客車空調(diào)送風參數(shù)對室內(nèi)流場的影響研究

彭 倩 黃繼文 劉金武 陳篤廉 張 綱

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客車空調(diào)送風參數(shù)對室內(nèi)流場的影響研究

彭 倩1黃繼文1劉金武1陳篤廉2張 綱2

（1.廈門理工學院機械與汽車工程學院 廈門 361000；2.廈門金龍旅行車有限公司 廈門 361000）

旨在研究空調(diào)送風參數(shù)對室內(nèi)熱流場的影響，以某9m旅行客車為研究對象，建立三維流場模型；基于RNG湍流模型；采用SIMPLE算法計算了客車室內(nèi)5組不同送風參數(shù)下的氣固耦合傳熱問題。結(jié)果表明：送風角度對整體溫度場與速度場的分布影響較大，送風角度為15°時乘員舒適性較好；在送風溫度不變的情況下，隨著送風速度的增加室內(nèi)平均速度增大，車內(nèi)平均溫度也隨之降低，而送風溫度僅對溫度場有明顯影響。

空調(diào)客車；數(shù)值模擬；氣流組織；溫度場

0 引言

良好的客車室內(nèi)流場與溫度場組織不僅能提高乘員的熱舒適性，有利于行駛安全，而且能夠提高室內(nèi)冷量利用率，減少能源消耗[1,2]?？蛙囀覂?nèi)的熱舒適性與空調(diào)的送風參數(shù)有密切關(guān)系，由于客車內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復雜，運行環(huán)境溫度多變，乘員數(shù)目不固定，自然對流、強制對流與熱輻射等多種傳熱方式并存[3]，用試驗的方法研究客車室內(nèi)熱流場存在一定的難度，因此有必要在開發(fā)前期運用CFD技術(shù)對不同送風工況進行數(shù)值模擬，研究空調(diào)送風參數(shù)對室內(nèi)流場的影響。

為了研究不同因素對車室內(nèi)流場的影響，江濤等[4]通過模擬不同太陽高度角的輻射工況對轎車室內(nèi)熱流場的影響，并評價了不同工況下的人體舒適性，為轎車空調(diào)制冷系統(tǒng)的設計提供了參考；宋亞軍等[5]進一步分析了外界環(huán)境的影響，并提出通過降低送風溫度與選擇玻璃新材料提高乘員舒適性。謝金法等[6]模擬了轎車室內(nèi)動態(tài)降溫過程，并用多島遺傳算法優(yōu)化了送風角度；李超等[7]研究了地鐵車廂內(nèi)送風參數(shù)、溫度場、速度場和氣流組織之間的相互關(guān)系。上述研究表明車室內(nèi)熱流場受外界環(huán)境與空調(diào)送風參數(shù)影響較大，上述研究多集中在轎車上，轎車多采用上攻角送風，而客車多采用頂部向下送風，在送風方式上有著較大差異。在此基礎上文章分析了不同的送風參數(shù)對客車室內(nèi)速度場與溫度場的影響。

1 客車車廂數(shù)值模型

1.1 物理模型

以某39座空調(diào)客車為研究對象。車室內(nèi)長度8.9m，寬2.5m，高2.69m，左右布置座椅，走廊位于縱軸線上，由于客車室內(nèi)結(jié)構(gòu)復雜，簡化了儀表盤等對內(nèi)流場影響較小的細微結(jié)構(gòu)，考慮到行李架對出風口到乘員距離有影響，所以對行李架進行建模，風道位于左右兩側(cè)行李架內(nèi)，駕駛員與最后排乘客處風道位于車頂，送風口沿長度方向均勻分布；通過走廊集中回風，回風口位于車頂中央。其簡化模型如圖1所示。

圖1 客車車室簡化模型

1.2 數(shù)學模型

為了簡化問題作如下假設：

（1）車室內(nèi)空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流，傳熱過程為穩(wěn)態(tài)；

（2）客車室內(nèi)空氣符合Boussinesq假設；

（3）車廂氣密性良好，無氣體泄漏；

（4）忽略室內(nèi)壁面之間熱輻射。

各控制方程表示如下：

（1）連續(xù)性方程：

（2）動量方程：

（3）能量方程：

表1 湍流數(shù)學模型中的常數(shù)

