基于CFD 分析的地鐵洗車機(jī)強(qiáng)風(fēng)吹掃系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

劉洪春，于 洋，尹 星

（青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司車輛部，山東青島 266041）

1 背景與問題提出

1.1 背景

某地鐵洗車機(jī)（以下簡稱洗車機(jī)）主要用于車輛段電客車車體外表面的洗刷與水漬強(qiáng)風(fēng)吹掃，其中的強(qiáng)風(fēng)吹掃系統(tǒng)包括5 組側(cè)面風(fēng)機(jī)和1 組頂部風(fēng)機(jī)，通過風(fēng)機(jī)輸出強(qiáng)風(fēng)將洗刷完畢后粘附在電客車表面的水漬清除[1]。

但據(jù)檢修人員普遍反映，電客車在經(jīng)過洗車機(jī)洗刷、強(qiáng)風(fēng)吹掃后，車窗與門窗玻璃上仍殘存臟污點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場跟蹤發(fā)現(xiàn)：在結(jié)束刷組洗刷與水噴淋后通過強(qiáng)風(fēng)吹掃系統(tǒng)時，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)強(qiáng)風(fēng)清除水漬的作用不明顯，幾乎不起作用。

1.2 問題提出與優(yōu)化改進(jìn)思路

該風(fēng)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)：全壓PT范圍（4334～4356）Pa，流量Q范圍（852～1297）m3/h，電機(jī)功率P 為3 kW，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口尺寸為A×B=590 mm×15.5 mm。這種設(shè)計(jì)存在以下弊端。

（1）出風(fēng)口開度大，風(fēng)機(jī)所輸出的風(fēng)所受“擠壓”作用較小，全壓較小，因此無法保證風(fēng)口處的風(fēng)速達(dá)到使用要求，水漬將無法清除。

（2）出風(fēng)口開度大，若要求出風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到要求，必然需增大風(fēng)機(jī)排量，由此導(dǎo)致電機(jī)功率較大；該系統(tǒng)共有12 套強(qiáng)風(fēng)風(fēng)機(jī)，耗電量較大。

為此，提出優(yōu)化方案：改進(jìn)出風(fēng)口結(jié)構(gòu)，使用較小尺寸圓孔代替原出風(fēng)口，圓孔直線分布在圓形管路上；此外，變電機(jī)帶動扇片直接排風(fēng)為空壓機(jī)提供壓縮空氣排風(fēng)。由各圓孔吹出的高壓風(fēng)形成一道“風(fēng)墻”，將車體表面的水漬清除。

2 CFD 分析方法與CFX 分析軟件簡介

CFD 是計(jì)算流體力學(xué)的簡稱，其核心是基于現(xiàn)代計(jì)算流體力學(xué)的有限元分析技術(shù)[2]，目前市面上廣泛使用的商業(yè)流體力學(xué)分析軟件有很多，如FLUENT、STAR-CD、CFX 等。CFX 軟件因具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、汽車設(shè)計(jì)等方面有著廣泛應(yīng)用[3]。本文使用ANSYS 公司CFX軟件對洗車機(jī)強(qiáng)風(fēng)吹掃系統(tǒng)風(fēng)速、壓強(qiáng)等物理參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，并以此為依據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)。

3 基于CFX 的洗車機(jī)強(qiáng)風(fēng)吹掃系統(tǒng)內(nèi)部流場優(yōu)化分析

3.1 建模與幾何模型導(dǎo)入

使用三維繪圖軟件Solidworks 完成原結(jié)構(gòu)所包含空氣部分三維流體實(shí)體的繪制，該部分即為計(jì)算區(qū)域，以下稱模型1；同樣地，開有圓孔的圓形管路所包含的空氣部分即為計(jì)算區(qū)域，以下稱模型2；為了節(jié)省計(jì)算空間，選取其中典型一段區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域，其中管徑ΦD=8 mm，孔徑Φd=1 mm。

3.2 網(wǎng)格劃分與細(xì)化

定義兩模型材料為Fluid（流體）；網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞往往直接影響數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果[4]，由于兩模型結(jié)構(gòu)較不規(guī)則，因此選用Tetrahedrons 四面體網(wǎng)格劃分方法。

3.3 流場與邊界條件的設(shè)置

3.3.1 流場設(shè)置

定義兩模型材料均為25 ℃空氣；為了考慮流體動能引起的熱量變化，且此流場流動為高速及可壓縮流動，定義該流場傳熱模型為Total Energy（全熱模型）；由于空氣的黏度很小，因此選用湍流模型來求解空氣流動狀態(tài)；此外k-ε 模型作為湍流模型中的一種，已經(jīng)被證明具有分析結(jié)果可靠、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、具有很好的預(yù)測能力、既準(zhǔn)確又易于收斂等特點(diǎn)[5]。因此，綜合考慮，兩模型流體仿真計(jì)算選擇k-ε 湍流模型。

