宋曉峰， 黃學(xué)章

(中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410083)

車(chē)內(nèi)熱舒適性是客車(chē)舒適性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一，主要包括氣流組織和溫度分布兩個(gè)方面。氣流組織主要是使車(chē)內(nèi)空氣的溫度、濕度、流速等指標(biāo)符合人體的舒適性要求，其優(yōu)劣也將直接影響車(chē)內(nèi)溫度分布的均勻度[1-3]。

針對(duì)車(chē)內(nèi)氣流組織，國(guó)外研究人員通過(guò)等比例縮小汽車(chē)模型進(jìn)行仿真分析、試驗(yàn)以及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了送風(fēng)口速度、位置、回風(fēng)口布置形式等因素對(duì)車(chē)內(nèi)氣流組織和熱舒適性的影響[4-5]。國(guó)內(nèi)的研究主要集中在運(yùn)用CFD技術(shù)分析空調(diào)送風(fēng)量，送風(fēng)口數(shù)量、位置以及不同送風(fēng)角度等對(duì)車(chē)內(nèi)流場(chǎng)溫度場(chǎng)分布規(guī)律的影響，并依據(jù)仿真結(jié)果對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)提出相應(yīng)的優(yōu)化方案[6-9]。風(fēng)道出風(fēng)口射流狀態(tài)對(duì)流場(chǎng)影響的研究則幾乎沒(méi)有。

對(duì)此，本文提出一種通過(guò)在風(fēng)道出風(fēng)口處增設(shè)整流擋板來(lái)改善出風(fēng)口射流狀態(tài)進(jìn)而優(yōu)化車(chē)內(nèi)氣流組織的方案，并對(duì)其高度對(duì)車(chē)內(nèi)流場(chǎng)的影響規(guī)律進(jìn)行深入分析。

1 模型的建立與驗(yàn)證

1.1 物理模型

研究對(duì)象為某48座空調(diào)客車(chē)，左右對(duì)稱(chēng)布置11排乘客座椅，前端駕駛區(qū)設(shè)有駕駛員座椅，乘客門(mén)側(cè)設(shè)有導(dǎo)游座椅。車(chē)內(nèi)幾何參數(shù)為：長(zhǎng)10.17 m，寬2.35 m，高2.68 m?？照{(diào)系統(tǒng)采用頂部?jī)蓚?cè)進(jìn)風(fēng)、中部回風(fēng)的布置形式，風(fēng)道上對(duì)應(yīng)每排座椅處都設(shè)有上、中、下3個(gè)出風(fēng)口(靠近走廊的出風(fēng)口定義為上出風(fēng)口)。由于客車(chē)在橫向方向具有較強(qiáng)的對(duì)稱(chēng)性，取該車(chē)內(nèi)左側(cè)作為研究對(duì)象，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化?？蛙?chē)車(chē)內(nèi)模型如圖1所示，定義客車(chē)長(zhǎng)度方向?yàn)榭v向，寬度方向?yàn)闄M向。

圖1 客車(chē)車(chē)內(nèi)幾何模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

空調(diào)客車(chē)車(chē)內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)屬于典型的湍流運(yùn)動(dòng)，已有相關(guān)研究表明，采用k-ε湍流模型對(duì)車(chē)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬與實(shí)際工況能夠較好的吻合[10]。因此，本文采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程(k方程)、湍動(dòng)能耗散方程(ε方程)構(gòu)成封閉的方程組，對(duì)車(chē)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。其通用形式[11]為：

(1)

式中各參數(shù)取值及含義見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11]。

1.3 邊界條件

客車(chē)空調(diào)系統(tǒng)氣流入口采用速度入口邊界條件。出口采用壓力出口邊界條件。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，設(shè)定入口流速大小為1.5 m/s，出口壓強(qiáng)為-25 Pa。

1.4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，基于上述計(jì)算模型和邊界條件進(jìn)行仿真計(jì)算，將計(jì)算所得的風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速與實(shí)際用風(fēng)速儀測(cè)試所得的(測(cè)量3次求平均值)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，風(fēng)道出風(fēng)口速度呈現(xiàn)出風(fēng)道前部誤差小、后部誤差隨離頂部進(jìn)風(fēng)口距離增加而增大的趨勢(shì)。這是由于實(shí)車(chē)風(fēng)道內(nèi)后部布置有從頂部進(jìn)風(fēng)口下來(lái)的空調(diào)蒸發(fā)器的冷媒媒管，對(duì)風(fēng)道內(nèi)的流場(chǎng)造成了一定的影響，而在建模過(guò)程中忽略了此影響，引起誤差的增大。出風(fēng)口速度的測(cè)試數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)誤差在8%以?xún)?nèi)，且變化規(guī)律一致，證明該仿真模型合理可靠，其他的因素分析可基于該模型進(jìn)行。

