜壓隔板到達(dá)靜壓腔內(nèi)，故該區(qū)域流量值很小；k2-k8區(qū)域處于低風(fēng)道中、末端，氣流通過(guò)靜壓隔板到達(dá)靜壓腔內(nèi)，因此該區(qū)域流量值偏大。整體來(lái)看，低風(fēng)道送風(fēng)口均勻性不好，高風(fēng)道送風(fēng)口均勻性較好，但送風(fēng)口的整體均勻性水平不佳，整體風(fēng)道出風(fēng)口質(zhì)量流量與平均值相對(duì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.72。

4結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)低風(fēng)道靠近機(jī)組端出風(fēng)口無(wú)送風(fēng)的現(xiàn)象，通過(guò)在風(fēng)道中部增加擾流板來(lái)解決，通過(guò)在靜壓腔內(nèi)增加隔板來(lái)解決風(fēng)進(jìn)入靜壓腔后向遠(yuǎn)離機(jī)組端推送的現(xiàn)象，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整靜壓腔入口的位置及數(shù)量，起到風(fēng)量均勻性的調(diào)節(jié)。針對(duì)高風(fēng)道機(jī)組端出風(fēng)口風(fēng)量較大的現(xiàn)象，對(duì)風(fēng)道內(nèi)的擾流板增加開(kāi)孔，通過(guò)增大孔隙率來(lái)減小進(jìn)機(jī)組端的風(fēng)阻，并且調(diào)整部分靜壓隔板開(kāi)孔的位置及數(shù)量，達(dá)到風(fēng)量均勻性的調(diào)節(jié)。

通過(guò)CFD軟件對(duì)風(fēng)道優(yōu)化后的模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果如圖3：

由圖3可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，低風(fēng)道整體流量值、流速值趨向均勻，高風(fēng)道近機(jī)組端流量值、流速值降低，高、低風(fēng)道分段流量值、流速值較為均勻。各段風(fēng)道整體送風(fēng)均勻性均得到提高，風(fēng)道各段送風(fēng)質(zhì)量流量與平均值相對(duì)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.33，相比原始結(jié)構(gòu)各段送風(fēng)質(zhì)量流量與平均值相對(duì)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差0.72有了明顯的優(yōu)化效果。各個(gè)出風(fēng)口的出流不均勻性明顯降低，出風(fēng)更加均勻，提高乘客的舒適感，并且達(dá)到節(jié)能的目的。

5結(jié)論

本文采用CFD仿真分析方法對(duì)地鐵車(chē)輛送風(fēng)風(fēng)道的送風(fēng)均勻性進(jìn)行論仿真分析，驗(yàn)證了調(diào)整風(fēng)道內(nèi)部擾流板及孔板參數(shù)對(duì)風(fēng)道均勻送風(fēng)的作用，采用該方法對(duì)風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化達(dá)到均勻送風(fēng)的目的。風(fēng)道各段送風(fēng)質(zhì)量流量與平均值相對(duì)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差由0.72減小至現(xiàn)在的0.33。針對(duì)地鐵車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用CFD仿真計(jì)算的方法可在較短時(shí)間內(nèi)得到最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。