基于Flowmaster軟件的高速列車通風(fēng)系統(tǒng)仿真研究

杜雅娟（北京汽車動力總成有限公司，北京101106）

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基于Flowmaster軟件的高速列車通風(fēng)系統(tǒng)仿真研究

杜雅娟
（北京汽車動力總成有限公司，北京101106）

摘要：根據(jù)CRH1型高速列車通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，基于一維仿真軟件Flowmaster建立了高速列車通風(fēng)系統(tǒng)分析模型。對此系統(tǒng)進(jìn)行一維建模并做動態(tài)壓力波動分析，探討了高速列車通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案；解決了車外瞬態(tài)壓力波動對車內(nèi)人員的舒適性影響的問題；為今后對特定列車通風(fēng)系統(tǒng)的研究奠定一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高速列車；通風(fēng)系統(tǒng)；壓力波；仿真；Flowmaster

0　引言

近年來，我國高鐵技術(shù)發(fā)展迅速，列車運(yùn)行速度不斷提高，高速列車的運(yùn)行時速普遍達(dá)到200km/h以上。這就導(dǎo)致我國高速列車列車運(yùn)行的動態(tài)環(huán)境發(fā)生了質(zhì)的變化，由以機(jī)械作用為主改變?yōu)橐詺鈩幼饔脼橹鱗1]。因此，空氣動力學(xué)（特別是列車交會或者是過隧道時的空氣壓力波）問題變得越來越突出，此問題對列車的安全運(yùn)行及旅客的乘坐舒適感產(chǎn)生不利影響。高速運(yùn)行的列車在會車時，其車體表面將會產(chǎn)生較大的壓力波動，壓力波傳到車廂內(nèi)引起室內(nèi)壓力的變化，旅客會感到不適，嚴(yán)重時還會對身體造成傷害。因此應(yīng)針對高速客車的實(shí)際運(yùn)行特性進(jìn)行分析，才能更好地提出改善措施，以滿足旅客對客車車內(nèi)空氣品質(zhì)及舒適度的要求。

高速動車組的通風(fēng)系統(tǒng)除了可以給乘客提供新鮮空氣，其另一項(xiàng)功能就是保證車廂內(nèi)具有適當(dāng)?shù)臍鈮?，即?dāng)車外氣壓發(fā)生明顯變化時，通風(fēng)系統(tǒng)會將車廂內(nèi)的氣壓維持在一個讓人們感到舒適的水平。因此可以從通風(fēng)系統(tǒng)入手，來研究列車在進(jìn)隧道或者是會車時的壓力波動對車廂內(nèi)氣壓的影響情況，從而能更加深入的了解壓力波動是如何通過車外影響到車內(nèi)的。

由于高速列車在中國的運(yùn)行處于初級階段，很多方面的研究都有待完善。而目前高速列車空氣動力學(xué)研究手段主要有計(jì)算機(jī)仿真模擬、比例模型風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)車線路測試等方法，對于列車通風(fēng)系統(tǒng)的壓力波動至今還沒有較為深入的研究，對通風(fēng)系統(tǒng)的研究也僅限于對風(fēng)道內(nèi)流場的變化、風(fēng)道的優(yōu)化、風(fēng)口形式設(shè)計(jì)等方面。目前我國的鐵路客運(yùn)條件與當(dāng)前形勢發(fā)展的要求還有很大差距，列車空調(diào)技術(shù)裝備及其數(shù)量與世界發(fā)達(dá)國家相比差距很大，我國列車空調(diào)裝置還存在許多不足的地方，需要不斷的改進(jìn)、創(chuàng)新[2]。

與此同時，針對國內(nèi)外并沒有公布高速列車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)詳實(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)，國內(nèi)引進(jìn)的高速動車組由于與國外殘?jiān)谥T如長距離、大運(yùn)量等不同的線路特征，國內(nèi)學(xué)者對特定列車進(jìn)行優(yōu)化研究時，往往會因此受到牽絆，不能得出更為有效的改良方案。因此開發(fā)一套普遍適用于高速列車通風(fēng)系統(tǒng)的簡化工具就顯得尤為重要。

