動車組空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道仿真及送風(fēng)均勻性優(yōu)化分析

于鳳嬌，鄭學(xué)林，臧建彬

(1.上海海事大學(xué)，商船學(xué)院，上海 201306；2.同濟大學(xué)，機械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

0 前言

隨著我國新型高速列車的發(fā)展，列車內(nèi)環(huán)境的舒適性也日益受到人們的關(guān)注[1]。為營造良好的客室內(nèi)熱環(huán)境，需對氣流進行合理組織，均勻地對客室進行送風(fēng)，合理設(shè)置送風(fēng)口，并控制氣流速度在規(guī)定范圍內(nèi)。因此，空調(diào)機組的合理選型、送風(fēng)道的合理設(shè)計成為列車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。

圖1.1 送風(fēng)風(fēng)道主視圖和俯視圖

國內(nèi)很多學(xué)者對列車車輛空調(diào)送風(fēng)道的送風(fēng)原理、出風(fēng)性能等進行了理論及實驗研究。龍靜、王書傲[2]等對現(xiàn)有地鐵車輛的空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)方式進行了總結(jié)和比較，并將地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)風(fēng)道歸結(jié)為大截面準(zhǔn)靜壓送風(fēng)風(fēng)道、圓管式送風(fēng)風(fēng)道及條縫式靜壓均勻送風(fēng)風(fēng)道三類，其中，大截面準(zhǔn)靜壓送風(fēng)風(fēng)道利用了靜壓均勻送風(fēng)原理，適用于定風(fēng)量設(shè)計、車頂空間較大的車輛，對變風(fēng)量適應(yīng)性較差；圓管式送風(fēng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，有很大的靈活性，但其缺點是需對每段管路進行詳細(xì)的阻力計算與試驗，設(shè)計繁瑣麻煩，且不易保證其送風(fēng)均勻性；條縫式靜壓均勻送風(fēng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，且容易達到送風(fēng)均勻的目的，但在靈活性方面，稍有欠缺。通過分析各種風(fēng)道的送風(fēng)機理及其優(yōu)缺點，為列車空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)風(fēng)道設(shè)計提供參考。楊晚生等[3]針對等截面條縫式靜壓均勻送風(fēng)道，分析其送風(fēng)機理，通過建立氣流流動微分方程組，總結(jié)了主風(fēng)道內(nèi)阻力變化規(guī)律、靜壓分布規(guī)律及流速變化規(guī)律，并通過風(fēng)道實驗進行驗證，之后給出調(diào)整風(fēng)道內(nèi)部相關(guān)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化風(fēng)道送風(fēng)均勻性、改善出風(fēng)性能的建議措施。談越明等[4]也對靜壓式送風(fēng)道進行了送風(fēng)原理及結(jié)構(gòu)的分析，提出在風(fēng)道內(nèi)加裝助力板的改進建議。

本文針對某動車組TC車型空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)道進行模擬，給出了夏季工況下送風(fēng)道阻力的計算結(jié)果，同時對額定風(fēng)量下送風(fēng)的均勻性進行了驗證，并給出了具體的均勻性優(yōu)化方案，為空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 研究對象及模型

1.1 研究對象

如圖1.1所示，本文研究對象為某車客室送風(fēng)風(fēng)道。它包括一個初始風(fēng)道，一個主風(fēng)道，兩個側(cè)風(fēng)道，采用大截面準(zhǔn)靜壓送風(fēng)風(fēng)道。風(fēng)先經(jīng)過初始風(fēng)道進行加熱(冷卻)，然后通過風(fēng)量調(diào)節(jié)板進行風(fēng)量分配，夏季主風(fēng)道和側(cè)風(fēng)道的風(fēng)量比為7∶3。主風(fēng)道內(nèi)設(shè)有圓形的頂部出風(fēng)口，底部設(shè)有擋板、密封條和送風(fēng)孔板，形成一個靜壓箱結(jié)構(gòu)[5]，風(fēng)從主風(fēng)道通過頂部送風(fēng)口引出，然后在底部靜壓箱內(nèi)穩(wěn)壓，然后通過送風(fēng)孔板送入客室。側(cè)送風(fēng)道有兩種出風(fēng)方式，分別通過窗部和側(cè)墻底部進行出風(fēng)。

