車用射流換氣系統(tǒng)的研究

黃建華，張?zhí)煲?/p>

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

大型客車乘員眾多，空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)若設(shè)計不當(dāng)，容易導(dǎo)致駕乘人員的健康受損[1]或空調(diào)系統(tǒng)能耗增加．大多數(shù)汽車廠商為追求氣密性好的車廂，大中型客車普遍采用固定式車窗，而且，為了追求內(nèi)飾的高檔化，大量使用裝飾材料和粘接劑，這些物質(zhì)揮發(fā)的有害氣體[2]，以及駕乘員人體代謝產(chǎn)生的濁氣等，都使得車內(nèi)空氣品質(zhì)惡化．

如何改善車內(nèi)的空氣品質(zhì)，已成為汽車生產(chǎn)廠家必須面對的課題．現(xiàn)在有的廠商將靜電除塵、活性碳吸附、光觸媒凈化、紫外燈殺菌、臭氧除菌、負(fù)離子發(fā)生器等空氣凈化系統(tǒng)安裝于空調(diào)的出風(fēng)口和回風(fēng)口，用于去除車內(nèi)空氣中的有害物質(zhì)、粉塵、病菌等[2]，但是初投資和維護(hù)使用成本較高．采用通風(fēng)換氣手段既能去除車內(nèi)污濁空氣，還能補(bǔ)充駕乘人員所需的氧氣，是簡便、有效的方法．它有3種方式:1)利用行駛過程中車身表面正負(fù)壓作用來合理設(shè)置換氣口，實(shí)現(xiàn)自然換氣功能[2]，但是，效果不顯著，尤其在車速較低時，車身表面的壓差不大;2)在客車頂部安裝兩臺電動換氣扇(一吹一排)用來改善車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)，這種機(jī)械通風(fēng)形式，需要消耗電能，使用成本不夠經(jīng)濟(jì)，且難以滿足車內(nèi)人員較多時對新風(fēng)的需求量[3];3)利用發(fā)動機(jī)的吸氣來抽吸車內(nèi)的濁氣，使車廂內(nèi)建立負(fù)壓，通過車頂帶濾網(wǎng)的新風(fēng)口補(bǔ)充車內(nèi)所需新鮮空氣．本文采取第3種方式來對某款客車進(jìn)行新風(fēng)系統(tǒng)的研究，以期改善車內(nèi)空氣品質(zhì)．

1 射流式新風(fēng)換氣系統(tǒng)

目前，大中型客車的發(fā)動機(jī)一般位于車輛的尾部，可以在發(fā)動機(jī)空氣濾清器前安裝一引射裝置，如圖1所示 (根據(jù)某款客車機(jī)艙實(shí)際設(shè)計簡化而得)．抽吸管接到車廂內(nèi)，發(fā)動機(jī)一旦開始工作，大部分空氣經(jīng)車輛機(jī)艙的進(jìn)氣口吸入，同時引射一部分車廂內(nèi)的空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)參與燃燒，通過設(shè)置在車廂抽氣口內(nèi)的控制閥門可以調(diào)節(jié)車廂內(nèi)空氣的抽吸量;在車廂的中前頂部開設(shè)有防塵、防雨水的新風(fēng)入口，當(dāng)車廂內(nèi)建立起負(fù)壓，即可通過此口自動補(bǔ)充外界新鮮空氣，無須另外的能量消耗，車廂內(nèi)無須重新布置風(fēng)道，換氣均勻穩(wěn)定，且進(jìn)風(fēng)口具有降噪、隔塵等功能[4]．

圖1 引射裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of ventilate inlet system

2 模型的建立

2.1 物理模型

抽吸管部分根據(jù)機(jī)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)呈空間交錯布置，但都以90°的彎管連接，模型采用四段直管和三段90°彎管在同一中心平面內(nèi)連接．由于本結(jié)構(gòu)是軸對稱的，故只以實(shí)物的一半建立模型，分別對三種引射管縮口口徑 (98，94，102 mm)，在控制閥門全開和全閉兩種狀態(tài)下進(jìn)行模擬，以確定最佳的縮口口徑．

2.2 基本控制方程

為了突出引射裝置內(nèi)氣流的主要流動特性，將其簡化為在不同進(jìn)出口壓差下的定常流動．對定常粘性氣體流動的質(zhì)量、動量和能量守恒方程采取雷諾時間平均，得到了氣體流動的控制方程組．

質(zhì)量方程:?/?xi(ρVi)=0，其中:V為速度;ρ為 密度．

引入Boussinesq假設(shè)后的動量方程:

能量方程:?/?xi[Vi(ρE+p)]= ?[(k+cpμt/σt)?T/?xj+Vi(τij)eff]/?xj．

其中:μeff=μ+μt;μ—動力粘性系數(shù);μt—湍流粘性系數(shù);K—絕熱指數(shù);E—總能量;k—導(dǎo)熱系數(shù);P—壓力;T—溫度;cp—定壓，比熱容;σt—湍流普朗特數(shù)，0.85;(τij)eff—偏應(yīng)力張量，(τij)eff= μeff(? Vj/? xi+ ? Vi/? xj)－ (2/3)μeff? Viδij/? xi．

