CRH380B動車組司機室風(fēng)道及室內(nèi)流場數(shù)值分析

王東屏，高壯,李明,劉楠

(1.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)中心，河北 唐山 063035)

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CRH380B動車組司機室風(fēng)道及室內(nèi)流場數(shù)值分析

王東屏1，高壯1,李明2,劉楠2

(1.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)中心，河北 唐山 063035)

針對CRH380B司機室風(fēng)道結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點,以其司機室為研究對象,建立了其空調(diào)送風(fēng)風(fēng)道和司機室的三維計算模型.利用計算流體力學(xué)數(shù)值仿真方法,采用κ-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流計算模型和SIMPLE算法,對司機室的空調(diào)風(fēng)道和內(nèi)流場進行了數(shù)值模擬計算,獲得了流場內(nèi)流動參數(shù)的詳細信息,并結(jié)合國際鐵路聯(lián)盟規(guī)程UIC 553-2004,對司機室的溫度場和速度場進行評估．研究結(jié)果表明該頭車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計合理,滿足人體舒適性要求．

CRH380B;司機室;CFD數(shù)值仿真;速度場;溫度場

0 引言

目前，動車組是我國中長途客運的主要交通工具，隨著我國動車組技術(shù)的逐步發(fā)展，人們對車廂內(nèi)的舒適性要求也越來越高，車廂內(nèi)的舒適性已經(jīng)成為衡量動車組空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一[1].車廂內(nèi)環(huán)境的好壞直接影響到乘客的身心健康，司機室內(nèi)工作環(huán)境對司機保障列車安全運行具有極其重要的意義.

車廂內(nèi)熱舒適性和氣流速度問題已成為國內(nèi)外研究者關(guān)注的焦點和研究的熱點.室內(nèi)空氣的速度場、溫度場是研究空調(diào)列車室內(nèi)氣流組織及空調(diào)列車室內(nèi)舒適環(huán)境評價的基礎(chǔ)，其內(nèi)部空氣質(zhì)量直接影響到車內(nèi)的空氣品質(zhì)和人體熱舒適性.張登春等對25K型空調(diào)硬臥車內(nèi)氣流組織進行了數(shù)值模擬[2]；王東屏等運用了CFD對高速動車組的空調(diào)系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，并對空調(diào)系統(tǒng)引入UIC標(biāo)準(zhǔn)做出了評價[3]；頓小紅等對我國現(xiàn)有的4種高速動車組空調(diào)系統(tǒng)的性能進行了細致的比較與分析[4]；劉杰等用流場指標(biāo)和熱舒適性指標(biāo)對客室內(nèi)的熱舒適性進行了評價[5]；王東屏對250 km/h動車組頭車司機室和客室的空調(diào)風(fēng)道和內(nèi)流場進行了數(shù)值計算，并引入UIC標(biāo)準(zhǔn)對其進行了評估[6].多年來經(jīng)過流體研究者的不懈努力，國內(nèi)對于動車組空調(diào)系統(tǒng)的研究也在逐步深入，但由于動車組司機室的流線型外殼較為復(fù)雜，對于其風(fēng)道及室內(nèi)流場的研究較少，故相關(guān)文獻也較少.

本文對CRH380B司機室及其風(fēng)道進行了詳細的研究分析，綜合考慮了太陽輻射、車體壁面?zhèn)鳠?、車窗傳熱和人體、電器柜、操作臺等電子元件的散熱等多種傳熱等條件，研究了司機室內(nèi)氣流分布特征，并在此基礎(chǔ)上對司機室內(nèi)的人體熱舒適性進行了分析，以滿足司機的舒適感要求.本文結(jié)合國際鐵路聯(lián)盟規(guī)程UIC 553-2004對其內(nèi)流場計算結(jié)果進行評估，為工廠提出最終設(shè)計方案提供了可靠的參考依據(jù).

1 司機室內(nèi)流場數(shù)值計算模型

1.1 司機室風(fēng)道計算模型

計算模型為唐山客車廠CRH380B司機室，司機室內(nèi)有兩個電氣柜和一個操作臺，司機1人.

司機室風(fēng)道將冷風(fēng)分別輸送到司機室擋風(fēng)玻璃縫隙、操作臺底部、電氣柜側(cè)部風(fēng)口和側(cè)窗.司機室內(nèi)有3類進風(fēng)道：進風(fēng)道1位于司機室擋風(fēng)玻璃的上部，前擋風(fēng)玻璃的縫隙分為上下兩部分，上部分縫隙連接進風(fēng)道1，下部分縫隙連接進風(fēng)道2；進風(fēng)道2位于車體兩壁側(cè)窗上部，與兩個側(cè)窗相連；進風(fēng)道3位于車體兩側(cè)壁面和底部交界面附近，其出風(fēng)口位于司機腳前約0.63 m處和電氣柜側(cè)部.具體送風(fēng)過程為：①冷風(fēng)從進口1進到進風(fēng)道1，然后從進風(fēng)道1通過擋風(fēng)玻璃上部的縫隙進入到車體內(nèi)；② 冷風(fēng)從進口2 進到送風(fēng)道2，大部分冷風(fēng)從進風(fēng)道2下側(cè)的2個側(cè)窗進入到車體，小部分冷風(fēng)從進風(fēng)道2通過擋風(fēng)玻璃下部的縫隙進入到車體內(nèi)；③冷風(fēng)從進口3進到送風(fēng)道3，然后冷風(fēng)從進風(fēng)道3位于司機腳前約0.63 m處的出風(fēng)口和電氣柜壁附近的出風(fēng)口進入到車體內(nèi).送風(fēng)道的幾何模型，如圖1所示.車頭簡化圖如圖2所示.