1.2 主風(fēng)道模型建立及邊界條件

依據(jù)送風(fēng)道三維模型圖，考慮空氣在管道內(nèi)流動，僅保留送風(fēng)管道最內(nèi)層結(jié)構(gòu)，刪除外側(cè)保溫層等結(jié)構(gòu)[5]，經(jīng)處理后建立的中間風(fēng)道模型如圖1.2所示。

圖1.3為主風(fēng)道網(wǎng)格圖，網(wǎng)格類型是Tetra/Mixted，既有四面體，又有六面體，四面體與六面體之間采用五面體(金字塔)過渡。網(wǎng)格總數(shù)1400萬個，最大網(wǎng)格尺寸40mm，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.25。

圖1.2 主風(fēng)道模型全局圖

圖1.3 主風(fēng)道網(wǎng)格圖

表1.1 送風(fēng)道計算邊界條件

渦粘模型壓力速度耦合壓力差分格式速度差分格式入口邊界出口邊界RANSSIMPLESecond OrderSecond Order速度入口壓力出口

表1.1是主送風(fēng)風(fēng)道模擬計算邊界條件，壓力差分格式和速度差分格式都是采用二階迎風(fēng)差分。最后質(zhì)量守恒，監(jiān)測的壓力入口、流量出口及風(fēng)道中某一點的速度保持恒定或者周期性變化，殘差保持恒定，滿足這三個條件時，此時計算被判定為收斂。

1.3 側(cè)風(fēng)道模型建立及邊界條件

依據(jù)客室送風(fēng)道三維模型圖，考慮空氣在管道內(nèi)流動，僅保留送風(fēng)管道最內(nèi)層結(jié)構(gòu)，刪除外側(cè)保溫層等結(jié)構(gòu)，經(jīng)處理后建立的側(cè)風(fēng)道模型如圖1.4、圖1.5所示。

2 數(shù)值模擬理論

使用CFD方法模擬流動問題，需要求解流動的連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程(對于有換熱的情況)[6]。由于實際的流動情況多為湍流流動，所以需要采用湍流模型來封閉雷諾時均的Navier-Stocks方程。

圖1.4 側(cè)送風(fēng)道模型全局圖

圖1.5 側(cè)送風(fēng)道出風(fēng)口示意圖

本模擬計算采用基于雷諾平均(RANS)模型。該模型在工程應(yīng)用上的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到了大量的試驗驗證，精度可靠。

RANS k-e模型的控制方程如下：

(2.1)

式中：

ρ—流體密度，kg/m3；

t—時間，s；

U—速度矢量，m/s；

? —變量，當(dāng)?取不同值時，式(2.1)可分別表示質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程；

S?—變量φ的源項。

3 結(jié)果與討論

3.1 側(cè)風(fēng)道計算結(jié)果及分析

如表3.1 側(cè)風(fēng)道夏季工況送風(fēng)風(fēng)道速度和壓力分布表所示，沿著側(cè)風(fēng)道送風(fēng)方向，從1#出風(fēng)口至7#出風(fēng)口下方送風(fēng)量依次增大，原因是沿著送風(fēng)方向，空氣的動壓逐漸降低，靜壓逐漸增加。而窗部各個送風(fēng)口送風(fēng)量很小。側(cè)風(fēng)道送風(fēng)過程中主要的阻力是局部阻力，主要表現(xiàn)在側(cè)風(fēng)道至各個側(cè)墻送風(fēng)口的過程中，相當(dāng)于一個三通，因此阻力較大。由計算可知，夏季工況包間側(cè)墻板送風(fēng)最大壓差是25.46Pa。

