鐵路空調(diào)發(fā)電車夏季車內(nèi)流場CFD 仿真

史殿新，馬穎珊，溫佳澄，聶春戈，李健，陶然

(1.116028 遼寧省 大連市 大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院；2.430074 湖北省 武漢市 華中科技大學(xué) 武漢光電國家研究中心；3.116028 遼寧省 大連市 大連交通大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院)

0 引言

空調(diào)發(fā)電車作為專門為旅客列車提供電力的車廂，是客運列車的重要組成部分。發(fā)電車本質(zhì)上是一種特種車輛，當(dāng)前空調(diào)發(fā)電車一般是以25T 或25G 車型改造出來的，發(fā)電車依靠燃油進(jìn)行發(fā)電，而且一般整列車廂處于密封狀態(tài)，因而在長時間運行工作下，發(fā)電機(jī)會產(chǎn)生大量熱量，室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)較差，發(fā)電機(jī)機(jī)身溫度高達(dá)700 ℃左右，發(fā)電車車內(nèi)溫度可達(dá)70 ℃左右。工作人員在工作過程中伴隨著高溫、高噪聲振動及有害物質(zhì)污染，工作環(huán)境極其惡劣，尤其是在炎熱季節(jié)。長期在這種環(huán)境下工作，會對工作人員身體產(chǎn)生影響，引發(fā)一些疾病[1]。為此，我們需要通過空調(diào)設(shè)備來對發(fā)電車車廂內(nèi)進(jìn)行換風(fēng)和降溫，以改善工作人員的工作環(huán)境。

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CFD（計算流體力學(xué)）技術(shù)已經(jīng)成為模擬仿真列車車廂流場分布、研究車廂內(nèi)熱舒適性、分析改進(jìn)空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的主要方法。李洪民[2]、張登春[3]研究了空調(diào)硬座列車車內(nèi)的流場和溫度場；楊如輝等[4]、劉志永等[5]以及Sun 等[6]研究了空調(diào)列車軟臥車廂的氣流分布和熱環(huán)境；陳寧等[7]、王燁等[8-9]對高原空調(diào)列車車內(nèi)流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值分析，開展相關(guān)研究；林鵬等[10]基于CFD 理論，研究發(fā)電列車車下燃油箱的保溫性能。但是關(guān)于發(fā)電車內(nèi)流場的分析，目前很少有人研究。本文應(yīng)用Fluent 軟件，以25 型空調(diào)發(fā)電車為研究對象，對其在夏季工況下的速度場和溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，著重研究了送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度對發(fā)電車車內(nèi)速度場和溫度場的影響，為后續(xù)優(yōu)化發(fā)電車車內(nèi)氣流組織和舒適性奠定基礎(chǔ)。

1 基本原理及計算模型

1.1 計算流體力學(xué)基本原理

發(fā)電車車廂內(nèi)空氣流動滿足流動基本方程，即質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，而CFD 則是在流動基本方程控制下對流動的數(shù)值模擬。通過CFD 數(shù)值模擬，可以得到復(fù)雜流場內(nèi)速度、壓力和溫度等基本物理量的分布情況。在發(fā)電車運行過程中，其室內(nèi)空氣流動和熱傳遞可以通過CFD 進(jìn)行數(shù)值模擬。

為了方便計算，假設(shè)發(fā)電車廂內(nèi)的空氣和空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)空氣低速流動并且不可壓縮，且符合Boussinep 假設(shè)；發(fā)電車廂內(nèi)空氣的流動看作穩(wěn)態(tài)流動；忽略車廂內(nèi)固體壁面間的熱輻射；發(fā)電車車廂氣密性好，忽略漏風(fēng)因素。

判斷發(fā)電車車廂內(nèi)空氣流動的狀態(tài)，雷諾數(shù)計算公式為

式中：ρ——流體密度；μ——流體粘性系數(shù)；v——流體流動的平均速度；D——特征常數(shù)，取流動通道的直徑尺寸。計算可得雷諾數(shù)Re＞4 000，因此發(fā)電車車內(nèi)氣體模型可以視為湍流模型。

Fluent 中湍流計算模型有很多種，包括單方程（Spalart-Allmaras）模型、雙方程模型（標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、可實現(xiàn)k-ε模型）以及Reynolds 應(yīng)力模型和大渦模型。本文計算屬于室內(nèi)空氣流場計算，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，利用SIMPLE 算法求解。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍流動能k 和湍流耗散率ε方程為

式中：Gk——由平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項；Gb——由浮力影響引起的湍動能的產(chǎn)生項；YM——可壓湍流脈動膨脹對總耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε——經(jīng)驗常數(shù)，本文取C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；σk、σε——k 和ε對應(yīng)的Prandtl 數(shù)；Sk、Sε——用戶定義的源項；μt——湍流粘度，。

