轨道列车开关门过程对客室温度影响的数值仿真研究

王维斌，陈大伟，姚拴宝，宋军浩

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 国家工程技术研究中心，山东 青岛 266111)

轨道列车客室空调通风系统对调节列车客室空间的温度场分布具有重要作用，作为列车客室环境调控的重要系统，对其研究也逐渐深入、细化[1]。随着计算流体动力学(CFD)及计算机技术的发展，数值仿真模拟方法逐渐成为轨道列车空调通风及客室内流场研究的新型手段，文献[2-6]通过数值仿真技术对不同车型的空调通风系统风道、客室内流场及温度场进行了数值仿真研究。

轨道列车到达车站后，在开关门过程中，客室内气流与环境气流产生热量交换，特别是在高寒、高热气候条件下，开关门过程会对客室内的温度场分布产生一定的影响。为了评估开关门过程对列车客室内温度变化的影响程度，本文基于某型号城际车，对夏季和冬季工况下车辆开关门过程中客室内的温度变化过程、客室内流场分布进行了仿真研究。

1 几何模型

图1所示为某城际车辆客室空间及空调通风系统的三维全流场几何模型。为真实反映城际车辆客室空调通风系统的流场特征，几何模型包括客室空间、送风道、回风道、废排风道、支风道、座椅、门窗等主要结构[7]，在模型构建过程中对风道内导流结构、挡板、风口、废排缝隙等细节特征进行了保留，对客室外围区域、座椅、门窗等对流场特性影响不大的部件进行了近似简化处理[8]。

图1 某城际车辆客室空间及空调通风系统几何模型

列车开关门过程仿真计算域如图2所示，包括图1所示的客室空间计算域、两侧车门区域对应的2个外界大气空间计算域，其中两侧车门区域为动网格区域，仿真过程中要实现开关门动作。一个完整开关门动作的总时长为60 s，其中开门时间为6 s，停顿时间为48 s，关门时间为6 s。

图2 列车开关门过程仿真计算域

2 仿真模型及动网格处理

图3为某城际车辆开关门过程仿真模型。采用多面体网格进行整个计算域的空间离散[9]，对送风道、回风道、废排风道、支风道、风道内导流结构、挡板、风口、废排缝隙等几何尺寸较小但是对流动特性影响较大的结构进行了网格加密处理，针对客室外围区域、座椅、门窗等数据梯度变化不大的区域，适当放大网格尺寸，使得网格数量和质量得到了很好的控制[10]，多面体网格数量总和约600×104。

图3 某城际车辆开关门过程仿真模型

对于车门机构开启和关闭的运动过程采用动网格方式处理，仿真过程采用非稳态计算，根据开关门时间及运动速度编写程序定义车门机构区域的运动规律，车门机构主要沿直线方向运动，其中车门机构附近的网格也需要进行加密处理[11]。车门机构开启过程中的网格运动变化如图4所示，K1、K2、K3、K4分别表示俯视车门机构从左向右开启过程中，依次移动到不同位置的时刻。图5为车门机构开启过程中车门附近区域的空气流动，从图5可以看出，车门机构开启过程中，外部空间的气流进入客室空间，随着车门机构的动网格移动，客室内外的计算域进行数据交换，形成气流流动，从而对开关门过程中客室温度场的变化进行准确模拟。

图4 车门机构开启过程中的网格运动变化

图5 车门机构开启过程中车门附近区域的空气流动

3 仿真结果分析

为了评估开关门过程对列车客室内温度变化的影响程度，本文针对夏季和冬季工况下某型号城际车中间车开关门过程中客室内的温度变化进行非稳态计算，并对客室内的流场分布进行分析。

3.1 夏季工况开关门过程中温度场变化

图6为夏季室外温度35 ℃工况下，空调机组制冷运行时，车门开关60 s过程中客室内温度场随时间的变化过程。由图6可以看出，随着车门开启，客室内气流与外界气流发生热量交换，外界的高温气流进入客室，车门附近区域的温度受此影响逐渐升高，如图6(b)所示。车门停顿48 s后的温度场分布如图6(c)所示，此时，外界气流对客室内温度的影响范围达到最大，车门附近区域的平均温度由开门前的25 ℃升高至32 ℃。车门关闭对温度的传递有明显的阻隔作用，随着车门的关闭，温度场变化较为剧烈。在60 s时车门完全关闭，在82 s时客室空间的温度分布恢复到开门前状态。

图6 夏季开关门过程中客室内温度场变化

3.2 冬季工况开关门过程中温度场变化

图7为冬季室外温度-25 ℃工况下，空调机组制热运行时，车门开关60 s过程中客室内温度场随时间的变化过程。由图7可以看出，随着车门开启，客室内气流与外界气流发生热量交换，外界的低温气流进入客室，车门附近区域的温度受此影响逐渐降低，如图7(b)所示。车门停顿48 s后的温度场分布如图7(c)所示，此时，外界气流对客室内温度的影响范围达到最大，车门附近区域的平均温度由开门前的22 ℃降低至10 ℃。车门关闭对温度的传递有明显的阻隔作用，随着车门的关闭，温度场变化较为剧烈。在60 s时车门完全关闭，在94 s时客室空间区域的温度分布恢复到开门前状态。

图7 冬季开关门过程中客室内温度场变化

3.3 客室内流场分布

图8为中间车客室内流场分布，由图8可以看出，空调气流从客室中间主送风道各个送风口向客室内送风，其中一部分气流从客室两侧回风道以及客室端部回风道回风回到空调机组，另一部分通过客室内饰缝隙进入废排风道排出客室。整体来看，风道设计可以有效地向中间车客室区域送风，整个客室气流组织分布比较均匀，很少出现气流死区，可以保证客室空间气流组织空间分布的均匀性[12]。

图8 中间车客室内流场分布

同时可以看出，从空调送风口进入主送风道的气流经过静压箱调压后从各个送风口送入客室区域。送风口下方的散流器对出风口气流起到良好的导流作用[13]，使得气流以合理角度向四周侧面送风，增大了送风区域，利于获得良好的空间气流组织分布。窗户下方的回风口设计可以保证气流通过客室两侧的回风道回流，由于回风口截面积缩小，其附近区域的速度较高[14]。通过在客室长度方向上回风道间距的合理分布，可以有效调节客室内的气流组织分布[15]。

4 总结

为了研究列车到站后开关门过程对客室内温度分布的影响程度，本文基于某型号城际车中间车，建立了客室内流场三维几何模型，定义了车门机构区域的运动规律，针对夏季及冬季工况下列车开关门过程中客室内温度场变化进行了非稳态计算，并分析了客室内流场分布，得出如下结论：

夏季及冬季开关门过程对车门附近区域的温度分布产生显著影响，但是对客室区域温度场的影响范围较小且影响时间较短，主要原因为：一方面，列车整体风道设计可以有效地向客室区域送风，整个客室气流组织分布均匀；另一方面，60 s开关门过程时间较短，客室内温度分布可在关门后约20～30 s恢复到开门前状态。