Flowmaster是全球領(lǐng)先的一維流體管網(wǎng)系統(tǒng)解算工具，擁有豐富的元件庫，可以進(jìn)行瞬態(tài)分析并得到系統(tǒng)實(shí)時動態(tài)結(jié)果、實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的動態(tài)分析。在暖通空調(diào)方面的仿真研究方面體現(xiàn)出了其優(yōu)越性[3]。因此本文選用Flowmaster軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析瞬態(tài)的壓力波在通風(fēng)系統(tǒng)的波動規(guī)律，討論通風(fēng)系統(tǒng)各部件的參數(shù)對于風(fēng)道以及車廂內(nèi)壓力變化的影響。

1　通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)選擇

鐵路客車通風(fēng)系統(tǒng)參考CRH1動車組通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[4，5]選擇設(shè)計(jì)參數(shù)。采用分體式空調(diào)系統(tǒng)，空氣處理裝置ZKJ6-LX?？諝馓幚韱卧O(shè)在車頂中部，供風(fēng)由兩邊的矩形主風(fēng)道，經(jīng)消音器和散流器流入客室。

該型高速列車通風(fēng)系統(tǒng)軸測圖如圖1所示，已知每個風(fēng)口的風(fēng)量，新風(fēng)量：1600m3/h，回風(fēng)量：4600m3/h，送風(fēng)量2×3100m3/h，空氣處理裝置ZKJ6-LX。阻力340Pa（中效過濾器80Pa、蒸發(fā)器130Pa、噴水室25Pa、加熱器70Pa、空氣進(jìn)出口及箱體內(nèi)的附加阻力35Pa），要求車廂內(nèi)正壓10Pa，風(fēng)管材料為鍍鋅鋼板（厚度K=0. 15mm）。散流器送風(fēng)。入口新風(fēng)機(jī)選用11-74型低噪音離心式通風(fēng)機(jī)[6]。

對應(yīng)圖1某高速列車通風(fēng)系統(tǒng)軸側(cè)圖對系統(tǒng)風(fēng)道進(jìn)行水力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　高速列車通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道水力計(jì)算結(jié)果

2　模型建立及計(jì)算

2.1建模思想

根據(jù)高速列車通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果，基于仿真軟件Flowmaster建立一維仿真模型，如圖2所示。模型包括新風(fēng)口與新風(fēng)道、回風(fēng)道、空調(diào)機(jī)組、送風(fēng)口與送風(fēng)道組成。其中分別在氣流出口和進(jìn)口處設(shè)置壓力源和流量源。根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，獲得了建模所需要的幾何參數(shù)和技術(shù)參數(shù)。

由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，完全按照其真實(shí)實(shí)體建立計(jì)算模型不但非常困難，同時也是不必要的，因此，在建模時應(yīng)該抓住主要特征。在此前提下，為避免由于對元?dú)饧?shù)設(shè)置不合理而對計(jì)算結(jié)果的巨大差異，對實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效的簡化處理。幾點(diǎn)說明如下：

1）為了使系統(tǒng)建模過程中不受管道布置變化的影響，以及簡化系統(tǒng)的建模過程，這里對系統(tǒng)管路中出現(xiàn)的彎頭都省略不計(jì)；

2）由于廢排單元與系統(tǒng)不是串聯(lián)關(guān)系，因此本階段不考慮排風(fēng)單元；

3）只分析管網(wǎng)的阻力平衡和流量平衡，不分析系統(tǒng)的換熱效果，所有支風(fēng)道均用壓力損失元件模擬，并且其出口處設(shè)壓力源和流量源；

4）管網(wǎng)中各分支的模擬可以只建立其所在的分支部分，其分支的起始端壓力源和流量源的設(shè)定值以干管所對應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的模擬結(jié)果為準(zhǔn)；