3.2 主風(fēng)道計算結(jié)果及分析

如表3.2所示，主風(fēng)道情況與側(cè)風(fēng)道情況類似，各個風(fēng)口的風(fēng)量分配不均勻。主風(fēng)道全壓分布沿著送風(fēng)方向逐漸減小，在送風(fēng)口時速度最大，沿著送風(fēng)方向速度逐漸減小。1#和2#出風(fēng)口的風(fēng)量相比后面4#、5#較少，原因是風(fēng)道入口處的風(fēng)速較大，動壓大，靜壓小，從而導(dǎo)致這部分區(qū)域出風(fēng)少。3#區(qū)域的風(fēng)量突然變小，是由于2#和3#風(fēng)道之間的壁面阻礙氣流的流動，使得氣流流通面積減小，導(dǎo)致風(fēng)速增大，動壓增大，靜壓減小，出風(fēng)量變小。由于6號出風(fēng)口的出流面積較其它7個小，故出風(fēng)量少，但由于該位置處于送風(fēng)末端，故靜壓較大，單位長度上的出風(fēng)量不少。對比風(fēng)量均勻分配情況下每個出風(fēng)口的理論風(fēng)量，發(fā)現(xiàn)出風(fēng)口風(fēng)量分配很不符合要求。最后得到進出口最大壓差為93.93Pa。

表3.1 側(cè)風(fēng)道夏季工況風(fēng)量和壓力分布表

出風(fēng)口位置風(fēng) 量底部風(fēng)量(m3/h)窗部風(fēng)量(m3/h)總風(fēng)量(m3/h)理想風(fēng)量(m3/h)偏差全 壓底部全壓(Pa)窗部全壓(Pa)1#75.171.9277.0965.6917.36%21.9920.062#86.902.9489.04109.05-17.62%21.6120.053#104.104.91109.01109.05-0.04%22.4920.084#105.005.73110.73109.051.54%22.6720.105#106.054.90110.95109.051.74%22.7420.076#106.665.20111.8109.052.58%22.7120.097#106.794.31111.10109.051.88%22.6220.08總出風(fēng)量720.58——入口719.9445.51

表3.2 主風(fēng)道夏季工況風(fēng)量和壓力分布表

出風(fēng)口位置風(fēng)量(m3/h)理想風(fēng)量(m3/h)偏差風(fēng)速(m/s)全壓(Pa)孔板壓降(Pa)總壓降(Pa)1#579.24603.15-3.96%0.057420.1842.1072.222#624.58603.153.55%0.061920.1948.9879.103#498.85603.15-17.29%0.049420.1331.1961.364#672.01603.1511.42%0.066620.2656.7386.785#713.04603.1518.22%0.070720.2763.9093.936#276.15324.27-14.84%0.050820.1932.9563.06出口總風(fēng)量3363.873360—————入口風(fēng)量3359.313360——50.30——最大壓差————30.17——

注：總壓降為風(fēng)道內(nèi)部的阻力壓降和孔板壓降之和。

3.3 側(cè)風(fēng)道優(yōu)化結(jié)果及分析

由表3.1可以看出，部分側(cè)風(fēng)道出風(fēng)量與理想風(fēng)量存在很大偏差，為達到出風(fēng)均勻的目的，需對側(cè)風(fēng)道進行優(yōu)化，優(yōu)化的思路是：保持風(fēng)道主要尺寸不變，根據(jù)夏季各個出風(fēng)口的風(fēng)量，調(diào)節(jié)側(cè)風(fēng)道支路開口的面積來優(yōu)化送風(fēng)均勻性，使各個出風(fēng)口風(fēng)量與均勻出風(fēng)情況下的風(fēng)量偏差在10%以內(nèi)，得到夏季工況下的優(yōu)化方案。側(cè)風(fēng)道支路開口示意圖如圖3.1和3.2所示。