1.2 計算模型

發(fā)電車車廂內(nèi)分為儲油間、發(fā)電間、配電間、休息間、材料工具間等，因而發(fā)電車具有非對稱的車廂內(nèi)布局。發(fā)電車內(nèi)有電氣控制柜、發(fā)電機(jī)組、液壓管路、材料柜、制動裝置、整流裝置等關(guān)鍵零、部件，休息間設(shè)有兩層半軟鋪位供工作人員休息，其中發(fā)電機(jī)組和電氣控制柜是主要熱源，休息床鋪和材料柜對流場有較大影響，其余部件對車廂內(nèi)流場影響可忽略不計，因而模擬時不做考慮；本文發(fā)電車車體長度為25 500 mm，寬度為3 110 mm，最大高度為4 400 mm，將發(fā)電車車體及內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行簡化，利用SolidWorks 軟件建立發(fā)電車簡化幾何模型如圖1 所示。

圖1 發(fā)電車車廂幾何模型Fig.1 Geometric model of generator train

列車外部空氣通過空調(diào)系統(tǒng)加熱或制冷后，經(jīng)主風(fēng)道通過各支風(fēng)道送入車廂?？照{(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道一般與車廂長度相近，風(fēng)道中的風(fēng)速較低，送風(fēng)過程必然會損失一部分能量，故空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)過程不能省略。本文空調(diào)系統(tǒng)安置在車廂頂部，主要由進(jìn)風(fēng)口、主風(fēng)道、支風(fēng)道、導(dǎo)流板和隔板組成，長度為20 466 mm，其仿真模型如圖2 所示。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of air conditioning system

發(fā)電車車廂及空調(diào)系統(tǒng)的面網(wǎng)格采用三角形單元網(wǎng)格劃分，車體及空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部流體網(wǎng)格采用四面體單元劃分。為了更準(zhǔn)確地模擬發(fā)電車車廂內(nèi)的氣流組織分布，將發(fā)電機(jī)組、電氣控制柜、床鋪和材料柜區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，有限元模型網(wǎng)格總數(shù)為5 189 149 個，車廂和空調(diào)系統(tǒng)等2D 網(wǎng)格的最小雅可比值（jacobian）為1，翹曲度（warpage）最大值為0，歪斜度（skew）最大值為0，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求，整體發(fā)電車仿真模型如圖3 所示。

圖3 整體發(fā)電車仿真模型Fig.3 Overall simulation model of generator train

發(fā)電車邊界條件設(shè)置如下：

（1）車廂內(nèi)外計算參數(shù)：本文對夏季工況下發(fā)電車車廂進(jìn)行分析，車廂外界溫度設(shè)為35 ℃，車廂內(nèi)壁面溫度設(shè)為26.85 ℃。

（2）壁面邊界條件：車窗、導(dǎo)流板、風(fēng)道，邊界條件為wall，設(shè)置材料為aluminum；側(cè)墻、端墻、車底、車頂，邊界條件為wall，設(shè)置材料為steel。車底綜合傳熱系數(shù)為0.54 W/(m2·K)，側(cè)墻綜合傳熱系數(shù)設(shè)置為0.58 W/(m2·K)，車頂綜合傳熱系數(shù)設(shè)置為1.33 W/(m2·K)，車窗綜合傳熱系數(shù)設(shè)置為1.4 W/(m2·K)[11]，端墻、休息鋪位、材料柜設(shè)為絕熱壁面，即綜合傳熱系數(shù)為0。

（3）風(fēng)口邊界條件：送風(fēng)口設(shè)為速度入口（velocity-inlet），每個送風(fēng)口參數(shù)一致，送風(fēng)參數(shù)根據(jù)具體工況確定，各工況送風(fēng)參數(shù)見表1；出風(fēng)口設(shè)為壓力出口（pressure-outlet），每個出風(fēng)口參數(shù)一致。

表1 空調(diào)系統(tǒng)5 種工況下的送風(fēng)參數(shù)Tab.1 Air supply parameters of air conditioning system under five working conditions

（4）熱源邊界條件：發(fā)電機(jī)組功率設(shè)為160 kW/臺，柴油發(fā)電機(jī)組在運行時，效率大約為33%，有70%左右的能量沒有得到充分利用，其中10%左右的能量擴(kuò)散到發(fā)電車車廂內(nèi)[12]，因而柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)熱量為48.5 kW。電氣控制柜發(fā)熱量設(shè)為1.5 kW[13]。將柴油發(fā)電機(jī)組和電氣控制柜簡化為面熱源。面熱源的熱流密度計算公式如式(4)：

式中：P——熱源的熱流密度；p——面熱源的發(fā)熱量；V——面熱源的散熱面積。

2 計算結(jié)果及分析

GBZ 1-2010《工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) 》規(guī)定，夏季特殊高溫作業(yè)室內(nèi)外溫差不應(yīng)超過2 ℃，高溫作業(yè)車間的工間休息室溫度應(yīng)≤30 ℃，設(shè)有空氣調(diào)節(jié)的休息室室內(nèi)氣溫應(yīng)保持在24～28 ℃。

