地铁列车客室通风的数值仿真研究

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,266111,青岛∥第一作者,高级工程师)

地铁列车客室空调通风系统主要由空调机组和风道组成,气流需要通过送风道向客室内送风,通过回风道将客室内部分气流回风到空调机组[1]。地铁车辆风道设计过程中有时会将内装构成风道的一部分,而送风道、回风道设计存在车辆部件包含在风道内部的情况,从而增加风道的阻力。为了对某地铁列车客室空调通风风道及客室空间的气流组织分布进行系统研究,需要采用仿真分析手段,在列车风道设计阶段对客室空间流场及温度场分布情况进行分析及评估。

目前计算流体动力学仿真技术已在风道及客室通风系统设计中得到广泛应用,可以在设计方案初期通过可视化的仿真分析,初步评估风道及客室空间速度场、压力场及温度场的分布情况。并可根据仿真计算结果制作风道样件,进行试验测试,从而提升研发效率,降低研发成本[2]。本文采用Star-CCM+软件建立数值仿真模型,并针对各部位,完成网格划分、边界设置、仿真计算及结果分析等。

1 建立数值仿真模型

1.1 几何模型

为真实反映地铁车辆风道及客室空间内的流场特征,需保留并适当简化对流场影响较大的模型结构及细节特征。

在构建送风道几何模型的过程中,保留并适当简化了司机室送风道、主送风道静压腔、送风道内导流结构及内装构成风道结构等。

在构建回风道几何模型的过程中,保留并适当简化了主回风道、回风口挡板,以及风道内部的线束、排水管、门机构及电器箱等[3]。

在客室空间内,保留并适当简化了座椅、扶手及门窗等部件,省略了安装固定结构等对流场影响不大的部件。图1为最终简化处理后的各主要部位的仿真几何模型。其中,客室空间整体长约23 m,宽约3 m,高约2 m,主送风道长约20 m。

a) 送风道

1.2 模型的网格划分

运用Star-CCM+软件自带的网格处理模块,进行风道及整个客室计算域的空间离散[4]。在网格划分过程中,对司机室送风道、风道内导流结构、线束、排水管、门机构、电器箱、座椅及扶手等几何尺寸较小且对流动特性影响较大的结构进行网格加密处理[5];对于数据梯度变化不大的区域,将网格尺寸适当放大,使得网格数量和质量得到很好控制。整车网格划分后的仿真模型如图2所示,整车空间体网格总数约为1 800万个。

图2 整车网格划分后的仿真模型

2 仿真计算结果

2.1 送风道

图3为送风道的空间流线分布。气流经空调送风口进入主送风道以后,经送风口下方导流板导流,向主送风道中间及两侧区域流动,其中一部分气流送往司机室区域。

图3 送风道的空间流线分布截图

图4为主送风道中间截面速度场分布。由图4可见:空调送入风道内的气流在空调送风口下导流板的作用下向两侧流动;距风口较远的风道两端及风道中间位置的流速较低,导流板区域的流速较高。气流从主送风道静压腔两侧的孔板流入风道两侧,进而实现通过门区及窗区的送风口向客室内送风。

图4 主送风道中间截面速度场分布截图

2.2 回风道

图5为回风道空间流线分布。由图5可见:气流经窗下4个回风口进入回风道,经过回风道内的线束、排水管、门机构及电器箱等扰流部件后,再经由2个回风口进入空调机组。

图5 回风道空间流线分布

图6为回风道车门区域截面速度场分布。由于回风道内门机构、电器箱等部件的存在,气流流动相对混乱。在空调机组回风口区域,空调机组排水管、电缆等部件的存在,减小了回风面积,致使局部风速增大。

图6 回风道车门区域截面速度场分布截图

2.3 客室空间

图7为整车客室空间流线分布。空调气流进入客室中间主送风道之后,从窗区及门区的两侧隐形送风口向客室内送风,其中一部分气流通过司机室的支送风道向司机室送风。客室内气流一部分通过窗区两侧回风道从空调回风口回到空调机组,另一部分通过客室端部的废排风道排出客室。整体来看,送、回风道可有效地向客室空间区域送风,可保证送风均匀性和气流组织空间分布的均匀性。

a) 纵向剖面

图8为客室空间典型送、回风截面上的压力分布云图。由图8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8 客室典型截面压力场分布截图

图9为不同工况下的客室典型截面温度场分布。由图9可以看出,空调将较低或较高温度气流从主送风道送入客室,与客室热空气及热源进行热量交换后,整个客室温度分布趋于均匀,制冷工况客室平均温度为22.5 ℃,制热工况客室平均温度为18 ℃,满足工程设计要求。

a) 制冷工况

3 结论

1) 地铁列车空调通风系统整体技术方案满足工程设计要求,客室空间气流组织分布均匀,客室内微正压,温度分布均匀。

2) 送风道送风均匀,空调送风口下方弧形导流板结构对空调送风具有良好的导流以及流量分配作用。

3) 回风道内门机构、电器箱等部件的存在,致使气流流动相对比较混乱。回风口区域存在空调机组排水管、电缆等部件,减小了回风面积,致使局部风速增大。

4) 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,废排风道内的负压次之。

5) 在制冷及制热工况下,整车客室空间内的温度分布整体较均匀,温差较小,满足制冷及制热温度要求。