軌道列車客室空調(diào)機組內(nèi)部流場數(shù)值仿真研究

王維斌，姚拴寶，陳大偉，宋軍浩

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 國家工程技術(shù)研究中心，山東青島 266111)

軌道列車客室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)對調(diào)節(jié)列車客室空間溫濕度及熱舒適度等起到重要作用，同時也是客室內(nèi)的主要噪聲源之一，而客室空調(diào)機組是整車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的重要設(shè)備。隨著對列車客室舒適度要求的不斷提高，對空調(diào)機組內(nèi)部流場分布的合理性及氣動噪聲控制的研究不斷深入。隨著計算流體動力學(xué)及計算聲學(xué)仿真技術(shù)的發(fā)展，計算精度和計算時間能夠滿足工程應(yīng)用的要求，逐漸成為軌道列車空調(diào)機組內(nèi)流場研究的重要手段，F(xiàn)ukano[1]、胡俊偉[2]等通過數(shù)值仿真技術(shù)對不同型式風(fēng)機的流場及氣動聲學(xué)進行研究。

相比于家用空調(diào)、商用空調(diào)或其他使用風(fēng)機通風(fēng)的設(shè)備，軌道交通車輛空調(diào)機組的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。對于組合式列車空調(diào)機組，蒸發(fā)部分和冷凝部分集成在一起，蒸發(fā)腔包括2臺或者4臺離心風(fēng)機，冷凝腔包括2臺軸流風(fēng)機，空調(diào)機組內(nèi)部的非穩(wěn)態(tài)流動更加突出，軸流風(fēng)機之間、離心風(fēng)機之間的相互影響引發(fā)的流動及噪聲問題更加復(fù)雜。

1 幾何模型

圖1所示為軌道列車客室空調(diào)機組三維幾何模型，空調(diào)機組由蒸發(fā)腔、壓縮機腔、冷凝腔3大部分組成，集成為1臺空調(diào)機組，蒸發(fā)腔包含2臺離心送風(fēng)機，風(fēng)機直徑239 mm，轉(zhuǎn)速1 600 r/min，冷凝腔包含2臺軸流風(fēng)機，風(fēng)機直徑600 mm，轉(zhuǎn)速1 450 r/min。軌道列車空調(diào)機組的集成結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，蒸發(fā)腔及冷凝腔距離較近，但各自氣流流動是相互獨立的，由中間的壓縮機腔分割開來。

圖1 軌道列車客室空調(diào)機組幾何模型

圖2所示為軌道列車客室空調(diào)機組仿真的三維簡化幾何模型，建立包括殼體、離心送風(fēng)機、冷凝軸流風(fēng)機、換熱器、濾網(wǎng)、壓縮機、支架、接水盤、風(fēng)門、導(dǎo)流板等在內(nèi)的對流場影響較大的部件。考慮到細(xì)小部件對仿真網(wǎng)格及計算量的影響，對于格柵、彎管、固定件等對流場影響較小的結(jié)構(gòu)做了適當(dāng)簡化，或不予考慮?？照{(diào)機組進出風(fēng)口區(qū)域做適當(dāng)延伸。

圖2 軌道列車客室空調(diào)仿真幾何模型

2 網(wǎng)格模型及數(shù)值算法

圖3所示為軌道列車客室空調(diào)機組仿真的完整全流場計算域及離心風(fēng)機和軸流風(fēng)機區(qū)域的網(wǎng)格劃分結(jié)果。網(wǎng)格處理過程中，導(dǎo)入空調(diào)機組內(nèi)流場幾何模型，處理面網(wǎng)格后采用多面體網(wǎng)格進行空調(diào)機組全流場仿真域的空間離散，對離心送風(fēng)機、冷凝軸流風(fēng)機、換熱器等幾何尺寸相對較小，而對空調(diào)機組內(nèi)部氣流分布產(chǎn)生重要影響的結(jié)構(gòu)進行加密處理[3]，對于空調(diào)機組殼體、壓縮機殼體等幾何尺寸較大的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸相應(yīng)增大，使得網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量得到合理兼顧，空調(diào)機組整機內(nèi)流場多面體網(wǎng)格數(shù)量約950萬。