圖1 司機室進風(fēng)道

圖2 車頭簡化圖

圖3 網(wǎng)格圖

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格由Hypermesh軟件生成，采用四面體網(wǎng)格以適應(yīng)司機室風(fēng)道的復(fù)雜結(jié)構(gòu).網(wǎng)格總數(shù)約743萬，其中有7個網(wǎng)格vol skew 值大于0.93 ，其中最大值為0.95，網(wǎng)格質(zhì)量良好，如圖3所示.

1.3 工況計算

司機室的計算工況如下：車廂外溫度為40℃，冷風(fēng)入口溫度為20℃，司機室送風(fēng)量為1 064 m3/h，司機室回風(fēng)量為904.4 m3/h，司機室廢排風(fēng)量為159.6 m3/h，司機人數(shù)為1位.司機室產(chǎn)熱元件功率如表1所示.

表1 司機室產(chǎn)熱元件功率

太陽輻射主要由直射輻射、散射輻射和地面反射輻射三部分組成.因此,列車壁面受到的太陽總輻射強度J為:[7]

(1)

式中,J為列車壁面受到的太陽總輻射強度,W/m2;IZ為太陽直射輻射強度，W/m2;IS為散射輻射強度,W/m2;IR為地面反射輻射強度,W/m2.

太陽赤緯角δ，是指地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角，其中為n日期序號.

(2)

式中,n=193,求得δ=22.0°.

太陽時角ω，日面中心的時角，即從觀測點天球子午圈沿天赤道量至太陽所在時圈的角距離.

(3)

式中,取ST=14，求得w=30°.

緯度角φ，蘭州到新疆的緯度跨度為36°～44°，這里取φ=40°.

計算太陽輻射時，地球表面的太陽輻射強度主要由太陽光線與照射地點的夾角決定，即太陽高度角，用β表示.計算太陽高度角β：

(4)

求得sinβ=0.904，則β=64°，為計算方便取60°.

輻射強度的計算公式如下:

(5)

式中，I0為太陽常數(shù)，取值為1 367 W/m2;P為大氣透明度，通常用來衡量大氣透明程度的標(biāo)志，其值越接近于1，大氣越清澈，一般取值0.65～0.75之間；m=1/sinβ，β為太陽高度角β=60°.

為了便于研究夏季太陽熱輻射對車輛隔熱壁的熱作用，可以把外表面所吸收的那部分太陽熱輻射能采用溫度的形式來描述.將其迭加到室外溫度上，得到太陽照射表面的綜合溫度.公式如下[8]:

(6)

式中ρJ/αH的單位為溫度單位(℃)，用這一值來等效太陽輻射熱作用的溫度值，即太陽輻射的當(dāng)量溫度.

車體內(nèi)壁面K值(W/(m2·k))、總輻射量(W/m2)和溫度值(℃)匯總列于表2.

表2 車體內(nèi)壁溫度統(tǒng)計表

2 司機室計算結(jié)果及分析

2.1 風(fēng)道和司機室內(nèi)的空氣粒子分布

風(fēng)道和司機室內(nèi)的空氣粒子分布圖(跡線圖)，如圖4所示.

圖4 風(fēng)道的空氣粒子分布圖(跡線圖)

由圖4可知，送風(fēng)風(fēng)道的進風(fēng)口分別將冷風(fēng)從3類風(fēng)道送進司機室，第一類是經(jīng)過擋風(fēng)玻璃的縫隙送進，分上下兩部分；第二類通過進風(fēng)道送到司機腳前0.63m處和電氣柜周圍；第三類通過四個側(cè)窗送進.回風(fēng)口位于進風(fēng)口1的下部，廢氣從位于操作臺底部的兩個廢排風(fēng)道和電氣柜后部的兩個廢排風(fēng)道排出.

2.2 溫度場分析

車體對稱面(Z=0 m)的溫度分布，如圖5所示.

圖5 司機室對稱面溫度分布

由圖5可知，司機室內(nèi)溫度分布較為均勻，主要區(qū)域溫度為26.3～26.9℃，司機室前部為25.7℃，上部為26.9℃，后部為26.3℃，操作臺是產(chǎn)熱元件，附近區(qū)域溫度較高，前擋風(fēng)玻璃區(qū)域受到外界溫度的影響溫度也較高，為28.3℃，靠近冷風(fēng)道的區(qū)域由于有冷風(fēng)吹進，溫度較低，為25.7℃.

