軌道車輛廢排風(fēng)帽排風(fēng)特性的數(shù)值模擬研究

耿亞彬， 于　淼， 李喜輝， 王永朋

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司　產(chǎn)品研發(fā)中心， 河北唐山 063035)

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軌道車輛廢排風(fēng)帽排風(fēng)特性的數(shù)值模擬研究

耿亞彬， 于淼， 李喜輝， 王永朋

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心， 河北唐山 063035)

廢排風(fēng)帽是軌道車輛環(huán)境控制系統(tǒng)的重要組成部分，其排風(fēng)特性的優(yōu)劣直接影響客車室內(nèi)廢氣的排出量，對調(diào)節(jié)室內(nèi)外壓差起關(guān)鍵作用，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對軌道車輛廢排風(fēng)帽的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究結(jié)果表明：出風(fēng)口最小截面距離的增大會(huì)減小廢排風(fēng)帽的流動(dòng)阻力，出風(fēng)口格柵的形狀和布置形式影響風(fēng)帽內(nèi)風(fēng)的流動(dòng)軌跡和流動(dòng)特性。為軌道車輛的廢排風(fēng)帽的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

軌道車輛； 廢排風(fēng)帽； 數(shù)值模擬； 流動(dòng)阻力

廢排風(fēng)帽是列車車輛環(huán)境控制系統(tǒng)的重要組成部分,廢排風(fēng)帽的排風(fēng)特性會(huì)直接影響到排風(fēng)系統(tǒng)的流動(dòng)特性和排風(fēng)能力，由于軌道車輛的載客量較大，室內(nèi)要求全面送風(fēng)時(shí)所需新風(fēng)量較大，排風(fēng)量小于或等于新風(fēng)量，一般為新風(fēng)量的90%～95%時(shí)，客室壓力才能保持平衡，維持客室內(nèi)一定的正壓[1]。如果排風(fēng)風(fēng)帽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致排風(fēng)機(jī)選型難度增加，造成列車整個(gè)排風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)能力不足，容易造成列車車輛客室內(nèi)壓力過大，從而導(dǎo)致車內(nèi)外壓差過大,車門關(guān)閉困難等情況發(fā)生,影響車輛的正常運(yùn)行，目前國內(nèi)對軌道車輛的排風(fēng)帽研究較少，本文采用CFD技術(shù)通過數(shù)值模擬的方法對列車車輛廢排風(fēng)帽的流動(dòng)特性進(jìn)行研究，為列車廢排風(fēng)帽設(shè)計(jì)提供參考。

1　風(fēng)帽阻力

空氣在風(fēng)帽內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于黏性及流體的相對運(yùn)動(dòng)，因而產(chǎn)生了內(nèi)摩擦力?？諝庠陲L(fēng)道內(nèi)流動(dòng)過程中，就要克服這種阻力而消耗能量，此外，由于流動(dòng)慣性，特別是在風(fēng)道邊壁擾動(dòng)的局部地區(qū)形成渦流，產(chǎn)生局部阻力，也要消耗能量。

由于排風(fēng)風(fēng)帽的進(jìn)出口距離很短，不易找到較穩(wěn)定的測定斷面。在不影響測量精度的條件下，根據(jù)GB/T 16758-1997排風(fēng)罩的分類及技術(shù)條件對排風(fēng)罩阻力和阻力系數(shù)的測定的規(guī)定，排風(fēng)風(fēng)帽的阻力可用式(2.1)計(jì)算[2]：

(1)

式中ΔPq為排風(fēng)風(fēng)帽進(jìn)口截面與出口截面的平均全壓差，Pa。Pm為排風(fēng)風(fēng)帽風(fēng)筒處的沿程阻力，Pa。

(2)

式中v為常溫下風(fēng)帽的流速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；ξ為風(fēng)帽阻力系數(shù)。風(fēng)帽的阻力系數(shù)主要取決于風(fēng)帽的結(jié)構(gòu)，由于風(fēng)帽本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，出口較多，形狀各異，理論上計(jì)算比較困難，目前,阻力系數(shù)一般由試驗(yàn)的方法來確定。

2　數(shù)值模擬分析

2.1模型建立和網(wǎng)格劃分

首先根據(jù)CAD圖紙，在建模軟件ProE中建立模型，利用Hypermesh軟件劃分四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為48×106,如圖2所示，為廢排風(fēng)帽網(wǎng)格劃分的結(jié)果。采用有限容積法和交錯(cuò)網(wǎng)格對質(zhì)量和動(dòng)量守恒微分方程組這些控制方程在微小單元上數(shù)值離散。壓力項(xiàng)與速度項(xiàng)耦合利用SIMPLE算法。對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式，擴(kuò)散項(xiàng)的離散具有二階精度。為了使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確,將廢排風(fēng)帽進(jìn)口風(fēng)道加長。

