計(jì)算流體力學(xué)在地鐵車輛風(fēng)道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李鵬 張從慧 王俊杰

摘 要：采用商用CFD軟件FLUENT中的標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，對某有軌電車空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)道進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使風(fēng)道各出風(fēng)口送風(fēng)量滿足均勻性要求。對空調(diào)機(jī)組與風(fēng)道進(jìn)行配套試驗(yàn)，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：湍流模型;仿真計(jì)算;均勻性要求;試驗(yàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.047

0 引言

有軌電車客室內(nèi)的舒適性主要通過車輛配置的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)來維持。其中車輛風(fēng)道系統(tǒng)的送風(fēng)均勻性將直接影響客室內(nèi)乘客的舒適性。通過CFD仿真技術(shù)，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型取代空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)的配套試驗(yàn)，優(yōu)化風(fēng)道系統(tǒng)送風(fēng)口的設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)周期，為地鐵車輛客室內(nèi)舒適性設(shè)計(jì)提供工具[1]。

1 客室風(fēng)道計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型

以某有軌電車車為研究對象，風(fēng)道系統(tǒng)采用車頂安裝，為靜壓式風(fēng)道。風(fēng)道布置保證了客室內(nèi)各位置均有送風(fēng)，且無送風(fēng)死角，保證了客室內(nèi)舒適性。

空調(diào)機(jī)組出風(fēng)口吹出的冷空氣，在主風(fēng)道內(nèi)向前推進(jìn)，靠主風(fēng)道內(nèi)靜壓使冷空氣通過靜壓腔隔板開孔進(jìn)入靜壓腔，然后從風(fēng)道出風(fēng)口噴射到送風(fēng)格柵進(jìn)入客室。

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文中數(shù)值模擬采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，風(fēng)道內(nèi)空氣流動可用質(zhì)量守恒、動量守恒兩個基本物理規(guī)律推導(dǎo)出描述流體流動基本規(guī)律的控制方程，即質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程，具體方程見文獻(xiàn)[2-3]。

2 網(wǎng)格劃分及數(shù)值求解方法

本文中應(yīng)用Hypermesh軟件，對計(jì)算模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。應(yīng)用商用流體仿真軟件Fluent進(jìn)行仿真分析，離散方程采用SIMPLE算法求解，對流項(xiàng)格式選用二階迎風(fēng)格式，粘性項(xiàng)格式選用二階中心差分格式。

3 設(shè)計(jì)要求

空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)送風(fēng)量為3500m3/h，各送風(fēng)口送風(fēng)量與平均值偏差在±20%以內(nèi)。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

本文對某有軌電車風(fēng)道內(nèi)氣流組織進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到風(fēng)道各出風(fēng)口的送風(fēng)量。本文根據(jù)風(fēng)道長度將風(fēng)道出風(fēng)口共劃分為9段，風(fēng)道出風(fēng)口布置如下圖所示：

4.1 仿真數(shù)據(jù)結(jié)果

采用FLUENT仿真軟件對本項(xiàng)目風(fēng)道的送風(fēng)均勻性進(jìn)行仿真分析，計(jì)算收斂后得到仿真數(shù)據(jù)如下：

4.2 試驗(yàn)測試結(jié)果

空調(diào)機(jī)組與風(fēng)道進(jìn)行地面組裝，對風(fēng)道的送風(fēng)均勻性進(jìn)行測試，詳細(xì)測試數(shù)據(jù)如下：

4.3 測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論

本文中采用商用FLUENT仿真軟件，在滿足車輛送風(fēng)要求的前提下對風(fēng)道的送風(fēng)均勻性進(jìn)行仿真分析，各送風(fēng)口的送風(fēng)量滿足整車的送風(fēng)均勻性要求。

通過仿真數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)的對比分析，兩組數(shù)據(jù)基本吻合，采用CFD仿真技術(shù)可應(yīng)用于風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉軍樸，陳江平，陳芝久.客車車廂內(nèi)氣流分布及傳熱數(shù)值分析[J].上海：上海交通大學(xué)報，2003，37（07）：1108-1101.

[2]高秀峰，馮詩愚，郁永章等.鐵路空調(diào)客車內(nèi)三維湍流流動及溫度場的實(shí)驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械，2004，32（12）：2.

[3]王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.