3.3.2 邊界條件設(shè)置

（1）模型1 邊界條件設(shè)置。為模擬該風(fēng)機(jī)最強(qiáng)的強(qiáng)風(fēng)吹掃效果，以第1.2 節(jié)提到的已知的風(fēng)機(jī)最大全壓PTmax=4.356×103Pa 以及最大流量Qmax=1.297×103m3/h 為依據(jù)設(shè)置風(fēng)機(jī)出風(fēng)口入口和出口邊界：入口1 設(shè)置為Total Pressure（全壓入口），設(shè)定值即為PTmax=4.356×103Pa；出口1 設(shè)置為Normal Speed（速度出口），以出風(fēng)口處平均速度vavg=39.4 m/s 作為其設(shè)定值，vavg的計(jì)算如下。

由于空氣在出風(fēng)口內(nèi)壁流動時存在摩擦力，因此將Wall（壁面）邊界設(shè)置為No Slip Wall，且由于出風(fēng)口材料為鋼材，因此將Sand Grain Roughness（粗糙度高度）設(shè)置為0.046 mm。

（2）模型2 邊界條件設(shè)置。為模擬壓縮空氣在圓形管道和圓孔內(nèi)的流動情況，入口2、入口3 設(shè)置為Total Pressure（全壓入口），為確定以0.5 MPa 作為設(shè)定值；出口2、出口3 設(shè)置為Static Pressure（靜壓出口），由于連通大氣，以1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.013×105Pa作為設(shè)定值；其Wall（壁面）邊界設(shè)置與模型1 相同。兩模型邊界條件的具體設(shè)置見表1。

表1 邊界條件設(shè)置結(jié)果

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 模型1 計(jì)算結(jié)果分析

從圖1a 所示的速度云圖上可以看出，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口最大風(fēng)速為vmax1=77.88 m/s，出現(xiàn)在出風(fēng)口最低端，出風(fēng)口風(fēng)速分布特點(diǎn)呈現(xiàn)“自上而下遞減”的趨勢；從圖1b 所示的壓力云圖可以直觀地看到出風(fēng)口處壓力下降明顯，風(fēng)機(jī)所輸出的風(fēng)所受“擠壓”作用較小，甚至存在“負(fù)壓”情況，驗(yàn)證了第1.2 節(jié)所提出的觀點(diǎn)。

圖1 模型1 流體仿真計(jì)算結(jié)果

3.4.2 模型2 計(jì)算結(jié)果分析

從圖2a 速度云圖可以看出，在理想仿真情況下，出風(fēng)口最大風(fēng)速已經(jīng)達(dá)到了vmax2=8.171×102m/s，顯然已經(jīng)超過音速，實(shí)際中不需要如此大風(fēng)速，因此，為了探求最佳條件，改變壓力入口設(shè)定值，分別設(shè)定為0.35 MPa，0.2 MPa，0.15 MPa，最大風(fēng)速仿真結(jié)果分別為vmax3=6.395×102m/s，vmax4=4.020×102m/s，vmax5=2.828×102m/s，從降低系統(tǒng)能耗、提高安全系數(shù)和可靠性方面綜合考慮，選擇入口壓力（0.15～0.2）MPa 為最佳入口壓力條件。

圖2 模型2 流體仿真計(jì)算結(jié)果

3.4.3 兩模型計(jì)算結(jié)果對比分析

從兩模型速度云圖和壓力云圖，可以明顯得出以下結(jié)論。

（1）決定水漬清除效果好壞的根本因素為風(fēng)速大小，使用空壓機(jī)提供壓縮空氣代替原風(fēng)機(jī)直接排風(fēng)，出風(fēng)口風(fēng)速為原結(jié)構(gòu)的3.6 倍，出風(fēng)口“增速”效果明顯。

（2）原結(jié)構(gòu)12 臺風(fēng)機(jī)的總功率為P總=3×12=36 kW，優(yōu)化方案使用壓縮空氣，且僅需提供0.15 MPa 的壓縮空氣，比直接使用風(fēng)機(jī)排風(fēng)，耗能更低。

（3）原結(jié)構(gòu)出風(fēng)口風(fēng)速存在“自上而下遞減”的趨勢，且風(fēng)機(jī)所輸出的風(fēng)所受“擠壓”作用較小，甚至存在“負(fù)壓”情況，無法保證較大以及較為均勻的出風(fēng)口風(fēng)速。優(yōu)化結(jié)構(gòu)所開圓孔為均勻分布，各圓孔吹出的風(fēng)形成一道“風(fēng)墻”，可保證較大以及較為均勻的出風(fēng)口風(fēng)速，水漬清除效果更好。

4 結(jié)論

本文利用CFD 分析軟件CFX 對某地鐵洗車機(jī)強(qiáng)風(fēng)吹掃系統(tǒng)的出風(fēng)口風(fēng)速、壓力等參數(shù)進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果表明風(fēng)機(jī)所輸出的風(fēng)所受“擠壓”作用較小，“增速”效果較弱，以致水漬無法有效清除；針對原出風(fēng)口結(jié)構(gòu)內(nèi)部全壓小、“增速”效果差、風(fēng)速分布不均、耗能較大的缺點(diǎn)，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了一種以壓縮空氣為工作介質(zhì)的改進(jìn)型強(qiáng)風(fēng)吹掃系統(tǒng)，改變了強(qiáng)風(fēng)的產(chǎn)生與輸送方式，并通過仿真計(jì)算，改進(jìn)后的強(qiáng)風(fēng)吹掃系統(tǒng)比原系統(tǒng)吹掃更干凈，符合設(shè)計(jì)要求。