圖3 軌道列車客室空調(diào)仿真網(wǎng)格模型

仿真計算采用RNGk-ε湍流模型，分離式隱式方案[4]，SIMPLE算法，大氣壓力進出口邊界條件。對于風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)運動，建立離心風(fēng)機、軸流風(fēng)機旋轉(zhuǎn)域，通過Interface邊界與靜止域連接，采用運動參考坐標(biāo)系模型進行仿真計算，蒸發(fā)器、冷凝器、濾網(wǎng)采用多孔介質(zhì)模型處理。通過寬頻噪聲源模型預(yù)測氣動噪聲聲功率的分布[5]。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 速度場分布

圖4所示為軌道列車客室空調(diào)整機三維流線分布，可以定性看出氣流整體流動軌跡。在蒸發(fā)腔，外界空氣從兩側(cè)新風(fēng)口進入壓縮機艙擾流壓縮機后，與回風(fēng)口氣流混合，均勻擾流蒸發(fā)器后經(jīng)離心風(fēng)機將氣流向下送入客室。在冷凝腔，外界空氣從兩側(cè)進風(fēng)格柵流入，均勻擾流冷凝器后經(jīng)軸流風(fēng)機將氣流向上從中間兩個圓形出風(fēng)口流出。從整機流線分布來看，整個空調(diào)蒸發(fā)腔和冷凝腔內(nèi)氣流分布比較均勻，很少出現(xiàn)氣流死區(qū)，可以保證氣流與蒸發(fā)器和冷凝器的充分熱交換，滿足空調(diào)機組的熱量交換要求。

圖4 客室空調(diào)整機流線分布

從圖5軌道列車客室空調(diào)典型截面速度場分布可以看出：在蒸發(fā)腔，氣流沿蝸殼軸向進入離心風(fēng)機后經(jīng)過葉輪旋轉(zhuǎn)加速，高速流出風(fēng)機，在蝸殼出口和葉輪與蝸殼間隙區(qū)域形成明顯的高速區(qū)，在離心風(fēng)機出口及蝸舌區(qū)域沒有氣流回流，合理的葉輪與蝸舌間隙對提高離心風(fēng)機風(fēng)量及降低氣動噪聲具有重要影響。在冷凝腔，兩個軸流風(fēng)機的流場相互影響，氣流沿軸流葉片作用面高速流出，向四周擴散，并在葉輪中間區(qū)域形成低速區(qū)，合理的風(fēng)機葉片與四周導(dǎo)流圈之間的葉頂間隙對提高軸流風(fēng)機風(fēng)量及降低氣動噪聲具有重要影響。

圖5 客室空調(diào)典型截面速度場分布

3.2 壓力場分布

圖6所示為軌道列車客室空調(diào)整機截面的壓力場分布，可以看出，空調(diào)機組內(nèi)部區(qū)域除了離心風(fēng)機和軸流風(fēng)機周圍區(qū)域存在明顯的壓力梯度之外，蒸發(fā)腔及冷凝腔內(nèi)的壓力梯度較小。離心風(fēng)機和軸流風(fēng)機區(qū)域由于風(fēng)機旋轉(zhuǎn)形成明顯的負(fù)壓區(qū)，冷凝腔出口壓力由于兩個軸流風(fēng)機出風(fēng)氣流相關(guān)干擾，壓力脈動劇烈，壓力梯度明顯。在軸流風(fēng)機兩個葉片之間的區(qū)域，存在明顯的壓力從正壓到負(fù)壓的過渡。

圖6 客室空調(diào)整機截面壓力場分布

圖7所示為軌道列車客室空調(diào)離心風(fēng)機和軸流風(fēng)機截面及風(fēng)機葉片表面的壓力場分布，可以看出，由于離心風(fēng)機蝸殼起到集流增壓作用，氣流沿蝸殼流動過程中壓力得到提升，在臨近蝸殼出口區(qū)域的風(fēng)機葉片周圍氣流被加速，形成明顯低壓區(qū)；軸流風(fēng)機葉片前后存在明顯的正負(fù)壓區(qū)別，葉片壓力面隨著風(fēng)機旋轉(zhuǎn)而推動氣流運動，葉片正壓區(qū)域較大。葉片吸力面隨著氣流運動而形成負(fù)壓，葉片負(fù)壓區(qū)域較大。

