跨座式单轨空调风道流场数值分析

孟玉海 孙亮

中铁轨道交通装备有限公司研究院，中国·江苏 南京 210000

跨座式单轨；空调风道；数值分析；出风均匀性

1 引言

跨座式单轨交通系统技术成熟，车辆技术性能优越，在运行噪声、爬坡能力、转弯半径、线路造型及工程投资等方面均具有显著优势，不仅适应重庆山水城市的地形特点，在其他城市也具有十分广阔的推广和应用前景[1-2]。重庆在中国最早运行跨座式单轨，随后，其它很多城市计划或已经开通运行，如正在建设的芜湖庞巴迪单轨，已经开通的银川花博园单轨，拟规划的安徽蚌埠、四川广安、广州汕头和安徽淮南等城市。

空调系统是轨道交通车辆重要的系统之一，其作用是将空调机组处理过的空气经风道送入车内。风道的功能将直接影响送风的均匀性，从而影响乘客的舒适性，因此，有必要对风道送风均匀性进行数值研究。

中国各主机厂和相关学者对风道送风均匀性进行了研究，形成了一定的方法和结论。龙静等[3]对地铁车辆空调系统送风风道进行了分析，并总结了不同类型的风道使用是具有一定条件，如准静压送风风道比较适合车顶较大的车辆，要尽可能增大主风道截面积，同时要尽可能减小支风道送风风速；圆管组合式软风道安装比较灵活，适应较多车辆，但送风阻力需要详细计算和试验；条缝式静压风道尺寸小，结构比较简单，比较容易达到送风均匀。戚新秋[4]等选取了3 种不同角度送风风道进行理论和实验研究，并得出以综合指标（送风压降和均匀性指标）评价送风风道热力性能，结果是60°的变截面风道综合指标最佳。肖婷[5]等进行了变截面风管进行了研究，认为变截面风管在一定程度上保证管内气流分布均匀并保持条形风口的静压相等，但受管内流速限制。

以上研究包含了各种截面均匀送风风道，基本可应用于轨道各车型的车辆，但对跨座式单轨风道的运用还没有经验。由于跨座式单轨运行在山区，隧道，楼房间的环境下，受限界要求以及轨道梁截面尺寸，进一步限制了车体外轮廓，限制了空调机组、风道的尺寸和布置。论文将变截面风道静压送风方案用于新设计的跨座式单轨中，合理布置空调机组和风道。

2 计算模型

2.1 简化物理模型

空调机组将处理过的空气分别送入车体对称布置的4 个支风道，再经由风道底部若干个孔口将空气均匀输送到客室内，通过CFD 计算得出1/4 风道出风口质量流量，出风风速，评价出风均匀性。

根据车体结构，建立1/4 风道模型。由于风道形状较为简单，按照实际建立模型，去除风道工艺铆钉和支架，忽略工艺影响，减少计算时间。风道模型出口标识为out1-out16，如图1所示。截面取风道出风口几何中心位置，如图2所示。

图1 1/4 风道模型

图2 截面

2.2 边界条件和数学模型

由于风道内空气流动属于紊流运动，采用标准k-ε 双方程模型和SIMPLE 算法进行模拟。

采用速度入口边界条件，方向垂直于入口边界面（送风风量为5000m3/h）和压力出口边界条件（大气压力），壁面处为无滑移边界条件，风道壁面粗糙度0.15mm。

计算中对风道内的空气进行如下假设：

（1）流动为低速、常温下的不可压缩流体流动。

（2）密度符合Boussinesq 假设。

（3）流体流动为充分发展的的三维稳态紊流流动。

北京市委农工委书记、市农委主任孙文锴也表示，通过举办此次活动，增强了首都人民对吉林的了解，丰富了北京的“米袋子 ”“ 菜 篮 子 ”“ 肉 铺 子 ”“ 果 盘子”，促进了北京与吉林的贸易流通合作，实现供需互惠双赢。两地政府部门、农业企业、民间组织的全面交流也将推动两地农业发展再上新台阶。

（4）风道采用隔热材料，忽略外部热源的影响。

在此基础上建立其满足质量守恒、动量守恒、能量方程等在内的一套封闭方程组，其通用形式为：

式中：φ 为通用变量；Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项；ρ 为空气密度；ν 为速度矢量；t 为时间[6-10]。

风道离散后模型如图3所示，网格质量Orthogonal Quality=0.363。

图3 数学模型

3 计算结果及分析

根据云图可以看出，入口段风速较高，最高风速12m/s，动压较高。出口4 向后风道内静压较均匀，风速逐渐降低，出风量逐渐均匀。送风过程中，风道内部两个截面都产生回流现象，而且产生回流的位置也不相同，但都靠近送风前端区域，这是由风道结构所决定的。风道布置在机组两侧，送风沿纵向往车体两端送风，必然需要风向“转弯”，此过程增加内部导流板，在风速突变时减少局部阻力系数，减少回流。

回流会阻碍送风，也会损失一部风能量，进而不同位置出风口的风量和风速也不相同，但送风是连续的，在满足长度方向上静压相等时尽可能改善风道内部回流现象。

图4 速度云图140

图5 静压云图140

图6 速度云图320

图7 静压云图320

由于风道内部不同截面静压是不相同的，为了减少不同出风口风量的差值，在采用主送风道变截面时，改变不同出风口的面积。经过计算比较，得出比较优的出风量和速度，各出风口平均风速为3.5m/s，基本符合舒适度要求。风道出口风速如表1所示。

表1 出口风速

4 出风均匀性评价

根据有限元计算得出各出口质量流量，入口质量流量为0.421kg/s，出口质量流量如表2所示。通过生成的质量流量坐标图，可以看出出口3 质量流量较低，这是由于出口3 和出口1 分别位于出口2 左、右两侧，而出口1 近似于一个静压腔，出风较理想，而出口3 的风道截面平均风速较高，出口静压很低，出风量就很少，出风口2 在送风口斜下方，且位于导流板处，正压出风，出风量取决于开孔面积。

其余出口出风质量流量偏差在0.001kg/s，是比较理想的状态。

出口16 为风道端部进入司控台区域，而且占比为1.6%，忽略不计。

表2 出口质量流量

图8 出口质量流量坐标图

5 结论

通过以上数值计算和分析，可以总结如下结论：

（1）风道出风口不均匀系数为9.5%，小于10%，趋于均匀.

（2）风道出口平均风速为3.5m/s，处于比较低的水平。

（3）在出风“转弯”处增加多块导流板可以降低局部阻力系数，噪音也会降低；“转弯”大小取决于车体内部空间，尽可能利用。