動(dòng)車(chē)風(fēng)道系統(tǒng)的合理化設(shè)計(jì)

邵春雷++王志春++馬文軍++劉瑞曉

[摘 要]文章簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)某高速列車(chē)風(fēng)道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，并結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)（CFD）對(duì)風(fēng)道的有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，從而根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)一步確定高速列車(chē)風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)而減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

[關(guān)鍵詞]高速列車(chē) 風(fēng)道系統(tǒng) 仿真模擬計(jì)算 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性

中圖分類(lèi)號(hào)：TM121.1.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1009-914X（2016）07-0034-01

引言

隨著我國(guó)高速列車(chē)迅猛發(fā)展，完善改進(jìn)客室的內(nèi)部環(huán)境也是必不可少。風(fēng)道系統(tǒng)是客室重要組成部分之一?？褪覂?nèi)合理的風(fēng)道系統(tǒng)是保證乘客安全舒適的重要因素。為此需要探討客室風(fēng)道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出合理的風(fēng)道系統(tǒng)。

1.風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則

（1）送風(fēng)口風(fēng)速：TB/T1951-87《客車(chē)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)》中，以噪音為控制標(biāo)準(zhǔn)的允許送風(fēng)流速：1-3m/s；推薦風(fēng)速：2.5-3 M/S（風(fēng)口距地≤2.5m） 3.5-4m/s （風(fēng)口距地≤4.5m）。

根據(jù)風(fēng)速以及風(fēng)量的大小，可以估算出風(fēng)道的面積：

假定為理想氣體：

Q 通過(guò)有效斷面的流量m3/h

A：有效斷面面積m2

V：通過(guò)有效斷面的流速m/s

A：在實(shí)際運(yùn)用上對(duì)于流線(xiàn)呈平行直線(xiàn)的情況下，有效斷面可以定義為：與流體運(yùn)動(dòng)方向垂直的橫斷面。

（2）風(fēng)管不能突然擴(kuò)大、突然縮?。?風(fēng)管變徑時(shí)，順氣流方向分為擴(kuò)大與縮小兩種情況。一般擴(kuò)大斜度宜不大于1/7，即是≤15°，而縮小不宜大于1/4，即≤30 °否則，造成阻力增大，風(fēng)量減少。

風(fēng)管突然擴(kuò)大或縮小，導(dǎo)致流動(dòng)速度的改變

（3）彎頭不能隨便彎：彎頭無(wú)導(dǎo)流葉片時(shí)，其彎曲半徑R最小不得小于1/2W，（W為風(fēng)管的寬度）。一般以1W為宜。帶導(dǎo)流葉片之彎頭。由于受空間及障礙物的限制，彎頭內(nèi)側(cè)的曲率半徑小于1/2W時(shí)，氣流所形成的渦流大，壓力損失多，此時(shí)需加導(dǎo)流葉片。

（4）風(fēng)管系統(tǒng)配置：設(shè)計(jì)風(fēng)管系統(tǒng)時(shí)，彎頭與彎頭之間，彎頭與出風(fēng)口之間的距離不能太小。太小則渦流嚴(yán)重，氣流分布不均，出風(fēng)口調(diào)不出設(shè)計(jì)送風(fēng)量。

（5）管道保溫：保溫層與管壁必須密貼，兩片保溫層連接處必須粘接在一起， 這樣才能保證室內(nèi)空氣不會(huì)滲入到保溫層內(nèi)部，碰至冷管壁上，因冷管壁的溫度低于室內(nèi)空氣的露點(diǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)生凝結(jié)水。一般情況下，采用導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.035W/（m℃）， 厚度20mm 即可以保證空調(diào)風(fēng)道的保溫需要。導(dǎo)熱系數(shù)越大，需要的保溫材厚度越厚。

2.風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)

該車(chē)風(fēng)道是由鋁合金鉚接，表面粘接凱門(mén)福樂(lè)斯材料。鋁合金具體材料是2毫米厚度5A05，其特點(diǎn)是韌性好、強(qiáng)度高、焊接性能可靠。其作用是搭建構(gòu)成可靠的風(fēng)道框架；凱門(mén)福樂(lè)斯厚度是20毫米，導(dǎo)熱系W/（m.K）在溫度0℃—40℃范圍內(nèi)小于0.035，導(dǎo)熱系數(shù)符合GB/T17794《柔性泡沫橡塑絕熱制品》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

如圖所示空氣先是由空調(diào)風(fēng)機(jī)輸送到消音風(fēng)道，經(jīng)過(guò)消音風(fēng)道適當(dāng)?shù)慕邓偃ピ胍簦俳?jīng)主風(fēng)道或消音風(fēng)道分流到各個(gè)側(cè)風(fēng)道，通過(guò)側(cè)風(fēng)道使新鮮空氣均勻的送到頂板的出風(fēng)格柵，從而達(dá)到均勻送風(fēng)的效果。

3.風(fēng)道系統(tǒng)模擬

運(yùn)用CFD軟件送風(fēng)風(fēng)道進(jìn)行了模擬分析。

本次模擬模型按1：1的比例建立模型，考慮到模擬計(jì)算的復(fù)雜程度和計(jì)算時(shí)間，其中一些細(xì)節(jié)部分如風(fēng)道管道中的擋板、支座、鉚釘、螺栓、法蘭等因素未加載到模型

在模擬過(guò)程中，各風(fēng)道出口均設(shè)為壓力出口（pressure-outlet），用壓力將各部分關(guān)聯(lián)起來(lái)，如側(cè)風(fēng)道風(fēng)口在消聲部模擬中是出口，在側(cè)風(fēng)道模擬中是進(jìn)口，經(jīng)側(cè)風(fēng)道模擬得出進(jìn)口壓力即可作為消聲部模擬的出口壓力。

設(shè)計(jì)總送風(fēng)量為4500m3/h，對(duì)于消聲部進(jìn)口邊界設(shè)置成Velocity inlet類(lèi)型，送風(fēng)干管的設(shè)計(jì)風(fēng)量為4500m3/h、入口風(fēng)速5.7m/s

各部分的速度分布如下：

4.風(fēng)道系統(tǒng)模擬結(jié)果分析

不均勻系數(shù)的計(jì)算方法：首先求出需要計(jì)算不均勻系數(shù)的風(fēng)口風(fēng)量的平均值

再求出風(fēng)口風(fēng)量的標(biāo)準(zhǔn)差

不均勻系數(shù)即為標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值： S/X =30.46/449.7=6.7%

從模擬結(jié)果可計(jì)算得出：側(cè)風(fēng)道風(fēng)量的不均勻系數(shù)為6.7%，可見(jiàn)不均勻系數(shù)不超過(guò)10%，滿(mǎn)足計(jì)算要求。

5.結(jié)束語(yǔ)

由于動(dòng)車(chē)復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境及內(nèi)部多樣的配套設(shè)施，這就造成影響風(fēng)道系統(tǒng)合理性設(shè)計(jì)的因素多樣性，其中以風(fēng)道結(jié)構(gòu)為主要影響因素。為此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮各種因素，進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)，同時(shí)在設(shè)計(jì)后期結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)（CFD）對(duì)風(fēng)道進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，從而根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)確定高速列車(chē)風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)而減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

作者簡(jiǎn)介

邵春雷，男，學(xué)士，軌道車(chē)輛設(shè)計(jì)工程師，現(xiàn)從事軌道車(chē)輛司機(jī)室產(chǎn)品研發(fā)工作。