圖1　廢排風(fēng)帽結(jié)構(gòu)圖

圖2　廢排風(fēng)帽網(wǎng)格劃分

2.2邊界條件設(shè)置

為了簡化問題，認(rèn)為廢排風(fēng)帽內(nèi)的空氣流動(dòng)是完全的三維、黏性、不可壓、湍流流動(dòng)；氣流為低速流動(dòng)，可忽略由流體粘性力做功所引起的耗散熱；認(rèn)為風(fēng)帽氣密性良好，不考慮風(fēng)帽漏風(fēng)的影響，固體壁面采用無速度滑移邊界條件，進(jìn)口條件采用速度進(jìn)口邊界條件，根據(jù)風(fēng)帽的排風(fēng)量計(jì)算出風(fēng)帽的速度入口，假定其進(jìn)口速度分布均勻，風(fēng)帽出口條件設(shè)為壓力出口邊界條件。

2.3廢排風(fēng)帽數(shù)值模擬結(jié)果與分析

影響局部阻力系數(shù)的主要因素包括:風(fēng)帽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀,壁面粗糙度及雷諾數(shù)。由于風(fēng)帽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙形狀的強(qiáng)烈擾動(dòng)作用，流動(dòng)在較小的雷諾數(shù)時(shí)就已充分湍流，所以風(fēng)帽排風(fēng)系統(tǒng)的空氣流動(dòng)大都處于非層流區(qū),相對而言，壁面粗糙度和雷諾數(shù)對局部阻力系數(shù)的影響較小，故可認(rèn)為阻力系數(shù)僅僅與排風(fēng)帽形狀有關(guān)。

由于排風(fēng)風(fēng)帽的進(jìn)出口距離很短，根據(jù)公式計(jì)算得到排風(fēng)風(fēng)帽進(jìn)口至風(fēng)筒末端的沿程阻力很小，相對于排風(fēng)風(fēng)帽的阻力來說是非常小，在計(jì)算中予以忽略。由于改變進(jìn)口速度的情況下,壓力分布和速度分布趨勢大概是一致的,所以以300 m3/h作為代表,展示各個(gè)截面的壓力場和速度場。

以下結(jié)果為列車靜止時(shí),排風(fēng)帽的壓力分布和速度分布,分別分5種工況,排風(fēng)量分別為300, 350, 400,450,500 m3/h等工況下對廢排風(fēng)帽進(jìn)行了數(shù)值模擬。

圖3　廢排風(fēng)帽壓力分布圖

圖4　廢排風(fēng)帽內(nèi)風(fēng)的速度分布圖

由圖3可知，廢排風(fēng)帽壓力分布，在設(shè)置出口壓力為0 Pa的情況下，進(jìn)風(fēng)口速度為0.66 m/s時(shí)，風(fēng)帽內(nèi)靜壓差為3.07 Pa，風(fēng)帽內(nèi)阻力為1.48 Pa。由圖4可知，最大速度分布在出風(fēng)口第一個(gè)格柵上方，由于格柵與上蓋板之間間距較小，風(fēng)帽的基本構(gòu)造使得風(fēng)主要從上方格柵與上蓋板之間流出，使得此處壓力劇增。造成排風(fēng)帽排風(fēng)阻力加劇。由模擬結(jié)果可知，當(dāng)空氣流經(jīng)排風(fēng)帽時(shí),由于流動(dòng)大小和流動(dòng)方向的改變,引起了流速的重新分布并產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生局部阻力。

2.4優(yōu)化后的風(fēng)帽的模擬分析

由于受到軌道車輛高度的限制，排風(fēng)風(fēng)帽的高度等也受到了限制，如不能采用傘型風(fēng)帽，圓錐型風(fēng)帽，隨風(fēng)轉(zhuǎn)向型風(fēng)帽等。采取提高風(fēng)帽的排風(fēng)性能，降低風(fēng)帽的排風(fēng)阻力和阻力系數(shù)的改進(jìn)措施也受到限制。因此，對排風(fēng)風(fēng)帽的改進(jìn)設(shè)計(jì)主要就風(fēng)帽排風(fēng)口面積，風(fēng)帽格柵的形狀等方面來進(jìn)行。

圖5　廢排風(fēng)帽三維圖

圖6　改進(jìn)后廢排風(fēng)帽內(nèi)風(fēng)三維圖

為了研究出風(fēng)口最小截面距離的增加對減小風(fēng)帽流動(dòng)阻力的作用，對原廢排風(fēng)帽的形狀進(jìn)行改動(dòng)，如圖6所示，廢排風(fēng)帽總高為112 mm，截面位置處出口間距由26.3 mm改為30.0 mm，將廢排風(fēng)帽出口上方的格柵旋轉(zhuǎn)180°，將改進(jìn)前后的的廢排風(fēng)帽內(nèi)阻力和阻力系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬對比分析。對改進(jìn)后的廢排風(fēng)帽進(jìn)行數(shù)值模擬，具體數(shù)值模擬分布如圖7、圖8所示。