2.3 湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)的k－ε湍流模型計算量適中，對工程上大量的流動問題能給出比較合理的結(jié)果，獲得了廣泛的應(yīng)用，對本文涉及的常壓定常流完全適用，故本文采用標(biāo)準(zhǔn)的模型來模擬湍流效應(yīng)，其中相關(guān)的模型常數(shù)取值如下:Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92．[5]

2.4 邊界條件及其他相關(guān)參數(shù)

機(jī)艙進(jìn)氣口和車廂抽氣口都設(shè)為壓力入口邊界，往發(fā)動機(jī)方向的出口設(shè)為壓力出口邊界．壁面邊界．壁面上采用無滑移條件，對近壁面網(wǎng)格點(diǎn)采用壁面函數(shù)法處理，并設(shè)定壁面溫度為恒定值．

客車車廂內(nèi)尺寸:長×寬×高為1049 cm×249 cm×200 cm，核載人數(shù) (41+1+1)人，發(fā)動機(jī)為直列六缸增壓中冷四沖程柴油機(jī)，排量7.8 L，標(biāo)定功率為199 kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2200 r/min，空載轉(zhuǎn)速為700 r/min．

3 計算結(jié)果及分析

3.1 引射管縮口口徑為98 mm(方案一)

在控制閥門全開、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在2197.4 r/min下，引射裝置進(jìn)出口的壓降約為1160 Pa，壓力分布如圖2所示，速度分布如圖3所示．在三段彎管處內(nèi)側(cè)流速高、外側(cè)流速低，對應(yīng)的內(nèi)側(cè)靜壓低、外側(cè)靜壓高．在引射管縮口左側(cè)外上方，抽吸管來的氣體因引射管的部分阻滯而使流速降低、靜壓升高，速度在引射管出口后方達(dá)到最大為42.8 m/s．圖4為局部的放大圖，從圖4可以清晰看到在引射管之后最大速度的上方有空氣倒流，這是由于此處位于抽吸管與引射管90°直角轉(zhuǎn)彎的內(nèi)側(cè)，導(dǎo)致低壓渦旋的出現(xiàn)，另外在引射管縮口的徑向外側(cè)也出現(xiàn)了部分環(huán)流．

圖2 縮口98 mm流量控制閥全開的壓力場Fig.2 Contours of static pressure(nozzle diameter 98 mm,control valve opened)

圖3 縮口98 mm流量控制閥全開的速度場Fig.3 Contours of velocity magnitude(nozzle diameter 98 mm,control valve opened)

圖4 縮口98 mm流量控制閥全開的局部速度矢量圖Fig.4 Velocity vectors colored by velocity magnitude(nozzle diameter 98 mm,control valve opened)

將此裝置在不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，引射裝置的壓降、流量等參數(shù)匯總于表1(其中抽風(fēng)流量為此射流裝置在柴油機(jī)運(yùn)行時從車廂內(nèi)的抽氣量，總流量為引射管和抽吸管的流量之和，即柴油機(jī)運(yùn)行時的耗氣量，抽風(fēng)比=抽風(fēng)流量/總流量，下同)．從表1中可見，隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速從怠速逐漸升高到標(biāo)定轉(zhuǎn)速，流量增大導(dǎo)致壓降的增大，但抽風(fēng)比基本維持在30%左右．如果以車內(nèi)CO2濃度標(biāo)準(zhǔn)作為確定新風(fēng)量的依據(jù)，則車內(nèi)CO2濃度要求為≤0.2%[6]，那么根據(jù)室內(nèi)人體靜坐時新風(fēng)量要求則為8.5m3/(h·人)[7]，而此車的柴油機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速附近運(yùn)轉(zhuǎn)時，對車廂內(nèi)的抽氣量為368.90 m3/h，當(dāng)車廂滿員即駕乘人員為43人時，人均的新風(fēng)量達(dá)到8.58 m3/(h·人)，完全能滿足客車內(nèi)對CO2濃度的要求，使車廂內(nèi)有較好的空氣品質(zhì)．此車廂內(nèi)扣除座椅、行李架等 (約2.2 m3)后的氣空間還有50 m3，即使在柴油機(jī)剛起動處于怠速的10 min，對車廂的新風(fēng)換氣量也達(dá)到8.76 m3，車廂內(nèi)的有毒物質(zhì)濃度就能減少近18%．

表1 縮口98 mm流量控制閥全開在不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下的統(tǒng)計Tab.1 The characteristics under different engine speed(nozzle diameter 98 mm)

在控制閥門全關(guān)、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在2198 r/min下，引射裝置進(jìn)出口壓降約為860 Pa(見圖5)，速度分布如圖6所示，此時速度在最小截面處的縮口達(dá)到最大，抽吸管除了靠近引射管的直段受引射氣流的擾動外，其余流速基本為零，即在這種情況下不對車廂內(nèi)的氣體產(chǎn)生抽吸．

