地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)送風均勻性仿真及優(yōu)化

于會龍

摘要：旨在研究地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)送風風道的送風均勻性，以某地鐵車輛為研究對象，在CFD軟件中建立三維流場模型進行計算，并利用各段出風口質(zhì)量流量與平均值相對偏差的標準差來評價風道的送風均勻性，分析造成氣流不均勻的原因，并對風道的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。通過優(yōu)化前后的模擬仿真，結(jié)果表明優(yōu)化過后氣流更加均勻，為以后地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；風道；氣流組織；均勻性

1引言

良好的空調(diào)氣流組織對于室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性相當重要。實現(xiàn)良好的氣流組織，前提是要保證空調(diào)系統(tǒng)送風風道的送風均勻性，即空調(diào)各送風口送風均勻。倘若風道送風均勻性不好，就會導(dǎo)致車廂內(nèi)氣流組織不均勻，進而造成車廂內(nèi)溫度場和速度場分布不均勻，影響車輛的舒適性和能源消耗。所以，實現(xiàn)送風風道均勻性非常重要，也是保證充分利用空調(diào)機組產(chǎn)生的冷量、充分發(fā)揮空調(diào)的制冷或者制熱作用、保證新風的利用率、提高乘客舒適性的重要條件。

2地鐵車輛數(shù)值模型

2.1物理模型

以某地鐵車輛為研究對象?？紤]到該車風道在結(jié)構(gòu)上的對稱特點，整個風道沿列車橫向?qū)ΨQ并且沿列車縱向分為4段相同的風道，因此建立其中一段完整的風道三維模型作為研究對象。對車輛的風道三維模型進行簡化時，以最大化地保留原結(jié)構(gòu)，不影響整體氣流分配為基本原則，刪除掉了細小部件（如螺栓、法蘭等），同時僅保留模型的最內(nèi)層表面用于流體計算。其簡化模型如圖1所示，風道出風口從左至右順次命名為k1-k28。

2.2數(shù)學模型

為了簡化問題作如下假設(shè)：車室內(nèi)空氣流動為三維、定常、不可壓縮流動，描述空氣流動的控制方程包括連續(xù)性方程、RANS方程以及湍流模型方程?？諝饷芏炔蛔?，不考慮空氣的溫度變化，風道壁面設(shè)為絕熱。

2.3邊界條件和評價方法

車廂內(nèi)空調(diào)送風采用速度人口邊界條件。單臺空調(diào)機組的送風流量為5000m3/h考慮到計算模型為1/2，故計算時一臺機組風量視為2500m3/h，每段風道風量為1250m3，h1，根據(jù)送風道入口的面積計算出送風速度為3.41m/s。

客室各出風口的風量示數(shù)組成集合，計算各段送風量與平均值相對偏差的標準差。較大的標準差，代表該集合中各數(shù)值與平均值差異較大；較小的標準差，反映各數(shù)值較為接近平均值；標準差反映各數(shù)值在平均值上下分布的均勻程度。

3結(jié)果分析

通過CFD軟件對風道原始模型進行仿真計算，得到計算結(jié)果如圖2：

圖2自上一下分別為28個出風口速度云圖，從圖中來看，低風道遠離機組側(cè)出口k2-k8區(qū)域出風口處流速較大，低風道出口k1、出口k9-k14區(qū)域出風口處流速較小，出口速度接近0m/s；高風道出風口k15-k27處流速較為均勻；在高、低風道內(nèi)所有長圓孔邊界均發(fā)生了回流，且靠近機組出風口處回流現(xiàn)象明顯。低風道k9-k14區(qū)域在氣流由分配箱風道進入低風道入口處端，氣流速度較大且中間風道沒有任何擾流措施，導(dǎo)致氣流直接向風道中部匯集，沒有通過靜壓隔板到達靜壓腔內(nèi)，故該區(qū)域流量值很小；k2-k8區(qū)域處于低風道中、末端，氣流通過靜壓隔板到達靜壓腔內(nèi)，因此該區(qū)域流量值偏大。整體來看，低風道送風口均勻性不好，高風道送風口均勻性較好，但送風口的整體均勻性水平不佳，整體風道出風口質(zhì)量流量與平均值相對誤差的標準差為0.72。

4結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對低風道靠近機組端出風口無送風的現(xiàn)象，通過在風道中部增加擾流板來解決，通過在靜壓腔內(nèi)增加隔板來解決風進入靜壓腔后向遠離機組端推送的現(xiàn)象，同時適當調(diào)整靜壓腔入口的位置及數(shù)量，起到風量均勻性的調(diào)節(jié)。針對高風道機組端出風口風量較大的現(xiàn)象，對風道內(nèi)的擾流板增加開孔，通過增大孔隙率來減小進機組端的風阻，并且調(diào)整部分靜壓隔板開孔的位置及數(shù)量，達到風量均勻性的調(diào)節(jié)。

通過CFD軟件對風道優(yōu)化后的模型進行仿真計算，得到計算結(jié)果如圖3：

由圖3可見，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，低風道整體流量值、流速值趨向均勻，高風道近機組端流量值、流速值降低，高、低風道分段流量值、流速值較為均勻。各段風道整體送風均勻性均得到提高，風道各段送風質(zhì)量流量與平均值相對偏差的標準差為0.33，相比原始結(jié)構(gòu)各段送風質(zhì)量流量與平均值相對偏差的標準差0.72有了明顯的優(yōu)化效果。各個出風口的出流不均勻性明顯降低，出風更加均勻，提高乘客的舒適感，并且達到節(jié)能的目的。

5結(jié)論

本文采用CFD仿真分析方法對地鐵車輛送風風道的送風均勻性進行論仿真分析，驗證了調(diào)整風道內(nèi)部擾流板及孔板參數(shù)對風道均勻送風的作用，采用該方法對風道進行優(yōu)化達到均勻送風的目的。風道各段送風質(zhì)量流量與平均值相對偏差的標準差由0.72減小至現(xiàn)在的0.33。針對地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，采用CFD仿真計算的方法可在較短時間內(nèi)得到最佳的設(shè)計參數(shù)。