圖3.1 側(cè)風(fēng)道支路開口邊長縮放示意圖

圖3.2 側(cè)風(fēng)道各支路開口編號示意

表3.3 各支路開口邊長縮放比例

支路開口優(yōu)化模型與原始模型邊長比例1#0.752#0.753#0.94#0.95#0.96#0.97#0.9

側(cè)風(fēng)道優(yōu)化模型在夏季標(biāo)準(zhǔn)工況下的風(fēng)量、壓力的計算結(jié)果見表3.4。相比原始模型，側(cè)風(fēng)道的阻力變大，最大壓差均有所增大，夏季工況時，最大壓差為30.34Pa。

表3.4 側(cè)風(fēng)道夏季標(biāo)準(zhǔn)工況進出風(fēng)口風(fēng)量、壓力數(shù)據(jù)

出風(fēng)口位置風(fēng) 量偏 差全 壓底部風(fēng)量(m3/h)窗部風(fēng)量(m3/h)總風(fēng)量(m3/h)理想風(fēng)量(m3/h)優(yōu)化后偏差優(yōu)化前偏差底部全壓(Pa)窗部全壓(Pa)1#61.881.4363.3265.69-3.61%17.36%21.3020.032#101.693.30105.00109.05-3.72%-17.62%22.2620.083#104.254.60108.85109.05-0.19%-0.04%22.4020.074#103.995.63109.63109.050.53%1.54%22.7920.105#105.925.00110.93109.051.72%1.74%22.6520.086#106.905.30112.20109.052.89%2.58%22.6620.097#105.984.58110.56109.051.381.88%22.6420.08總出風(fēng)量719.99————入口719.94——30.34

如圖3.3所示，原始模型和優(yōu)化模型的實際出風(fēng)量對比圖，紅線表示風(fēng)量在平均分配的理想情況下各個風(fēng)口的出風(fēng)量。圖3.4為夏季工況下，原始模型和優(yōu)化模型的實際單位長度出風(fēng)量對比圖，從圖中可以明顯看出優(yōu)化后的模型的送風(fēng)均勻性明顯提高了。原始模型的各送風(fēng)區(qū)域風(fēng)量與理論的平均風(fēng)量相比最大誤差達到18.03%，而在優(yōu)化模型中，各個出風(fēng)區(qū)域的出風(fēng)量與平均風(fēng)量相比誤差都在10%以內(nèi)。

3.4 主風(fēng)道計算結(jié)果及分析

主風(fēng)道優(yōu)化的思路是：根據(jù)夏季各個出風(fēng)口的風(fēng)量，調(diào)節(jié)頂部圓形送風(fēng)口的閉合，使各個孔板出風(fēng)口風(fēng)量與均勻出風(fēng)情況下的風(fēng)量偏差在10%以內(nèi)，得到夏季工況下的優(yōu)化方案。

圖3.3 側(cè)風(fēng)道夏季工況風(fēng)量對比圖

圖3.4 側(cè)風(fēng)道夏季工況單位長度出風(fēng)量對比圖

根據(jù)上一節(jié)的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)主風(fēng)道的送風(fēng)均勻性比較差，各個孔板送風(fēng)口處的風(fēng)量并不均勻，靠近送風(fēng)口處端部的送風(fēng)量較少，導(dǎo)致該端部區(qū)域舒適性較差，因此對主風(fēng)道進行優(yōu)化。如圖3.5所示，通過閉合各個孔板區(qū)域上方的圓形送風(fēng)口個數(shù)來調(diào)節(jié)各個送風(fēng)口風(fēng)量的均勻性，增加端部送風(fēng)量。