5）針對列車通風(fēng)系統(tǒng)特有的壓力保護(hù)裝置，文章采用Flowmaster元件庫里的可控制閥件代替。

簡化后的模型，既滿足設(shè)計(jì)要求，又方便參數(shù)設(shè)置，同時能夠減少計(jì)算時間。

2.2模型參數(shù)設(shè)定

由于不考慮換熱，把空調(diào)系統(tǒng)去掉，簡化成簡單的元?dú)饧M(jìn)行替代，盡量簡化成阻力元件；根據(jù)局部阻力計(jì)算公式：

式中 Z—管段總局部阻力損失，Pa；

ξ—局部阻力系數(shù)；

ξ′—計(jì)算用局部阻力系數(shù)；

ρ—密度，kg/m3；

ν—運(yùn)動粘度，m2/s。

設(shè)管段總阻力為局部阻力Z，則計(jì)算用局部阻力系數(shù)：

針對圖2所設(shè)計(jì)的管段，進(jìn)行簡化計(jì)算，簡化結(jié)果見表2。

表2　各管段簡化結(jié)果

2.3模型驗(yàn)證計(jì)算

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確與否，采用設(shè)計(jì)工況來設(shè)定邊界條件，新風(fēng)入口壓力為一個大氣壓，回風(fēng)口、送風(fēng)口壓力為列車車廂內(nèi)壓力。如圖3所示。

仿真計(jì)算得出各管段、各局部構(gòu)件的壓力損失情況。如圖4所示為十個送風(fēng)口風(fēng)速，明顯的，支管不平衡率小于0.09%，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，得主風(fēng)道平均壓損：7.5Pa，空氣調(diào)節(jié)設(shè)備平均壓損：70Pa，通風(fēng)機(jī)全壓：438Pa。與設(shè)計(jì)時選取的參數(shù)一致。

由上可知，經(jīng)驗(yàn)證，簡化后的模型是合理的。

3　瞬態(tài)壓力波動仿真研究

3.1邊界條件設(shè)定

高速行駛的列車其車體外較大的壓力波動會通過通風(fēng)系統(tǒng)傳遞到車廂內(nèi)部，造成壓力波動和氣流速度的改變，給乘客造成不舒適的刺耳感覺。當(dāng)高速列車進(jìn)入隧道時，在車頭和車尾處要產(chǎn)生壓縮波和膨脹波，從而引起車內(nèi)的壓力波動，給乘客的聽覺造成不適。本文的邊界條件采用以時速300km/h列車通過不帶緩沖結(jié)構(gòu)的隧道的過程列車周圍流場的壓力特性[7]，如圖5所示。以此來研究列車瞬態(tài)壓力波的傳播機(jī)理以及抑制壓力波的措施。

3.2結(jié)果分析

（1）壓力保護(hù)裝置未開啟

如圖6、圖7所示，在未引入壓力保護(hù)情況下，隧道壓力波經(jīng)通風(fēng)系統(tǒng)傳入車廂內(nèi)，送風(fēng)口的風(fēng)速以及壓力都引起了較大的變化。我國鐵道部規(guī)定，高速動車組的車內(nèi)氣壓壓力變化最大值不能超過1000Pa，壓力變化率不應(yīng)超過200Pa/s。根據(jù)仿真結(jié)果，在列車以300km的時速通過隧道時，若果不采用壓力保護(hù)裝置，列車車內(nèi)將在一定程度上偏離運(yùn)行舒適度標(biāo)準(zhǔn)。

（2）有壓力保護(hù)

依據(jù)CRH1型車的壓力保護(hù)裝置方案。在列車進(jìn)隧道時，啟動列車“隧道模式”，將新風(fēng)口和廢排單元關(guān)閉，只進(jìn)行回風(fēng)。關(guān)閉閥門，將閥門開度設(shè)置為“0”，這種設(shè)置理論上將會在最大程度上抑制壓力波動，會使車廂內(nèi)維持在恒定的氣壓下。經(jīng)仿真計(jì)算，得到閥門壓力損失曲線以及送風(fēng)口出的流蘇和壓力情況，如圖8、圖9、圖10所示。仿真結(jié)果與理論推理相符。

3.3抑制壓力波方法探討

由上可以看出壓力保護(hù)裝置對于高速列車的必要性。目前，各國解決壓力波動的方式和效果不盡相同。歸納起來，原則上一方面高速列車必須采取良好的空氣壓力密封，列車通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)排氣口應(yīng)避開低壓或者渦流區(qū)布置，另一方面需要加裝可控的間歇或者連續(xù)作用式進(jìn)排氣控制裝置。