1.3 邊界條件和計算方法

客車在行駛過程中，受外部環(huán)境、空調(diào)送風參數(shù)、乘員散熱等因素影響，室內(nèi)的空氣流動與傳熱情況比較復雜，在數(shù)值模擬中，客車車室邊界條件的建立是關(guān)鍵。車室壁面與車窗受車外對流換熱、熱傳導和太陽輻射的影響，選用混合邊界作為熱邊界條件；地板采用導熱邊界；不考慮服裝熱阻影響，將乘員簡化為恒定散熱熱源，熱流密度為116W/m2，附加在座椅壁面；空調(diào)回風口采用壓力出口邊界，=101325Pa；送風口采用速度進口邊界，送風角度為風速與垂向夾角，具體送風參數(shù)見表2。采用SIMPLE算法計算離散控制方程，對流項采用二階迎風離散格式，松弛因子取Fluent軟件默認數(shù)值。

表2 空調(diào)送風參數(shù)

2 結(jié)果分析

分別從送風角度、速度及溫度對車室內(nèi)速度場和溫度場的影響進行分析，取第三排座椅處送風口下橫截面為對比分析截面。速度等值線圖的單位為m/s，溫度等值線圖的單位為K。

2.1 送風角度的影響

圖2至圖4給出了送風溫度（291.15K)、送風速度3m/s相同，送風角度分別為0°、15°與30°的截面溫度與速度等值線圖。

對比其速度等值線圖可以看出冷風射流基本呈直線狀，其軸心速度沿送風角度向下，擴散角度較小，其中0°時乘客頭部高度時速度減至0.50m/s，15°時減至0.43 m/s，30°時減至0.40 m/s，隨著送風角度的增大冷風射流到人體頭部高度時速度減小，有利于減輕吹風冷感。

由三種工況溫度等值線圖可知，送風角度為0°時，近窗乘客區(qū)域溫度明顯低于鄰近走道區(qū)域溫度，會導致近窗乘客有吹風冷感影響舒適性，地板處平均溫度高于乘客頭部平均溫度2.8°；15°時乘客頭部高度溫度分布較均勻頭部平均溫度較地板處高2.4°；30°時近窗乘客處溫度明顯高于鄰近走到區(qū)域，且近窗處乘客頭部溫度高于地板處1.2°。隨著送風角度增大，流入車廂底部冷量增大，乘客頭部與腳部的溫差逐漸減小，當送風角度增大至30°時，乘客腳部溫度低于頭部溫度，出現(xiàn)頭熱腳涼現(xiàn)象，降低了乘員舒適性。

（a）速度等值線圖（b）溫度等值線圖 圖2 截面速度與溫度等值線圖（工況1）Fig.2 Section velocity and temperature contour map(condition1) （a）速度等值線圖（b）溫度等值線圖 圖3 截面速度與溫度等值線圖（工況2）Fig.3 Section velocity and temperature contour map(condition2) （a）速度等值線圖（b）溫度等值線圖 圖4 截面速度與溫度等值線圖（工況3）Fig.4 Section velocity and temperature contour map(condition3)

2.2 送風速度的影響

圖5為送風溫度為291.15K，送風角度為0°，送風速度4m/s下截面的速度與溫度等值線圖，對比圖1可知加大送風速度后流場平均速度增大，回旋氣流動能增大有利于車內(nèi)熱量散出，但風口下乘客頭部氣流速度為0.71m/s，乘客會有較強的冷風吹面感，舒適性較差。同時，對比圖1和圖4溫度云圖可知，隨著送風速度增大，輸送的制冷量增多，明顯降低了客車室內(nèi)平均溫度。

（a）速度等值線圖（b）溫度等值線圖 圖5 截面速度與溫度等值線圖（工況4）Fig.5 Section velocity and temperature contour map(condition4)