表1 風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速對(duì)比表

2 風(fēng)道出風(fēng)口整流擋板結(jié)構(gòu)的提出

由原結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果可見(jiàn)，風(fēng)道出風(fēng)口所對(duì)應(yīng)的車(chē)內(nèi)縱截面上流場(chǎng)分布紊亂，水平截面與橫截面上的速度梯度變化較大，在座椅區(qū)域流速已趨于0。圖2為車(chē)內(nèi)不同截面速度分布云圖，顯示車(chē)內(nèi)氣流組織不理想，存在較大改善空間。究其原因，是由于風(fēng)道出風(fēng)口處風(fēng)速存在較大的縱向分速度，不同風(fēng)口噴出的射流存在嚴(yán)重的交互影響，雖然這在一定程度上會(huì)增加車(chē)內(nèi)流場(chǎng)的湍流度，有利于冷熱氣流混合，但車(chē)內(nèi)橫截面方向上的分速度被嚴(yán)重削弱，并且會(huì)導(dǎo)致車(chē)內(nèi)流場(chǎng)出現(xiàn)大量流動(dòng)“壞區(qū)”甚至“死區(qū)”。就整體而言，對(duì)車(chē)內(nèi)的氣流組織是不利的。為了減小風(fēng)道出風(fēng)口射流的縱向分速度，本文提出一種在風(fēng)道出風(fēng)口處增設(shè)整流擋板的方案，整流擋板結(jié)構(gòu)及裝配如圖3所示。

取上、中、下列整流擋板高度分別為30 mm、45 mm、45 mm建立模型，以上述邊界條件進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。與圖2對(duì)比可見(jiàn)，風(fēng)道出風(fēng)口增加整流擋板后，風(fēng)道出風(fēng)口處風(fēng)速的縱向分速度和車(chē)內(nèi)縱、橫截面上的流場(chǎng)均勻性得到明顯改善，說(shuō)明通過(guò)增加整流擋板來(lái)改善車(chē)內(nèi)流場(chǎng)的方案是可行的。

(a) 出風(fēng)口處縱截面(b) 距地板1.4 m處水平截面(c) 乘客區(qū)橫截面

圖2 車(chē)內(nèi)不同位置速度分布云圖

圖3 整流擋板結(jié)構(gòu)及裝配圖

整流擋板置于風(fēng)道內(nèi)部，對(duì)風(fēng)道內(nèi)流場(chǎng)具有擾亂作用。如果設(shè)計(jì)過(guò)高可能引起局部出風(fēng)口風(fēng)速不達(dá)標(biāo)，過(guò)低又不能有效降低風(fēng)道出風(fēng)口處的縱向分速度，起不到作用。因此取整流擋板高度下限為10 mm，上限為所對(duì)應(yīng)風(fēng)道處高度的1/3作為研究范圍。由于不同的整流擋板高度對(duì)車(chē)內(nèi)流場(chǎng)的影響不盡相同，現(xiàn)將影響風(fēng)道出風(fēng)口處風(fēng)速的整流擋板高度歸納為上、中、下3列高度，即每列出風(fēng)口的整流擋板高度一致。

(a) 出風(fēng)口處縱截面(b) 距地板1.4 m處水平截面(c) 乘客區(qū)橫截面

圖4 車(chē)內(nèi)不同位置速度分布云圖

3 擋板高度的影響分析及優(yōu)化

針對(duì)影響風(fēng)道出風(fēng)口射流速度的3個(gè)參數(shù)：上、中、下列整流擋板的高度，在其他參數(shù)不變的情況下，研究單一參數(shù)對(duì)風(fēng)道出風(fēng)口射流速度的影響規(guī)律。以風(fēng)道出風(fēng)口處速度方差及縱向分速度方差作為評(píng)判風(fēng)速均勻度和消除縱向分速度效果的標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

(2)

設(shè)定三因素中的一個(gè)因素為可變值，另兩個(gè)因素為固定值，對(duì)上、中、下列整流擋板的高度進(jìn)行取值組合，通過(guò)對(duì)19組結(jié)構(gòu)(見(jiàn)表2)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到上、中、下3列整流擋板高度對(duì)風(fēng)道出風(fēng)口射流速度的影響規(guī)律，如圖5所示。

