内燃动车组客室气流组织仿真分析

蒋 帆，刘智远，李时民

(1.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南 株洲 412000； 2.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

我国的轨道交通产业在技术创新及城市化发展[1]的推动下已进入发展的快车道，空调通风系统作为车辆的关键部件和乘客界面最直观的感受对象，需要在工程应用中不断优化提升。进行空调通风系统设计时应考虑热舒适性[2]、能耗和环保等多个方面，其中热舒适性相关的指标有温度、湿度、风速、噪声、压力及空气质量[3]等内容。利用计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics，简称CFD)[4-8]仿真软件进行客室气流组织模拟计算，能给空调硬座车、动车组、城际车、地铁及跨座式单轨车的暖通系统设计提供初始设计参考[9-12]，并结合PMV(预测平均热感觉) 和 PPD(预测不满意百分率) 指标进行优化[13]，基于仿真设计的优化通风系统结构可减少试验周期和调试返工的成本损耗。

现有研究中有关于利用内燃动车组柴油机对客室进行预热的试验分析[14]，但关于内燃动车组制冷效果的研究较少。由于内燃动车组有动力包排烟管、卫生间及行李架等部件的空间限制，客室局部区域易存在送风不均匀的情况。本文基于东南亚地区内燃动车组项目(Diesel Multiple Unit，简称DMU)的二等座客室流体域，通过建立等效数值仿真模型，对客室内速度场与温度场进行仿真分析。

2 物理及数值模型

2.1 物理模型

通过动车二等座客室的内装外壳模型建立流体计算域，客室流体区域长20.8 m，宽2.74 mm，高2.18 m。进入客室的气流通过沿车体中心线对称的内装格栅板作为送风口对客室送风，通过两侧行李架下方及顶部集中回风口进行回风。客室简化模型如图1所示。

图1 内燃动车组客室简化模型

客室定员80人，共布置16排座椅，行李架依车厢长度方向在座椅顶部布置。流体域不考虑客室端部的司机室和贯通道，并将其分为左右两块流体区域。由于座椅及行李架结构较为复杂，生成网格比较困难，建模时忽略螺栓连接等细节结构，只保留座椅及行李架的基本形状。

2.2 数值模型

通过对几何模型进行合理的简化后，可以实现以六面体为主、四面体为辅的计算网格的划分，进而对计算区域进行离散化处理。该节动车客室网格划分后的总体示意图如图2所示，网格总数约为789万。对座椅及送、回风口进行网格加密处理，局部图如图3所示。

图2 客室仿真模型网格示意图

图3 客室仿真模型网格局部图

2.3 计算模型及其边界条件设置

2.3.1 计算模型

用数值模拟法对客室内气流进行模拟，首先根据流体的流动性质选用合适的湍流模型、离散方程并给定初始边界条件，最后进行计算。本文选用标准的k-ε湍流模型求解雷诺时均方程，并运用基于有限体积法的商用计算流体动力学软件进行仿真计算。

2.3.2 模型边界条件设置

该DMU项目为东南亚地区使用的内燃动车组，仅需要考虑室外308 K时的制冷工况。客室流场仿真计算的入口采用速度入口边界条件，客室仿真模型送风口总面积为1.509 m2，流量为7 900 m3/h，计算得入口速度为1.454 m/s。因客室送风为格栅送风形式，通过分解入口速度来将送风角度设置为60°，同时设置入口送风温度为288 K。此外客室回风口及废排口均设置为压力出口，出口压力值设置为0 Pa。

因需要为卫生间内提供冷却风，并通过排风机抽走，所以卫生间需要设置入口及出口，并将卫生间与客室通风格栅设置为内部面。因卫生间送风量与排风量确定，所以送风口与排风口均设置为速度入口，送风口(顶部)与排风口(底部)面积均为0.01 m2，送风与排风流量分别为100 m3/h与150 m3/h，从而送风口与排风口速度入口设置分别为：2.778 m/s与-4.167 m/s。