由圖7可知,廢排風(fēng)帽進(jìn)口壓力,排風(fēng)風(fēng)帽進(jìn)口截面的平均全壓為2.51 Pa，排風(fēng)風(fēng)帽出口截面的平均全壓1.54 Pa，改進(jìn)后廢排風(fēng)帽阻力為0.97 Pa。由圖7和圖8可知，由于蓋板與進(jìn)口距離的增大，出口風(fēng)速分布較為均勻，上方格柵與上蓋板之間的流動(dòng)阻力減小，使得風(fēng)帽的排風(fēng)阻力有所降低。

圖7　改進(jìn)后廢排風(fēng)帽壓力分布圖

圖8　改進(jìn)后廢排風(fēng)帽內(nèi)風(fēng)的速度分布圖

根據(jù)公式計(jì)算可知，排風(fēng)帽的進(jìn)口管段的沿程阻力很小，相對于排風(fēng)帽的阻力，可以忽略不計(jì)。改進(jìn)前后排風(fēng)帽結(jié)構(gòu)在不同排風(fēng)量的工況下，進(jìn)口截面的靜壓值、進(jìn)口截面全壓值、出口截面全壓值、排風(fēng)帽阻力以及阻力系數(shù)，具體壓力分布如表1和表2所示。

表1　不同工況下廢排風(fēng)帽內(nèi)壓力分布

表2　不同工況下改進(jìn)后廢排風(fēng)帽內(nèi)壓力分布

由表1和表2的數(shù)值仿真結(jié)果可以得到排風(fēng)帽阻力和排風(fēng)量以及阻力系數(shù)之間的關(guān)系，圖9為改進(jìn)前后廢排風(fēng)帽內(nèi)廢排風(fēng)量和阻力分布關(guān)系，圖10為改進(jìn)前后廢排風(fēng)帽內(nèi)廢排風(fēng)量和阻力系數(shù)分布關(guān)系。

由圖9可以看出，增大出風(fēng)口最小截面距離，廢排風(fēng)帽的流動(dòng)阻力減小，隨著廢排風(fēng)帽排風(fēng)量的增加，流動(dòng)阻力值隨著增大。由圖10可知，增大出風(fēng)口最小截面距離，廢排風(fēng)帽的流動(dòng)阻力系數(shù)降低，流動(dòng)阻力系數(shù)廢排風(fēng)帽排風(fēng)量的增加而降低，改進(jìn)前降低幅度較大，改進(jìn)后廢排風(fēng)帽阻力系數(shù)降低幅度較小，趨于平緩。

圖9　改進(jìn)前后廢排風(fēng)帽內(nèi)阻力分布

圖10　改進(jìn)前后廢排風(fēng)帽內(nèi)阻力系數(shù)分布

3　結(jié)　論

通過對軌道車輛上的廢排風(fēng)帽的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對排風(fēng)風(fēng)帽的改進(jìn)設(shè)計(jì)研究到如下結(jié)論：

(1) 隨著排風(fēng)風(fēng)帽進(jìn)口速度的增大，廢排風(fēng)帽內(nèi)的阻力也逐漸增加。

(2) 風(fēng)帽排風(fēng)量一定時(shí)，改變風(fēng)帽側(cè)面最小出口截面時(shí)，截面位置處出口間距增大，再將廢排風(fēng)帽的格柵旋轉(zhuǎn)180°，改進(jìn)后的廢排風(fēng)帽阻力有所降低。

(3) 改進(jìn)前后廢排風(fēng)帽內(nèi)壓力分布趨勢是一樣的，改進(jìn)后4個(gè)工況下，廢排風(fēng)帽內(nèi)的壓力都有所降低,隨著進(jìn)口速度增大，廢排風(fēng)帽內(nèi)的阻力降低值也隨著增大。

[1]項(xiàng)文路.現(xiàn)代城市軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)及發(fā)展方向[J].鐵道機(jī)車車輛,2007,V01.27(10):90-96.

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Numerical Simulation of the Exhaust Characteristics of Exhaust Hood on Rail Vehicle

GENGYabin,YUMiao,LIXihui,WANGYongpeng

(R&D Center Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063035 Hebei, China)

Waste exhaust hood of the rail vehicle is an important part of the environmental control system, and its characteristics directly affect on the discharge of exhaust air. It played important role to adjust pressure difference inside and outside the room. In this paper, the flow characteristics of the waste exhaust hood on rail vehicles were studied by numerical simulation with computational fluid dynamics software-Fluent, the results showed that: if the minimum cross section of the outlet decreases, the flow resistance of the waste exhaust hood will increase, the shape and arrangement of the outlet grille influence hood inside the hood trajectory and flow characteristics. It will provide a reference for the optimal design exhaust hood on rail vehicles.

rail vehicles; waste exhaust hood; numerical simulation; flow resistance

1008-7842 (2016) 03-0084-04

??)男，工程師(

2015-11-25)

U270.38+3

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.18