某地鐵車輛客室送風(fēng)道送風(fēng)均勻性優(yōu)化分析

王常宇 單紅娜

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春； 2.長春市軌道交通集團有限公司，130022，長春∥第一作者，高級工程師)

隨著我國城市軌道交通的不斷發(fā)展, 對地鐵車廂內(nèi)乘客熱舒適性的研究備受關(guān)注[1-2]?？褪铱照{(diào)送風(fēng)道良好的送風(fēng)均勻性是決定乘客舒適性的重要指標(biāo)，因此合理設(shè)計空調(diào)送風(fēng)道成為了整個空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中較為重要的環(huán)節(jié)。文獻[3]分析了帶有靜壓腔式空調(diào)送風(fēng)道的送風(fēng)原理及結(jié)構(gòu)，提出了在送風(fēng)道內(nèi)增加擾流板的改進建議。

本文對某地鐵車輛客室送風(fēng)道進行仿真分析與模擬計算, 獲得了送風(fēng)均勻性氣流組織云圖、各段送風(fēng)口的質(zhì)量流量，以及各段送風(fēng)口與整體送風(fēng)口平均值的相對誤差的標(biāo)準(zhǔn)差;此外，對初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的客室送風(fēng)道送風(fēng)均勻性有所提高。本研究可為空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供重要的理論依據(jù)。

1 研究對象及計算模型建立

1.1 研究對象

本文的研究對象為某地鐵車輛客室送風(fēng)道。初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖1所示：氣流由進風(fēng)口進入風(fēng)道靜壓腔，經(jīng)靜壓腔隔板條縫進入主風(fēng)道，最后由送風(fēng)口送往客室。

圖1 初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)Fig.1 Initial air delivery duct structure

1.2 建立計算模型

為了更真實地模擬送風(fēng)道的送風(fēng)情況，計算建模包含客室區(qū)域。進風(fēng)口及回風(fēng)口模型如圖2所示。經(jīng)風(fēng)道進風(fēng)口進入地鐵車輛客室的氣流在客室循環(huán)后，由回風(fēng)口流出。為了便于后續(xù)對送風(fēng)均勻性指標(biāo)進行評價，對風(fēng)道出風(fēng)口進行簡要劃分，從送風(fēng)口1開始，每隔600 mm設(shè)置1個送風(fēng)口，共設(shè)置15個送風(fēng)口(送風(fēng)口1—送風(fēng)口15)，其模型如圖3所示。

圖2 進風(fēng)口及回風(fēng)口模型Fig.2 Model of air inlet and return air inlet

圖3 送風(fēng)口模型Fig.3 Model of air outlet

在Pointwise軟件中簡化上述三維模型，在STAR-CCM+軟件中進行計算模型的前處理工作。為提高計算準(zhǔn)確度且考慮到計算模型的收斂性問題，本次計算采用的體網(wǎng)格數(shù)量約為500萬個。

1.3 評價指標(biāo)

基于送風(fēng)均勻性氣流組織云圖、各段送風(fēng)口質(zhì)量流量及各段送風(fēng)口與整體送風(fēng)口平均值的相對誤差的標(biāo)準(zhǔn)差等評價參數(shù)，評價客室送風(fēng)道的送風(fēng)均勻性。

1.4 邊界條件設(shè)定

邊界條件設(shè)定為：① 空氣在風(fēng)道中的流動為湍流，空氣密度不變且不考慮空氣的溫度變化，風(fēng)道壁面設(shè)為絕熱；② 根據(jù)設(shè)計要求，每個進風(fēng)口的體積流量為2 000 m3/h，為了便于計算，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓密度為1.29 kg/m3的條件下，將進風(fēng)口的體積流量換算為質(zhì)量流量，并將進風(fēng)口空氣流量設(shè)置為質(zhì)量流量，取值為0.718 kg/s，回風(fēng)口空氣壓力設(shè)置為相對壓力，取為0。

2 初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)

各段送風(fēng)口的評價參數(shù)如表1所示，其中各段送風(fēng)口與整體送風(fēng)口平均值的相對誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.635。初始送風(fēng)道的速度云圖(主視圖)如圖4所示。由表1和圖4可知，送風(fēng)道靠近機組下方的送風(fēng)口氣流流速較小，而送風(fēng)道端部區(qū)域氣流速度較大，送風(fēng)均勻性較差。

表1 各段送風(fēng)口的評價參數(shù)Tab.1 Evaluation parameters of each sectional air supply outlet

圖4 初始送風(fēng)道的送風(fēng)速度云圖(主視圖)

3 優(yōu)化后的送風(fēng)道結(jié)構(gòu)

針對客室兩端送風(fēng)速度較大且整體送風(fēng)不均勻的問題，將主風(fēng)道優(yōu)化為變間距結(jié)構(gòu)。為了使靜壓腔內(nèi)的氣流更為均勻地送入客室，并減小送風(fēng)道兩端的送風(fēng)量，取消靜壓腔內(nèi)的擋板設(shè)計。同時，考慮到送風(fēng)道內(nèi)的安裝可行性問題，從一位側(cè)主風(fēng)道隔板和二位側(cè)主風(fēng)道隔板起始端開始，在兩側(cè)主風(fēng)道隔板間每隔500 mm布置一個擋板，優(yōu)化后的送風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖5所示。優(yōu)化送風(fēng)道結(jié)構(gòu)后，各送風(fēng)口的質(zhì)量流量和相對誤差如表2所示，其中各段送風(fēng)口與整體送風(fēng)口平均值的相對誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.535。優(yōu)化后送風(fēng)道的送風(fēng)速度云圖(主視圖)如圖6所示。

圖5 優(yōu)化后的送風(fēng)道結(jié)構(gòu)Fig.5 Optimized air delivery duct structure

表2 優(yōu)化送風(fēng)道結(jié)構(gòu)后各送風(fēng)口的質(zhì)量流量和相對誤差

圖6 優(yōu)化后送風(fēng)道的送風(fēng)速度云圖(主視圖)

4 結(jié)語

本文通過改進送風(fēng)道結(jié)構(gòu)及增加主風(fēng)道內(nèi)隔板的方法對初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，獲得如下結(jié)論：

1) 初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)的端部氣流速度較大，優(yōu)化后的送風(fēng)道采用變間距結(jié)構(gòu)，越靠近端部的送風(fēng)道越窄，從而降低了端部流速及流量值。

2) 由于端部氣流速度較大，初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)的送風(fēng)速度較大，送風(fēng)均勻性較差，優(yōu)化后的送風(fēng)道由一位側(cè)主風(fēng)道隔板和二位側(cè)主風(fēng)道隔板起始端開始，在兩側(cè)主風(fēng)道隔板間每隔500 mm間距均勻布置擋板，計算獲得的各段送風(fēng)口的質(zhì)量流量更接近于整體送風(fēng)口質(zhì)量流量平均值，其相對誤差的標(biāo)準(zhǔn)差也有所減小，說明優(yōu)化后送風(fēng)道的送風(fēng)均勻性更優(yōu)。