3.1 上列整流擋板對(duì)出風(fēng)口射流速度的影響

從圖5可以看出，隨著上列整流擋板高度的增加，風(fēng)道出風(fēng)口處的縱向分速度逐漸減小；消減作用在10～40 mm之間效果明顯，40～50 mm之間顯著性變差。這是由于整流擋板形狀類(lèi)似于矩形管，內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)自由度是唯一的，即整流擋板高度方向，故其具有整流作用，且隨著高度增加效果越好，當(dāng)內(nèi)部流體流向趨于一致時(shí)，效果逐漸減弱。風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速均勻度隨上列整流擋板高度的增加而增加，并逐漸趨于穩(wěn)定，在高度為[40 mm, 50 mm]之間穩(wěn)定在0.175 m/s左右。綜合分析可得，在研究范圍內(nèi)，上列整流擋板高度的增加對(duì)消除風(fēng)道出風(fēng)口縱向分速度、提高風(fēng)速均勻性都是有利的。

表2 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)取值表 mm

圖5 整流擋板對(duì)縱向分速度方差、速度方差的影響

3.2 中列整流擋板對(duì)出風(fēng)口射流速度的影響

從圖5可以看出，風(fēng)道出風(fēng)口處縱向分速度的變化規(guī)律類(lèi)似3.1中所述，隨中列整流擋板高度增加而遞減；風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速均勻度隨中列整流擋板高度的增加呈現(xiàn)出先降低后增加。故設(shè)計(jì)中列整流擋板時(shí)，在縱向分速度方差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下，高度的取值應(yīng)遠(yuǎn)離風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速均勻度最差的點(diǎn)。

3.3 下列整流擋板對(duì)出風(fēng)口射流速度的影響

從圖5可以看出，風(fēng)道出風(fēng)口處縱向分速度的變化規(guī)律同樣隨下列整流擋板高度增加而遞減，但風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速均勻度同上列風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速均勻度變化規(guī)律相反，表現(xiàn)為隨高度的增加而減小，故當(dāng)縱向分速度方差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求時(shí)，下列整流擋板高度的取值應(yīng)越小越好。

3.4 正交優(yōu)化

利用正交試驗(yàn)對(duì)上、中、下列整流擋板高度3個(gè)參數(shù)的4種水平進(jìn)行優(yōu)化分析。選擇正交表L16(45)進(jìn)行數(shù)值模擬[12]，優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)為風(fēng)道出風(fēng)口處的縱向分速度(分速度方差)和風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速均勻度(速度方差)。對(duì)正交仿真結(jié)果進(jìn)行直觀分析，得到的直觀分析表見(jiàn)表3。

表3 正交結(jié)果直觀分析表

表3中ki表示正交表中任一列上因素取水平i時(shí)所得試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值，表中R表示極差。

由表3可知，影響風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速縱向分速度方差的各因素重要順序?yàn)檎鲹醢迳狭懈叨?中列高度>下列高度；影響風(fēng)道出風(fēng)口處風(fēng)速的各因素重要順序?yàn)檎鲹醢逑铝懈叨?中列高度>上列高度。風(fēng)道出風(fēng)口處的縱向分速度和速度方差均越小越好，因此由各因素水平對(duì)應(yīng)的k值得到最優(yōu)設(shè)計(jì)組合為：風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速縱向分速度最小的搭配方案為整流擋板上列高度50 mm、中列高度80 mm、下列高度80 mm；風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速均勻度最優(yōu)的搭配方案為整流擋板上列高度50 mm、中列高度10 mm、下列高度10 mm。

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到的方差分析表見(jiàn)表4。

表4 正交結(jié)果方差分析表

由表4可知，上、中、下列整流擋板高度在0.01水平上對(duì)消除風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速的縱向分速度影響顯著，下列整流擋板高度在0.01水平上對(duì)風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速均勻性影響顯著。因此，要降低風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速的縱向分速度、提升風(fēng)速均勻度，在取值范圍內(nèi)要盡量提高下列整流擋板高度，根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮調(diào)整上、中列整流擋板的高度。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)增設(shè)風(fēng)道出風(fēng)口整流擋板前后的車(chē)內(nèi)氣流組織進(jìn)行分析研究，得出如下結(jié)果：風(fēng)道出風(fēng)口的縱向分速度隨整流擋板高度的增加而減?。怀鲲L(fēng)口風(fēng)速均勻度隨上列高度的增加而減小、中列高度的增加而先增加后減小、下列高度的增加而增加。