圖7 離心風(fēng)機和軸流風(fēng)機截面壓力場分布

3.3 氣動聲功率場分布

氣動聲功率模型假定湍流流場是各向同性，并計算偶極子聲源產(chǎn)生的氣動噪聲，因此該模型主要考慮固體表面作用于流體產(chǎn)生的表面壓力波動。圖8所示為客室空調(diào)典型截面的氣動聲功率分布，可以看出，最主要氣動噪聲源位于風(fēng)機區(qū)域，其中冷凝腔軸流風(fēng)機對氣動噪聲的貢獻高于蒸發(fā)腔離心風(fēng)機。冷凝風(fēng)機區(qū)域，葉輪與導(dǎo)流圈之間的葉頂間隙區(qū)域以及冷凝出風(fēng)區(qū)域的聲功率分布相對較高。另外，空調(diào)格柵進風(fēng)區(qū)域為次要氣動噪聲源。

圖8 客室空調(diào)典型截面氣動聲功率場分布

4 總 結(jié)

建立軌道列車客室空調(diào)機組離心風(fēng)機、軸流風(fēng)機旋轉(zhuǎn)域，采用運動參考坐標(biāo)系模型進行仿真計算，通過寬頻噪聲源模型預(yù)測氣動噪聲聲功率的分布。基于機組內(nèi)部流場數(shù)值仿真計算，對客室空調(diào)典型截面的速度場、壓力場、氣動聲功率場等進行了深入分析。

仿真研究結(jié)果表明：

(1)空調(diào)機組冷凝腔兩個軸流風(fēng)機之間的動—動干擾以及蒸發(fā)腔離心風(fēng)機與蝸殼之間的動—靜干擾引發(fā)的氣流周期性非穩(wěn)態(tài)湍流特性是空調(diào)機組內(nèi)部流場壓力脈動和氣動噪聲的主要來源，其中冷凝軸流風(fēng)機的貢獻大于離心送風(fēng)機。

(2)空調(diào)機組冷凝腔和蒸發(fā)腔內(nèi)離心送風(fēng)機及軸流風(fēng)機的合理布局，有利于空調(diào)機組內(nèi)部空間內(nèi)的氣流均勻分布，有利于氣流均勻擾流冷凝器及蒸發(fā)器，可以保證氣流與蒸發(fā)器和冷凝器充分的熱交換，滿足空調(diào)機組的熱量交換要求。

(3)空調(diào)機組冷凝腔中冷凝風(fēng)機葉片與四周導(dǎo)流圈之間的葉頂間隙以及蒸發(fā)腔中離心風(fēng)機葉輪與蝸殼、蝸舌之間的間隙對風(fēng)機的風(fēng)量及氣動噪聲產(chǎn)生重要影響。在空調(diào)外形尺寸有余量的情況下，可適當(dāng)增加兩個軸流冷凝風(fēng)機之間的距離，減少相互干擾影響。

(4)空調(diào)機組冷凝腔出口壓力由于兩個軸流風(fēng)機出風(fēng)氣流相關(guān)干擾，壓力脈動劇烈，壓力梯度明顯。在軸流風(fēng)機兩個葉片之間的區(qū)域，存在明顯的壓力從正壓到負(fù)壓的過渡。蒸發(fā)腔離心風(fēng)機由于蝸殼的集流增壓作用，氣流沿蝸殼流動過程中壓力得到提升。

(5)空調(diào)機組最主要氣動噪聲源位于風(fēng)機區(qū)域，其中冷凝腔軸流風(fēng)機對氣動噪聲的貢獻高于蒸發(fā)腔離心風(fēng)機。冷凝風(fēng)機區(qū)域，葉輪與導(dǎo)流圈之間的葉頂間隙區(qū)域以及冷凝出風(fēng)區(qū)域的聲功率分布相對較高。另外，空調(diào)格柵進風(fēng)區(qū)域為次要氣動噪聲源。