內(nèi)燃動(dòng)車組客室氣流組織仿真分析

蔣 帆，劉智遠(yuǎn)，李時(shí)民

(1.大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412000； 2.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

我國(guó)的軌道交通產(chǎn)業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新及城市化發(fā)展[1]的推動(dòng)下已進(jìn)入發(fā)展的快車道，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)作為車輛的關(guān)鍵部件和乘客界面最直觀的感受對(duì)象，需要在工程應(yīng)用中不斷優(yōu)化提升。進(jìn)行空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮熱舒適性[2]、能耗和環(huán)保等多個(gè)方面，其中熱舒適性相關(guān)的指標(biāo)有溫度、濕度、風(fēng)速、噪聲、壓力及空氣質(zhì)量[3]等內(nèi)容。利用計(jì)算流體力學(xué) (Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)[4-8]仿真軟件進(jìn)行客室氣流組織模擬計(jì)算，能給空調(diào)硬座車、動(dòng)車組、城際車、地鐵及跨座式單軌車的暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供初始設(shè)計(jì)參考[9-12]，并結(jié)合PMV(預(yù)測(cè)平均熱感覺(jué)) 和 PPD(預(yù)測(cè)不滿意百分率) 指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化[13]，基于仿真設(shè)計(jì)的優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可減少試驗(yàn)周期和調(diào)試返工的成本損耗。

現(xiàn)有研究中有關(guān)于利用內(nèi)燃動(dòng)車組柴油機(jī)對(duì)客室進(jìn)行預(yù)熱的試驗(yàn)分析[14]，但關(guān)于內(nèi)燃動(dòng)車組制冷效果的研究較少。由于內(nèi)燃動(dòng)車組有動(dòng)力包排煙管、衛(wèi)生間及行李架等部件的空間限制，客室局部區(qū)域易存在送風(fēng)不均勻的情況。本文基于東南亞地區(qū)內(nèi)燃動(dòng)車組項(xiàng)目(Diesel Multiple Unit，簡(jiǎn)稱DMU)的二等座客室流體域，通過(guò)建立等效數(shù)值仿真模型，對(duì)客室內(nèi)速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

2 物理及數(shù)值模型

2.1 物理模型

通過(guò)動(dòng)車二等座客室的內(nèi)裝外殼模型建立流體計(jì)算域，客室流體區(qū)域長(zhǎng)20.8 m，寬2.74 mm，高2.18 m。進(jìn)入客室的氣流通過(guò)沿車體中心線對(duì)稱的內(nèi)裝格柵板作為送風(fēng)口對(duì)客室送風(fēng)，通過(guò)兩側(cè)行李架下方及頂部集中回風(fēng)口進(jìn)行回風(fēng)?？褪液?jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 內(nèi)燃動(dòng)車組客室簡(jiǎn)化模型

客室定員80人，共布置16排座椅，行李架依車廂長(zhǎng)度方向在座椅頂部布置。流體域不考慮客室端部的司機(jī)室和貫通道，并將其分為左右兩塊流體區(qū)域。由于座椅及行李架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，生成網(wǎng)格比較困難，建模時(shí)忽略螺栓連接等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，只保留座椅及行李架的基本形狀。

2.2 數(shù)值模型

通過(guò)對(duì)幾何模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化后，可以實(shí)現(xiàn)以六面體為主、四面體為輔的計(jì)算網(wǎng)格的劃分，進(jìn)而對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化處理。該節(jié)動(dòng)車客室網(wǎng)格劃分后的總體示意圖如圖2所示，網(wǎng)格總數(shù)約為789萬(wàn)。對(duì)座椅及送、回風(fēng)口進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，局部圖如圖3所示。

圖2 客室仿真模型網(wǎng)格示意圖

圖3 客室仿真模型網(wǎng)格局部圖

2.3 計(jì)算模型及其邊界條件設(shè)置

2.3.1 計(jì)算模型

用數(shù)值模擬法對(duì)客室內(nèi)氣流進(jìn)行模擬，首先根據(jù)流體的流動(dòng)性質(zhì)選用合適的湍流模型、離散方程并給定初始邊界條件，最后進(jìn)行計(jì)算。本文選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型求解雷諾時(shí)均方程，并運(yùn)用基于有限體積法的商用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.3.2 模型邊界條件設(shè)置

該DMU項(xiàng)目為東南亞地區(qū)使用的內(nèi)燃動(dòng)車組，僅需要考慮室外308 K時(shí)的制冷工況。客室流場(chǎng)仿真計(jì)算的入口采用速度入口邊界條件，客室仿真模型送風(fēng)口總面積為1.509 m2，流量為7 900 m3/h，計(jì)算得入口速度為1.454 m/s。因客室送風(fēng)為格柵送風(fēng)形式，通過(guò)分解入口速度來(lái)將送風(fēng)角度設(shè)置為60°，同時(shí)設(shè)置入口送風(fēng)溫度為288 K。此外客室回風(fēng)口及廢排口均設(shè)置為壓力出口，出口壓力值設(shè)置為0 Pa。

因需要為衛(wèi)生間內(nèi)提供冷卻風(fēng)，并通過(guò)排風(fēng)機(jī)抽走，所以衛(wèi)生間需要設(shè)置入口及出口，并將衛(wèi)生間與客室通風(fēng)格柵設(shè)置為內(nèi)部面。因衛(wèi)生間送風(fēng)量與排風(fēng)量確定，所以送風(fēng)口與排風(fēng)口均設(shè)置為速度入口，送風(fēng)口(頂部)與排風(fēng)口(底部)面積均為0.01 m2，送風(fēng)與排風(fēng)流量分別為100 m3/h與150 m3/h，從而送風(fēng)口與排風(fēng)口速度入口設(shè)置分別為：2.778 m/s與-4.167 m/s。