圖3.5 圓形送風(fēng)口優(yōu)化示意圖

根據(jù)各個原始送風(fēng)風(fēng)道各個圓形送風(fēng)口的風(fēng)量，在出風(fēng)量大的地方有選擇性地對圓形送風(fēng)口進行封閉，封閉的圓形送風(fēng)口及封閉結(jié)果需進行多次調(diào)試，最后得出封閉1#孔板送風(fēng)區(qū)域的第4個圓形送風(fēng)口，2#孔板送風(fēng)區(qū)域的第1、第4個圓形送風(fēng)口，4#孔板送風(fēng)區(qū)域的第1、第4個圓形送風(fēng)口，5#孔板送風(fēng)區(qū)域的第2、第6個圓形送風(fēng)口時，可使誤差保持在10%之內(nèi)，符合風(fēng)道優(yōu)化目的，達到送風(fēng)均勻。

表3.5 主風(fēng)道夏季工況進出口風(fēng)量、壓力分布表

出風(fēng)口位置風(fēng)量(m3/h)理想風(fēng)量(m3/h)優(yōu)化后偏差優(yōu)化前偏差全壓(Pa)1#632.88603.154.93%-3.96%20.192#564.88603.15-6.35%3.55%20.153#592.13603.15-1.83%-17.29%20.194#609.79603.151.10%11.42%20.255#639.26603.155.99%18.22%20.256#322.16324.27-0.65%-14.84%20.24出口總風(fēng)量3361.13360———入口風(fēng)量3359.313360——60.56

圖3.6 主風(fēng)道夏季工況風(fēng)量對比圖

圖3.7 主風(fēng)道夏季工況單位長度風(fēng)量對比圖

主風(fēng)道優(yōu)化模型在夏季工況下的風(fēng)量、壓力的計算結(jié)果見表3.5?？梢钥闯鱿募咀畲髩航党霈F(xiàn)在5#孔板出風(fēng)口，最大壓降從原始模型的93.93Pa降為81.45Pa。原始模型和優(yōu)化模型的風(fēng)量對比圖以及單位長度出風(fēng)量對比圖如圖3.6和圖3.7所示。從圖中可以明顯看出優(yōu)化后的模型各個風(fēng)口出風(fēng)更均勻。

4 結(jié)論

(1)側(cè)風(fēng)道送風(fēng)分布規(guī)律：沿著側(cè)風(fēng)道送風(fēng)方向，從1#出風(fēng)口至7#出風(fēng)口下方送風(fēng)量依次增大，原因是沿著送風(fēng)方向，空氣的動壓逐漸降低，靜壓逐漸增加，導(dǎo)致送風(fēng)量增多，優(yōu)化時通過改變側(cè)風(fēng)道面積來改變風(fēng)量，由于改變面積時會影響其他側(cè)風(fēng)道風(fēng)量，因此需經(jīng)過多次修改調(diào)試。

(2)主風(fēng)道送風(fēng)分布規(guī)律：1#、2#孔板出風(fēng)口風(fēng)量較小，這是因為在進風(fēng)口處的風(fēng)速較大，動壓大靜壓小，不容易出風(fēng)。然后在3#送風(fēng)區(qū)域的風(fēng)量突然增加，這是因為空氣在流經(jīng)2#和3#送風(fēng)區(qū)域時受到阻礙，導(dǎo)致動壓下降靜壓上升，有利于出風(fēng)。3#孔板出風(fēng)口之后規(guī)律恢復(fù)正常，沿著送風(fēng)方向出風(fēng)量一次增加。優(yōu)化時，由于送風(fēng)尾部風(fēng)量誤差較大，考慮到各個風(fēng)口的風(fēng)量與送風(fēng)均勻性的要求，先對4#、5#、6#送風(fēng)孔進行部分封閉，根據(jù)結(jié)果逐一調(diào)試，得出符合要求的優(yōu)化結(jié)果。

(3)由側(cè)風(fēng)道與主風(fēng)道原始模型和優(yōu)化模型的風(fēng)量對比圖以及單位長度出風(fēng)量對比圖，可以清晰明確的發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的模型各個風(fēng)口出風(fēng)更均勻。