2.3.3 计算求解

模型采用稳态计算求解，结合前期仿真经验，连续性方程的残差设置为10-7，能量守恒方程的残差设置为10-6，其他残差设置为10-3。由于客室建模时的网格划分较密和规整，监控到2 500步之后，入口面压力及各出口面的流量监测结果基本稳定。

3 客室仿真结果

3.1 空载工况

本节仿真计算背景为：客室入口流量为7 900 m3/h时，客室入口速度1.282 m/s，入口温度为288 K，室外温度为308 K，不考虑客室内人体散热的影响。

从图4、图5中可以看出客室内气流组织比较均匀，同时卫生间与客室气流交换较好，但是2个座椅区底部冷气流相对较少。

图6～8分别给出了客室内3个不同截面处的温度云图，分别对应座椅侧、内部过道以及卫生间位置处，对比可得，动力包附近的座椅区底部的温度较高。根据图8，行李架上方区域温度较高，且均匀性较差，因此处冷气流受到行李架阻挡，较难为此区域降温。

基于现有研究报告[15]及标准UIC553，设置3个水平截面的温度云图，图9～11分别对应人体脚踝、坐姿人体头部以及站姿人体头部所在截面[16]，上述截面温度均匀性均较好，总体上温度满足295 K的设计温度要求。

图4 客室内速度流线图(空载)

图5 客室内速度矢量图(空载，左图座椅区Z=15 m，右图卫生间Z=18 m)

图6 温度云图(空载，X=3.7 m处截面，座椅侧)

图7 温度云图(空载，X=4.46 m处截面，内部过道)

图8 温度云图(空载，X=5.5 m处截面，卫生间侧)

图9 温度云图(空载，Y=3.34 m处截面，0.2 m脚踝)

图10 温度云图(空载，Y=4.34 m处截面，1.2 m坐姿头部)

图11 温度云图(空载，Y=4.94 m处截面，1.8 m站姿头部)

3.2 定员工况

本节仿真计算背景为：客室入口流量为7 900 m3/h时，客室入口速度为1.282 m/s，客室入口温度为288 K，室外温度为308 K，且考虑客室内人体散热的影响。

因为客室区域内乘客的主要活动区域为2块座椅区域，基于动车组运用环境将人均排放热量设置为116 W/人，设定人的2个活动区域(区域一24.331 m3，区域二23.416 m3)，其热能密度分别为190.703 W/m3与198.155 W/m3。

从图12～13中可以看出定员下客室内气流组织分布与空载情况相似，流线及矢量图比较均匀，且卫生间与客室气流交换较好。

从图14～16三个特征截面可以看出座椅区域的温度较高，局部温度略高于295 K。内部过道所在平面内温度均匀性相对较差，需要采取措施改善动力包附近的气流组织，以提升客室内温度均匀性。

图12 客室内速度流线图(定员)

图13 客室内速度矢量图(定员，左图座椅区Z=15 m，右图卫生间Z=18 m)

图14 温度云图(定员，X=3.7 m处截面，座椅侧)

图15 温度云图(定员，X=4.46 m处截面，内部过道)

图16 温度云图(定员，X=5.5 m处截面，卫生间侧)

图17～19分别给出了定员情况下3个人体特征截面的温度云图，较空载情况相比，温度分布更加不均匀，其中，坐姿截面整体温度高于295 K。

图17 温度云图(定员，Y=3.34 m处截面，0.2 m脚踝)

图18 温度云图(定员，Y=4.34 m处截面，1.2 m坐姿头部)

图19 温度云图(定员，Y=4.94 m处截面，1.8 m站姿头部)

4 结语

本文对东南亚内燃动车组客室气流组织进行了仿真分析，结果表明：人员负荷为空载AW0时，格栅送风、侧部及集中回风的形式客室内气流组织较好，温度均匀性较高，客室温度满足设计要求；当客室人员负荷达到定员AW2时，动力包附近的座椅区温度略高于295 K的设计温度要求，需要对动力包与客室交接面上采取隔热处理，仿真动力包热量传入客室影响客室温度均匀性，后续应继续将通过试验验证。通过一系列措施，优化客室空调通风系统送风，提升客室温度均匀性，提高了乘客的舒适感。