（1）截止閥

日本新干線采用的壓力緩和裝置實(shí)質(zhì)上是由截止閥組成。其工作原理是在進(jìn)入隧道前用截止閥關(guān)閉進(jìn)、排氣口。操作雖然簡單，但是這樣就會導(dǎo)致在隧道較多的線路上車內(nèi)換氣量不足，這又會影響乘客乘坐的舒適度。為解決這一問題，日本人開發(fā)了一種高壓風(fēng)機(jī)，這種風(fēng)機(jī)受外界影響比較小，在投入使用后實(shí)現(xiàn)了連續(xù)換氣。

（2）增加控制系統(tǒng)，使進(jìn)風(fēng)口閥門開度可以隨壓力波的改變而改變

隨著近些年高鐵的提速，原有的壓力保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足運(yùn)行需要。近期日本新研制了風(fēng)量控制式換氣系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)閥門的開度，抑制較大的壓力波動傳入車內(nèi)，使車內(nèi)壓力變化更小。我國高鐵技術(shù)亦可參考此方法，研發(fā)出新型連續(xù)換氣裝置，能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)、排氣單元的閥門開度，使車廂內(nèi)壓力波動維持在舒適水平范圍內(nèi)。

（3）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制

作者認(rèn)為，可以通過改變進(jìn)風(fēng)口高壓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制壓力波動通過通風(fēng)系統(tǒng)傳入車廂內(nèi)部。同樣可以實(shí)現(xiàn)在不影響換氣的同時一直車內(nèi)壓力波動。

4　結(jié)語

本文論證了一種新的研究高速列車空氣動力學(xué)問題的方法。由于國內(nèi)外沒有公布詳實(shí)的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，筆者根據(jù)傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)了能夠滿足CRH1動車組設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的通風(fēng)系統(tǒng)，確定了仿真所需要的幾何參數(shù)和技術(shù)參數(shù)，基于一維仿真軟件Flowmaster建立了通用的高速列車通風(fēng)系統(tǒng)分析模型，仿真計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果對比驗(yàn)證了仿真模型的合理性和準(zhǔn)確度。最后，對通風(fēng)系統(tǒng)瞬態(tài)壓力波動進(jìn)行仿真研究，得到風(fēng)道內(nèi)的壓力波動規(guī)律以及車外壓力波對車內(nèi)氣流組織的影響程度。驗(yàn)證了現(xiàn)用的動車組壓力保護(hù)裝置的必要性，并對幾種抑制壓力波傳入車廂的方法進(jìn)行了分析探討。

本次研究對為今后對特定列車通風(fēng)系統(tǒng)的研究奠定一定的基礎(chǔ)；解決了車外瞬態(tài)壓力波動對車內(nèi)人員的舒適性影響的問題，并提出了高速列車通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案。對提高客車空調(diào)裝置的性能具有重要意義，并且進(jìn)一步促進(jìn)了我國客車空調(diào)通風(fēng)裝置的多元化發(fā)展。針對當(dāng)下鐵路客車向高速化舒適化的發(fā)展要求，對于通風(fēng)系統(tǒng)的研究將是一個長遠(yuǎn)的研究。

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修回日期：2016-01-29

Simulation of High-speed Train Ventilation System

DU Ya-juan
（Beijing Automotive Powertrain Co.，Ltd，Beijing 101106，China）

Abstract：in this paper，a high-speed train ventilation system analysis model is builded according to the design parameters of ventilation system for CRH1. This system model is used to analyze dynamic pressure fluctuation in the ventilation system. this paper lists several optimization schemes of ventilation system，moreover，brings a new project to control transient pressure fluctuation which can solve the influencing riding comfortability problem，at last，this study lays a foundation of the ventilation system for specific train.

Key words：high-speed train；ventilation system；pressure waves；simulation

收稿日期：2016-01-11

作者簡介：杜雅娟（1988-），女，河北人，碩士研究生，工程師，主要從事暖通空調(diào)等機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行測試研究。

中圖分類號：U270.38+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）01-0063-06

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.015