軌道列車開關(guān)門過程對客室溫度影響的數(shù)值仿真研究

王維斌，陳大偉，姚拴寶，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)列車客室空間的溫度場分布具有重要作用，作為列車客室環(huán)境調(diào)控的重要系統(tǒng)，對其研究也逐漸深入、細化[1]。隨著計算流體動力學(xué)(CFD)及計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真模擬方法逐漸成為軌道列車空調(diào)通風(fēng)及客室內(nèi)流場研究的新型手段，文獻[2-6]通過數(shù)值仿真技術(shù)對不同車型的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道、客室內(nèi)流場及溫度場進行了數(shù)值仿真研究。

軌道列車到達車站后，在開關(guān)門過程中，客室內(nèi)氣流與環(huán)境氣流產(chǎn)生熱量交換，特別是在高寒、高熱氣候條件下，開關(guān)門過程會對客室內(nèi)的溫度場分布產(chǎn)生一定的影響。為了評估開關(guān)門過程對列車客室內(nèi)溫度變化的影響程度，本文基于某型號城際車，對夏季和冬季工況下車輛開關(guān)門過程中客室內(nèi)的溫度變化過程、客室內(nèi)流場分布進行了仿真研究。

1 幾何模型

圖1所示為某城際車輛客室空間及空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的三維全流場幾何模型。為真實反映城際車輛客室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的流場特征，幾何模型包括客室空間、送風(fēng)道、回風(fēng)道、廢排風(fēng)道、支風(fēng)道、座椅、門窗等主要結(jié)構(gòu)[7]，在模型構(gòu)建過程中對風(fēng)道內(nèi)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、擋板、風(fēng)口、廢排縫隙等細節(jié)特征進行了保留，對客室外圍區(qū)域、座椅、門窗等對流場特性影響不大的部件進行了近似簡化處理[8]。

圖1 某城際車輛客室空間及空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)幾何模型

列車開關(guān)門過程仿真計算域如圖2所示，包括圖1所示的客室空間計算域、兩側(cè)車門區(qū)域?qū)?yīng)的2個外界大氣空間計算域，其中兩側(cè)車門區(qū)域為動網(wǎng)格區(qū)域，仿真過程中要實現(xiàn)開關(guān)門動作。一個完整開關(guān)門動作的總時長為60 s，其中開門時間為6 s，停頓時間為48 s，關(guān)門時間為6 s。

圖2 列車開關(guān)門過程仿真計算域

2 仿真模型及動網(wǎng)格處理

圖3為某城際車輛開關(guān)門過程仿真模型。采用多面體網(wǎng)格進行整個計算域的空間離散[9]，對送風(fēng)道、回風(fēng)道、廢排風(fēng)道、支風(fēng)道、風(fēng)道內(nèi)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、擋板、風(fēng)口、廢排縫隙等幾何尺寸較小但是對流動特性影響較大的結(jié)構(gòu)進行了網(wǎng)格加密處理，針對客室外圍區(qū)域、座椅、門窗等數(shù)據(jù)梯度變化不大的區(qū)域，適當(dāng)放大網(wǎng)格尺寸，使得網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量得到了很好的控制[10]，多面體網(wǎng)格數(shù)量總和約600×104。

圖3 某城際車輛開關(guān)門過程仿真模型

對于車門機構(gòu)開啟和關(guān)閉的運動過程采用動網(wǎng)格方式處理，仿真過程采用非穩(wěn)態(tài)計算，根據(jù)開關(guān)門時間及運動速度編寫程序定義車門機構(gòu)區(qū)域的運動規(guī)律，車門機構(gòu)主要沿直線方向運動，其中車門機構(gòu)附近的網(wǎng)格也需要進行加密處理[11]。車門機構(gòu)開啟過程中的網(wǎng)格運動變化如圖4所示，K1、K2、K3、K4分別表示俯視車門機構(gòu)從左向右開啟過程中，依次移動到不同位置的時刻。圖5為車門機構(gòu)開啟過程中車門附近區(qū)域的空氣流動，從圖5可以看出，車門機構(gòu)開啟過程中，外部空間的氣流進入客室空間，隨著車門機構(gòu)的動網(wǎng)格移動，客室內(nèi)外的計算域進行數(shù)據(jù)交換，形成氣流流動，從而對開關(guān)門過程中客室溫度場的變化進行準確模擬。

圖4 車門機構(gòu)開啟過程中的網(wǎng)格運動變化

圖5 車門機構(gòu)開啟過程中車門附近區(qū)域的空氣流動

3 仿真結(jié)果分析

為了評估開關(guān)門過程對列車客室內(nèi)溫度變化的影響程度，本文針對夏季和冬季工況下某型號城際車中間車開關(guān)門過程中客室內(nèi)的溫度變化進行非穩(wěn)態(tài)計算，并對客室內(nèi)的流場分布進行分析。