2.3.3 計(jì)算求解

模型采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算求解，結(jié)合前期仿真經(jīng)驗(yàn)，連續(xù)性方程的殘差設(shè)置為10-7，能量守恒方程的殘差設(shè)置為10-6，其他殘差設(shè)置為10-3。由于客室建模時(shí)的網(wǎng)格劃分較密和規(guī)整，監(jiān)控到2 500步之后，入口面壓力及各出口面的流量監(jiān)測(cè)結(jié)果基本穩(wěn)定。

3 客室仿真結(jié)果

3.1 空載工況

本節(jié)仿真計(jì)算背景為：客室入口流量為7 900 m3/h時(shí)，客室入口速度1.282 m/s，入口溫度為288 K，室外溫度為308 K，不考慮客室內(nèi)人體散熱的影響。

從圖4、圖5中可以看出客室內(nèi)氣流組織比較均勻，同時(shí)衛(wèi)生間與客室氣流交換較好，但是2個(gè)座椅區(qū)底部冷氣流相對(duì)較少。

圖6～8分別給出了客室內(nèi)3個(gè)不同截面處的溫度云圖，分別對(duì)應(yīng)座椅側(cè)、內(nèi)部過(guò)道以及衛(wèi)生間位置處，對(duì)比可得，動(dòng)力包附近的座椅區(qū)底部的溫度較高。根據(jù)圖8，行李架上方區(qū)域溫度較高，且均勻性較差，因此處冷氣流受到行李架阻擋，較難為此區(qū)域降溫。

基于現(xiàn)有研究報(bào)告[15]及標(biāo)準(zhǔn)UIC553，設(shè)置3個(gè)水平截面的溫度云圖，圖9～11分別對(duì)應(yīng)人體腳踝、坐姿人體頭部以及站姿人體頭部所在截面[16]，上述截面溫度均勻性均較好，總體上溫度滿足295 K的設(shè)計(jì)溫度要求。

圖4 客室內(nèi)速度流線圖(空載)

圖5 客室內(nèi)速度矢量圖(空載，左圖座椅區(qū)Z=15 m，右圖衛(wèi)生間Z=18 m)

圖6 溫度云圖(空載，X=3.7 m處截面，座椅側(cè))

圖7 溫度云圖(空載，X=4.46 m處截面，內(nèi)部過(guò)道)

圖8 溫度云圖(空載，X=5.5 m處截面，衛(wèi)生間側(cè))

圖9 溫度云圖(空載，Y=3.34 m處截面，0.2 m腳踝)

圖10 溫度云圖(空載，Y=4.34 m處截面，1.2 m坐姿頭部)

圖11 溫度云圖(空載，Y=4.94 m處截面，1.8 m站姿頭部)

3.2 定員工況

本節(jié)仿真計(jì)算背景為：客室入口流量為7 900 m3/h時(shí)，客室入口速度為1.282 m/s，客室入口溫度為288 K，室外溫度為308 K，且考慮客室內(nèi)人體散熱的影響。

因?yàn)榭褪覅^(qū)域內(nèi)乘客的主要活動(dòng)區(qū)域?yàn)?塊座椅區(qū)域，基于動(dòng)車組運(yùn)用環(huán)境將人均排放熱量設(shè)置為116 W/人，設(shè)定人的2個(gè)活動(dòng)區(qū)域(區(qū)域一24.331 m3，區(qū)域二23.416 m3)，其熱能密度分別為190.703 W/m3與198.155 W/m3。

從圖12～13中可以看出定員下客室內(nèi)氣流組織分布與空載情況相似，流線及矢量圖比較均勻，且衛(wèi)生間與客室氣流交換較好。

從圖14～16三個(gè)特征截面可以看出座椅區(qū)域的溫度較高，局部溫度略高于295 K。內(nèi)部過(guò)道所在平面內(nèi)溫度均勻性相對(duì)較差，需要采取措施改善動(dòng)力包附近的氣流組織，以提升客室內(nèi)溫度均勻性。

圖12 客室內(nèi)速度流線圖(定員)

圖13 客室內(nèi)速度矢量圖(定員，左圖座椅區(qū)Z=15 m，右圖衛(wèi)生間Z=18 m)

圖14 溫度云圖(定員，X=3.7 m處截面，座椅側(cè))

圖15 溫度云圖(定員，X=4.46 m處截面，內(nèi)部過(guò)道)

圖16 溫度云圖(定員，X=5.5 m處截面，衛(wèi)生間側(cè))

圖17～19分別給出了定員情況下3個(gè)人體特征截面的溫度云圖，較空載情況相比，溫度分布更加不均勻，其中，坐姿截面整體溫度高于295 K。

圖17 溫度云圖(定員，Y=3.34 m處截面，0.2 m腳踝)

圖18 溫度云圖(定員，Y=4.34 m處截面，1.2 m坐姿頭部)

圖19 溫度云圖(定員，Y=4.94 m處截面，1.8 m站姿頭部)

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)東南亞內(nèi)燃動(dòng)車組客室氣流組織進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：人員負(fù)荷為空載AW0時(shí)，格柵送風(fēng)、側(cè)部及集中回風(fēng)的形式客室內(nèi)氣流組織較好，溫度均勻性較高，客室溫度滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)客室人員負(fù)荷達(dá)到定員AW2時(shí)，動(dòng)力包附近的座椅區(qū)溫度略高于295 K的設(shè)計(jì)溫度要求，需要對(duì)動(dòng)力包與客室交接面上采取隔熱處理，仿真動(dòng)力包熱量傳入客室影響客室溫度均勻性，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)將通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)一系列措施，優(yōu)化客室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)，提升客室溫度均勻性，提高了乘客的舒適感。