司機胸部位置截面(Y=2.1 m)的溫度分布，如圖6所示.

圖6 司機胸部位置截面溫度分布

由圖6可知，司機胸部位置截面主要區(qū)域溫度為26.3～26.9℃，分布在人體周圍，前部溫度較高，為28.1℃.

司機體表測點(頭、左肩、右肩、左膝、右膝、左腳、右腳)處的溫度(距離被測表面30 mm)分別是26.2、26.0、26.3、26.1、26.2、25.8、26.1℃.

由圖5、6可知，司機室主要區(qū)域溫度為26.3～26.9℃，靠近冷風(fēng)道的區(qū)域由于有冷風(fēng)吹進，溫度較低，約為25.7℃，靠近產(chǎn)熱元件和人體周圍溫度較高，司機室中部區(qū)域溫度較為均勻，為26.3℃，司機周圍溫度為26.3～26.9℃.

2.3 速度場分析

車體對稱面(Z=0 m)的速度分布，如圖7所示.

圖7 司機室對稱面的速度分布

由圖7可知，人體胸部、頭部速度為0.47 m/s，腳部速度為0.32 m/s，腰部速度為0.43 m/s，司機室速度為0.2～0.5 m/s，速度大小從上至下逐漸減小，頂部速度較高，為0.5 m/s，司機腿部周圍為0.25 m/s，膝部區(qū)域風(fēng)速0.35 m/s，肩部區(qū)域風(fēng)速0.36 m/s.

司機胸部位置截面(Y=2.1 m)的速度分布，如圖8所示.

圖8 司機胸部位置截面的速度分布

由圖8可知，司機胸部周圍速度分別為：前部0.5 m/s，左臂0.42 m/s，右臂0.3 m/s，后部0.35 m/s.

司機頭、左肩、右肩、左膝、右膝位置風(fēng)速(距離被測表面100 mm)分別是0.47、0.42、0.3、0.33、0.38 m/s.

由圖7、8可知，司機室速度為0.2～0.5 m/s，速度大小從上至下逐漸減小，頂部速度較高，為0.5 m/s，司機腿部周圍為0.25 m/s，司機頭部風(fēng)速0.47 m/s，膝部區(qū)域風(fēng)速0.35 m/s，肩部區(qū)域風(fēng)速0.36 m/s.

3 結(jié)論

通過對動車組司機室風(fēng)道及室內(nèi)流場計算，分析其風(fēng)道和室內(nèi)溫度場和速度場，得出如下結(jié)論:

(1)司機室內(nèi)溫度分布從上到下，溫度由26.9 ℃降至25.7℃，主要區(qū)域溫度為26.3～26.9℃，司機從頭部區(qū)域到腳部區(qū)域，溫度由26.3℃過渡到25.8℃，室內(nèi)溫度分布均勻；

(2)司機室內(nèi)風(fēng)速為：司機頭部風(fēng)速為0.47 m/s，司機室中上部區(qū)域風(fēng)速為0.45 m/s，司機肩部區(qū)域風(fēng)速0.36 m/s，腰部風(fēng)速為0.43 m/s，腿部周圍為0.25 m/s，膝部區(qū)域風(fēng)速0.35 m/s，腳部風(fēng)速為0.32 m/s，司機室內(nèi)速度分布合理；

(3)頭車司機室采用立體送風(fēng)方式，冷風(fēng)從司機室前擋風(fēng)玻璃頂部縫隙、側(cè)窗和司機腳部附近進入，風(fēng)道設(shè)計合理，司機室的溫度場、速度場符合UIC 553-2004標(biāo)準(zhǔn)，滿足實際工作的需要.

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WANG Dongping1,GAO Zhuang2,LI Ming2,LIU Nan2

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.P&T Research Center,Tangshan Railway Vehicle Co.,Ltd，Tangshan 063035,China)

Aiming at complex structure of the CRH380B cab compartment duct,its cab compartment was studied,and three-dimensional calculation model of cab compartment and air conditioning duct was established.Numerical calculation on interior flow field of the cab compartment and its air conditioning duct was performed by using computational fluid dynamic numerical simulation method,κ-ε standard turbulence model and the SIMPLE algorithm.The detailed information of the flow parameters were obtained,and the temperature and velocity fields of the cab compartment were assessed with UIC 553-2004. Results show that the air-conditioning ventilation system meets human comfort requirements,and the design is reasonable.

CRH380B;cab compartment;CFD numerical simulation;velocity field;temperature field

1673- 9590(2016)03- 0011- 05

2015- 05- 13

王東屏(1962-),女，教授,博士，主要從事空氣動力學(xué)的研究E-mail:wdp@163.com.

A