圖5 縮口98 mm流量控制閥全關(guān)的壓力場Fig.5 Contours of static pressure(nozzle diameter 98 mm,control valve closed)

圖6 縮口98 mm流量控制閥全關(guān)的速度場Fig.6 Contours of velocity magnitude(nozzle diameter 98mm,control valve closed)

3.2 引射管縮口口徑為94 mm(方案二)

模擬此裝置在不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，將計算結(jié)果中相關(guān)的參數(shù)匯總于表2，從中可見，在引射管縮口減小后，控制閥門全開的情況下，抽風(fēng)流量在相同的壓降下相對于方案一增大明顯，使得抽風(fēng)比達(dá)到33%．在標(biāo)定轉(zhuǎn)速附近人均新風(fēng)量達(dá)到9.42 m3/(h·人)，對車內(nèi)空氣滿足CO2濃度要求是有富余的，但此裝置的壓降卻增加了近90 Pa，在其他轉(zhuǎn)速下，壓降也不同程度的增大，而當(dāng)控制閥門全關(guān)時，壓降增大了140 Pa．

3.3 引射管縮口口徑為102 mm(方案三)

將引射管縮口口徑增大為102 mm，勢必加強(qiáng)了方案一中出現(xiàn)的引射管對抽吸管來氣的阻滯作用，以及相應(yīng)的環(huán)流效果，故此方案中在增大縮口口徑的同時，將引射管長度向回縮短10 mm，在柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下，其靜壓力場和速度場計算結(jié)果如圖7和圖8所示，相關(guān)參數(shù)匯總于表3．從中可見，在引射管縮口增大后，控制閥門全開的情況下，抽風(fēng)流量在相同的壓降下相對于方案一略有減少，總流量略增大，使得抽風(fēng)比減小到29%．在標(biāo)定轉(zhuǎn)速附近人均新風(fēng)量為8.38 m3/(h·人)，基本達(dá)到車內(nèi)空氣對CO2濃度要求，但此裝置的壓降略降了10 Pa，在其他相同的總流量下，壓降也不同程度的減少，而當(dāng)控制閥門全關(guān)時，壓降減少了近90 Pa．

表2 縮口94 mm在不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下的統(tǒng)計Tab.2 The characteristics under different engine speed(nozzle diameter 94 mm)

圖7 縮口102 mm流量控制閥全開的壓力場Fig.7 Contours of static pressure(nozzle diameter 102 mm,control valve opened)

圖8 縮口102 mm流量控制閥全開的速度場Fig.8 Contours of velocity magnitude(nozzle diameter 102 mm,control valve opened)

表3 縮口102 mm在不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下的統(tǒng)計Tab.3 The characteristics under different engine speed(nozzle diameter 102 mm)

4 結(jié)論

通過對三種縮口口徑引射裝置的計算比較，可得出如下結(jié)論:

1)適當(dāng)減小引射管的縮口口徑，會加大抽吸管的抽吸量，增大了車廂內(nèi)新風(fēng)換氣量，但增大柴油機(jī)進(jìn)氣管的壓降;

2)對應(yīng)某個縮口口徑的引射裝置，在柴油機(jī)某轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，可以通過改變控制閥門的開度，來改變車廂內(nèi)新風(fēng)的換氣量，范圍在該轉(zhuǎn)速下的最大抽風(fēng)流量和零抽風(fēng)流量之間變化，抽風(fēng)流量愈大，柴油機(jī)進(jìn)氣的阻力愈大;

3)在柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，三種縮口口徑引射裝置給柴油機(jī)進(jìn)氣帶來的壓降基本在25～1250 Pa，參照內(nèi)燃機(jī)空氣濾清器性能試驗(yàn)方法，濾清器允許的最大阻力為6000 Pa壓降[8]，那么引射裝置的最大壓降1250 Pa，基本還是可以接受的，但考慮到引射裝置縮口口徑越小給柴油機(jī)帶來進(jìn)氣阻力增大越明顯，而且縮口口徑為102 mm的裝置對車廂的抽吸量也基本能滿足車內(nèi)空氣CO2的濃度要求，故該車型的引射裝置選縮口為102 mm更適合;

4)這種發(fā)動機(jī)抽吸式換新風(fēng)法結(jié)構(gòu)簡單，且不依附于空調(diào)系統(tǒng)，極大地改善了車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)，但在炎熱的夏季較大新風(fēng)量難免帶來制冷量的不足，并引起能耗的增大，則可根據(jù)車內(nèi)的污物濃度適當(dāng)調(diào)小控制閥門開度以獲得舒適的溫度，而在春秋季節(jié)此法則能獲得較好的效果．

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[4]徐春艷，劉光遠(yuǎn)，彭嬌嬌．住宅負(fù)壓新風(fēng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展前景 [J]．暖通與設(shè)備，2009，37(11):38-41．

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