城际轨道交通车辆空调通风系统的数值仿真研究

王维斌 刘韶庆 陈大伟 林 鹏 雷银霞

城际轨道交通车辆空调通风系统的数值仿真研究

王维斌 刘韶庆 陈大伟 林 鹏 雷银霞

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，266111，青岛∥第一作者，工程师）

基于某型号城际轨道交通车辆头车建立客室及空调通风系统风道的三维几何模型，采用多面体网格离散计算域和流量进出口边界，将SIMPLE算法与Realizable k-ε湍流模型相结合，进行送风道的仿真优化及试验验证，以完成客室空间三维全流场仿真计算。研究表明，合适开孔率的孔板通过调节孔板位置对调节送风均匀性效果显著。通过对客室空间气流组织分布以及典型截面压力场和温度场的仿真分析表明，头车客室空间内的流场及温度场分布整体较均匀，满足工程设计要求。

城际轨道交通车辆；空调通风系统；数值仿真

城际轨道交通车辆（以下简为城际车辆）客室空间存在多个送风口、回风口以及废排风口，整个客室空间气流组织及温度场分布较为复杂。其空调通风系统的风道管路复杂，各处的流动阻力不同［1］，各送风口的送风量存在差别，而回风性能、废排性能在设计阶段也较难掌控。

城际车辆空调通风系统风道设计的一个重要目标就是在降低风道阻力的基础上，提高各个送风口的送风均匀性。随着流体仿真技术的日益成熟，可在风道初步设计阶段通过仿真手段研究合理的孔板开口率及孔板位置，通过试验在风道内增加孔板结构的方式调节送风均匀性［2］，能较大地缩短研发周期，降低研发成本。

基于某型号城际车辆，进行送风道的仿真优化及试验验证，建立包括送风道、回风道、废排风道及司机室、客室空间在内的三维全流场几何模型，完成客室空间及典型截面的速度场、压力场、温度场的仿真分析。

1 几何模型及网格模型

城际车辆客室空间空调通风系统仿真分析采用三维全流场几何模型。为真实反映空调通风系统的流场特征，几何模型在构建过程中对司机室送风管、回风口挡板、送风道导流板、送风道孔板、废排风道导流板、送风及回风风道等细节特征进行了保留［3-4］，对客室外围区域、门、窗、座椅等对流场特性影响不大的部件进行了近似简化处理。

采用多面体网格进行整个客室空间计算域的空间离散。在网格划分过程中，对司机室送风管、回风口挡板、废排风道导流板、孔板、送风道和回风风道等几何尺寸较小、对流动特性影响较大的结构进行网格加密处理［5-6］，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。头车计算域最终多面体网格数量约500万，如图1所示。

2 数值算法及边界条件

图1 头车全流场计算域网格模型

客室空间内流场为三维黏性定常的不可压缩湍流流场，采用Realizable k-ε湍流模型。

控制方程方面，与空间相关的扩散项均采用二阶中心差分格式离散，对流项采用二阶迎风格式离散。

采用SIMPLE算法实现速度与压力之间的耦合，采用分离式隐式方案求解三维时均雷诺N-S方程。

客室空间全流场计算域进口采用质量进口边界，计算域回风口及废排风口采用质量出口边界，可以保证计算域的空气流量与设计值一致。

3 送风道优化

图2为头车送风道优化前各个送风口气流速度分布，可以看出，空调机组送风口附近区域的送风量明显较少，而空调送风口中间区域的送风量明显较大，整体送风均匀性较差。

图2 送风道优化前风速分布

孔板开孔率及在风道内的相对位置是影响送风均匀性的重要因素。通过对其进行仿真优化，最终优化方案的孔板风道内的压力场分布如图3所示。可以看出，主送风道空调送风口附近为高压区，而静压箱两侧送风道的压力分布在孔板的调节作用下整体比较均匀，保证了送风的均匀性。

图3 孔板送风道压力场分布

图4为头车送风道优化前后出风口风速分布的对比。可以看出，优化后风速差异得到很大改善，整体风速分布较均匀，前几个风速变化波动较大的送风口是司机室送风口。通过后期的试验验证，优化方案的送风均匀性满足工程应用的要求。