3.1 夏季工況開關(guān)門過程中溫度場變化

圖6為夏季室外溫度35 ℃工況下，空調(diào)機組制冷運行時，車門開關(guān)60 s過程中客室內(nèi)溫度場隨時間的變化過程。由圖6可以看出，隨著車門開啟，客室內(nèi)氣流與外界氣流發(fā)生熱量交換，外界的高溫氣流進入客室，車門附近區(qū)域的溫度受此影響逐漸升高，如圖6(b)所示。車門停頓48 s后的溫度場分布如圖6(c)所示，此時，外界氣流對客室內(nèi)溫度的影響范圍達到最大，車門附近區(qū)域的平均溫度由開門前的25 ℃升高至32 ℃。車門關(guān)閉對溫度的傳遞有明顯的阻隔作用，隨著車門的關(guān)閉，溫度場變化較為劇烈。在60 s時車門完全關(guān)閉，在82 s時客室空間的溫度分布恢復(fù)到開門前狀態(tài)。

圖6 夏季開關(guān)門過程中客室內(nèi)溫度場變化

3.2 冬季工況開關(guān)門過程中溫度場變化

圖7為冬季室外溫度-25 ℃工況下，空調(diào)機組制熱運行時，車門開關(guān)60 s過程中客室內(nèi)溫度場隨時間的變化過程。由圖7可以看出，隨著車門開啟，客室內(nèi)氣流與外界氣流發(fā)生熱量交換，外界的低溫氣流進入客室，車門附近區(qū)域的溫度受此影響逐漸降低，如圖7(b)所示。車門停頓48 s后的溫度場分布如圖7(c)所示，此時，外界氣流對客室內(nèi)溫度的影響范圍達到最大，車門附近區(qū)域的平均溫度由開門前的22 ℃降低至10 ℃。車門關(guān)閉對溫度的傳遞有明顯的阻隔作用，隨著車門的關(guān)閉，溫度場變化較為劇烈。在60 s時車門完全關(guān)閉，在94 s時客室空間區(qū)域的溫度分布恢復(fù)到開門前狀態(tài)。

圖7 冬季開關(guān)門過程中客室內(nèi)溫度場變化

3.3 客室內(nèi)流場分布

圖8為中間車客室內(nèi)流場分布，由圖8可以看出，空調(diào)氣流從客室中間主送風(fēng)道各個送風(fēng)口向客室內(nèi)送風(fēng)，其中一部分氣流從客室兩側(cè)回風(fēng)道以及客室端部回風(fēng)道回風(fēng)回到空調(diào)機組，另一部分通過客室內(nèi)飾縫隙進入廢排風(fēng)道排出客室。整體來看，風(fēng)道設(shè)計可以有效地向中間車客室區(qū)域送風(fēng)，整個客室氣流組織分布比較均勻，很少出現(xiàn)氣流死區(qū)，可以保證客室空間氣流組織空間分布的均勻性[12]。

圖8 中間車客室內(nèi)流場分布

同時可以看出，從空調(diào)送風(fēng)口進入主送風(fēng)道的氣流經(jīng)過靜壓箱調(diào)壓后從各個送風(fēng)口送入客室區(qū)域。送風(fēng)口下方的散流器對出風(fēng)口氣流起到良好的導(dǎo)流作用[13]，使得氣流以合理角度向四周側(cè)面送風(fēng)，增大了送風(fēng)區(qū)域，利于獲得良好的空間氣流組織分布。窗戶下方的回風(fēng)口設(shè)計可以保證氣流通過客室兩側(cè)的回風(fēng)道回流，由于回風(fēng)口截面積縮小，其附近區(qū)域的速度較高[14]。通過在客室長度方向上回風(fēng)道間距的合理分布，可以有效調(diào)節(jié)客室內(nèi)的氣流組織分布[15]。

4 總結(jié)

為了研究列車到站后開關(guān)門過程對客室內(nèi)溫度分布的影響程度，本文基于某型號城際車中間車，建立了客室內(nèi)流場三維幾何模型，定義了車門機構(gòu)區(qū)域的運動規(guī)律，針對夏季及冬季工況下列車開關(guān)門過程中客室內(nèi)溫度場變化進行了非穩(wěn)態(tài)計算，并分析了客室內(nèi)流場分布，得出如下結(jié)論：

夏季及冬季開關(guān)門過程對車門附近區(qū)域的溫度分布產(chǎn)生顯著影響，但是對客室區(qū)域溫度場的影響范圍較小且影響時間較短，主要原因為：一方面，列車整體風(fēng)道設(shè)計可以有效地向客室區(qū)域送風(fēng)，整個客室氣流組織分布均勻；另一方面，60 s開關(guān)門過程時間較短，客室內(nèi)溫度分布可在關(guān)門后約20～30 s恢復(fù)到開門前狀態(tài)。