2.3 送風溫度的影響

圖6為送風溫度288.15K，送風角度0°，送風速度為3m/s的速度矢量圖與溫度云圖，對比圖2速度等值線圖可以看出，只改變送風溫度對車室內(nèi)速度場幾乎沒有影響。同時對比圖2溫度等值線圖可知，將送風溫度降低3K，整個截面的溫度都出現(xiàn)明顯的下降，平均溫度相比工況1降低了1.7度，與3K相差較多，這是由于室內(nèi)外溫差增大，冷量耗散加快的緣故。

（a）速度等值線圖（b）溫度等值線圖 圖6 截面速度與溫度等值線圖（工況5）Fig.6 Section velocity and temperature contour map(condition5)

3 結(jié)論

（1）送風角度對客車室內(nèi)速度場的分布有明顯影響，對整體平均溫度影響較小，但送風角度增加到30°時近窗乘客會感覺到頭熱腳涼，熱舒適性差。15°時室內(nèi)溫度場與速度場分布較合理。

（2）送風速度對室內(nèi)溫度場和速度場均有明顯的影響，增大送風速度可以增加冷風的送風量，有效降低車內(nèi)溫度，但乘客頭部高度氣流速度較高，使乘客有冷風吹面感，從而影響熱舒適性；同時增加送風速度也會增加空調(diào)能耗。

（3）送風溫度對客車室內(nèi)速度場幾乎沒有影響，降低送風溫度可以有效降低車室內(nèi)平均溫度，在極限工況下可通過降低送風溫度降低車內(nèi)溫度而不使乘客產(chǎn)生吹風感。

[1] 陳見,曹偉武,胡必強,等.工程車輛駕駛室熱舒適性評價[J].上海工程技術(shù)大學學報,2015(2):101-105.

[2] 李銳.制冷空調(diào)能耗及減排節(jié)能技術(shù)的分析[J].制冷與空調(diào),2015,29(1):114-118.

[3] HAN T Y, CHEN K H, KHALIGHI B. Assessment of Various environmental thermal loads on passenger thermal comfort[R]. Detroit: Society of Automotive Engineers, 2010.

[4] 江濤,谷正氣,楊易,等.太陽輻射對乘員熱舒適性影響的研究[J],合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2011, 34(8):1135-1137.

[5] 宋亞軍,趙蘭萍,楊志剛,等.太陽輻射對車室內(nèi)熱舒適性的影響分析與改進[J].計算機仿真,2014, 31(7):148-152.

[6] 謝金法,段冉.基于Insight和Fluent軟件的轎車空調(diào)風向優(yōu)化研究[J].鄭州大學學報(工學版),2014,35(3): 124-128.

[7] 李超,張成方.石家莊地鐵3號線車廂內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬及分析[J].制冷與空調(diào),2016,30(2):153-157.

[8] 王福軍.計算流體力學分析[M].北京:清華大學出版社,2011:51-68.

An Investigation on the Impact of Air Inlet Parameters on Air-conditioned Bus Indoor Flow Field

Peng Qian1Huang Jiwen1Liu Jinwu1Chen Dulian2Zhang Gang2

( 1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen, 361000;2.Xiamen golden dragon bus Co., Ltd, Xiamen, 361000 )

The study aims to investigate the effect of inlet air parameters on indoor heat flow field. Geometrical model was built based on a 9m coach. The influences of five groups of different air parameters on the interior velocity and temperature filed were calculated using RNG-turbulent model and SIMPLE algorithm. The results manifest that inlet air angle has a great effect on the velocity field and temperature field, passenger's thermal comfort is well when the inlet air angle is 15 degree; with the increasing of inlet air velocity, the interior average temperature is reduced; the inlet air temperature only has an influence on temperature field.

air conditioning coach; numerical simulation; air organization; temperature field

1671-6612（2016）06-716-04

TP391.9

A

國家外專局高端外國專家項目（GDT20153600065）；福建省教育廳JK項目（JK2014036）；廈門理工學院研究生科技創(chuàng)新計劃項目（40315014）

彭 倩（1982.6-），男，博士，副教授，E-mail：pengqian@163.com

黃繼文（1990.5-），男，在讀研究生，E-mail：huang_xmut@163.com

2016-07-06