图4 头车送风道优化前后出风口风速分布

4 客室仿真分析

4.1 气流组织分布

从图5所示头车客室空间气流组织分布来看，空调气流进入客室中间送风道之后，从中间主送风道两侧送风口向客室送风，其中一部分通过中间风道向司机室送风。客室从客室两侧回风道回风，从客室下方两个废排风道向外排风。整个客室气流组织分布比较均匀，很少出现气流死区，可以保证风道送风均匀性和气流组织空间分布的均匀性。

图5 头车客室气流组织分布

4.2 压力场

图6为头车纵向中心截面上的总压力分布云图。可以看出，整个客室空间内的压力分布比较均匀，压力梯度较小，客室内为微正压。送风道内的正压分布较高，回风道内负压整体最高，可以保证客室内气流在压力差驱动下流动。

图6 头车纵向中心截面的总压力分布

4.3 温度场

图7~9为制冷工况下，距车内地板高度分别为0.5 m、1.2 m、1.7 m处截面的温度场分布。可以看出，随着高度的增加，温度分布的均匀性越来越好，在1.2 m及1.7 m处截面的平均温度在25℃左右，而且分布较均匀。

图10~12为制热工况下，距车内地板高度分

图7 制冷工况下，距车内地板高度为0.5 m处截面的温度场分布

图8 制冷工况下，距车内地板高度为1.2 m处截面的温度场分布

图9 制冷工况下，距车内地板高度为1.7 m处截面的温度场分布

图10 制热工况下，距车内地板高度为0.5 m处截面的温度场分布

图11 制热工况下，距车内地板高度为1.2 m处截面的温度场分布

图12 制热工况下，距车内地板高度为1.7 m处截面的温度场分布

别为0.5 m、1.2 m、1.7 m处截面的温度场分布。可以看出，随着高度的增加，截面平均温度逐渐升高。在1.2 m及1.7 m处截面的平均温度在21℃左右，而且分布较均匀。

5 结语

通过对某城际车辆头车空调通风系统送风道的仿真优化可以看出，在送风道合理位置放置合适开孔率的孔板对调节送风均匀性具有重要作用。通过对客室空间气流组织分布和典型截面的压力场、温度场进行的仿真分析，可以看出，头车客室气流组织分布比较均匀、压力梯度较小、气流死区较少，在制冷及制热工况下，头车客室空间内的温度分布整体较均匀、温差较小，满足工程设计要求。

［1］ 邓建强，靳谊勇，张早校，等.空调客车内风道三维湍流流动特性数值研究［J］.制冷学报，2001，40（1）：30

［2］ 刘杰，李人宪，陈琳，等.高速列车空调系统及车内流场分析［J］.西南交通大学学报，2012，47（1）：127

［3］ 杨晚生，张吉光，张艳梅.静压式空调送风道送风均匀性研究［J］.铁道运输与经济，2005，27（1）：79

［4］ 史自强，卢纪富，靳谊勇，等.空调列车室内气流组织的三维数值模拟［J］.河南科技大学学报（自然科学版），2004，25（3）：70

［5］ 陈焕新，黄素逸，张登春.空调列车室内三维紊流流动与传热的维数值模拟［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2002，30（3）：52

［6］ 邓建强，冯诗愚，张早校，等.铁路空调客车内流场、温度场的数值模拟和实验研究［J］.暖通空调，2005，35（6）：20.

Numerical Simulation of Air Conditioning and Ventilation System for Inter-city Train

WANG Weibin，LIU Shaoqing，CHEN Dawei，LIN Peng，LEI Yinxia

A 3D geometrical model of air duct for the air conditioning and ventilation system in passenger compartment is established based on the first car of an inter-city train.Polyhedral mesh elements are used to discrete the computational domain and the boundary of inlet and outlet flows.Then，SIMPLE algorithm is combined with Realizable k-ε turbulent model to carry out simulation optimization and experimental verification,and finally to complete numerical calculation of the 3D internal flow in the passenger compartment.The research results are of important significance for the optimal design of train air supply duct，and a simulation of the pressure field and temperature field in the typical section shows that the velocity and temperature distribution in passenger compartment can meet the engineering design requirements.

inter-city rail transit train；HVAC；numerical simulation

U270.383

10.16037/j.1007-869x.2017.11.006

Author′s address CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，266111，Qingdao，China

2016-03-04）