本文采用CFD 軟件Fluent 進(jìn)行數(shù)值模擬，仿真計算了柴油發(fā)電機(jī)組和空調(diào)系統(tǒng)運行過程中發(fā)電車車廂內(nèi)的空氣流動狀況，對不同工況下的速度場、溫度場等結(jié)果進(jìn)行對比分析。由于發(fā)電車車廂較大，室內(nèi)氣流組織為大體積的三維空氣流場，結(jié)果分析時只能選取一些典型截面。在車廂高度方向選取截面a（z=0.1 m 截面即工作人員站立時腳部截面）和截面b（z=1.7 m 處截面即工作人員站立時頭部截面），在車廂長度方向選取一個截面c（休息間寬度方向中心截面）。

2.1 送風(fēng)溫度影響

選取工況1、2、3 進(jìn)行數(shù)值模擬，分析送風(fēng)溫度對發(fā)電車散熱影響?？照{(diào)系統(tǒng)送出的冷氣流從車廂送風(fēng)口以射流形式進(jìn)入車室，由于送風(fēng)氣流與車廂內(nèi)氣流溫度不同，因而兩者的密度不同，送風(fēng)氣流會逐漸向下流動，最終從各出風(fēng)口送出。

圖4 上方溫度條表示截面a、b 的溫度云圖范圍為26～46 ℃，自上而下分別為工況1—工況3 的各截圖溫度云圖。從圖4 可以發(fā)現(xiàn)，受發(fā)電機(jī)組和電氣控制柜等熱源影響，發(fā)電機(jī)組和電氣控制柜附近區(qū)域溫度較高，最高溫度出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)組的表面。在工況3 發(fā)電機(jī)組表面溫度最高，為45.57 ℃；對比圖4 中3 個工況的溫度云圖不難看出，隨著送風(fēng)溫度的升高，車廂內(nèi)的溫度均勻性有所提高。在送風(fēng)溫度為22 ℃時，車廂內(nèi)發(fā)電間、配電間等大部分區(qū)域溫度在34.42 ℃左右，滿足室內(nèi)外溫差小于2 ℃的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 工況1、2、3 的截面a、b 溫度云圖Fig.4 Temperature nephogram of section a and b of working conditions 1,2 and 3

觀察圖5 可以看出，下沉的送風(fēng)氣流和車廂兩側(cè)貼壁氣流進(jìn)行對流換熱，由于車窗處的對流換熱系數(shù)較高，故氣流在車窗附近形成渦旋，因而車窗附近區(qū)域風(fēng)速較高；由于發(fā)電間和配電間熱源的存在，熱源區(qū)域空氣與周圍空氣進(jìn)行換熱，使得熱源周圍風(fēng)速較高；由于貨架的遮擋作用，氣流在貨架處形成渦旋，速度較高，而貨架中的風(fēng)速較低；由于出風(fēng)口原因，在截面a 處3 個出風(fēng)口附近的風(fēng)速較高。對比圖5 中3 個工況的速度云圖可以看出，送風(fēng)溫度的變化對車廂內(nèi)速度場沒有明顯影響。

圖5 工況1、2、3 的截面a、b 速度云圖Fig.5 Velocity nephogram of section a and b under working conditions 1,2 and 3

從圖6 可以更直觀地看出冷空氣從空調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)入車廂，與車廂中的空氣進(jìn)行換熱。由于床鋪的遮擋作用，下鋪區(qū)域的換氣效果較差，故溫度較高；由于休息間設(shè)有出風(fēng)口，下鋪與地面之間區(qū)域的空氣流通較好，故溫度較低；上鋪區(qū)域由于直面車廂送風(fēng)口，故在車廂送風(fēng)口一側(cè)的上鋪區(qū)域溫度相對較低。工況1 中休息室溫度為27.76～29.83 ℃，休息室最高溫度與標(biāo)準(zhǔn)要求相差1.83 ℃；工況2中休息室溫度在29.14～31.90 ℃，休息室最高溫度與標(biāo)準(zhǔn)要求相差3.90 ℃；工況3 中休息室溫度在30.52～33.28 ℃，休息室最高溫度與標(biāo)準(zhǔn)要求相差5.28 ℃；通過對比不難發(fā)現(xiàn)，隨著送風(fēng)溫度的降低，休息室內(nèi)的溫度有了一定的下降，需降低送風(fēng)溫度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 工況1、2、3 的截面 c 溫度云圖Fig.6 Temperature nephogram of section c under working conditions 1,2 and 3

通過對比分析，隨著送風(fēng)溫度的提高，發(fā)電車車廂內(nèi)的熱環(huán)境相對更均勻穩(wěn)定，對于設(shè)備的安全運行有一定的幫助，同時減少能耗。當(dāng)送風(fēng)溫度為22 ℃時，車廂內(nèi)大部分區(qū)域在34.42 ℃左右，滿足室內(nèi)外溫差標(biāo)準(zhǔn)；而降低送風(fēng)溫度時，休息間的溫度也隨之降低，更加接近標(biāo)準(zhǔn)休息間溫度，對于在休息間休息的工作人員更加友好。

2.2 送風(fēng)速度影響

選取工況2、4、5 進(jìn)行數(shù)值模擬，分析送風(fēng)速度對發(fā)電車散熱影響。從圖7 可見，工況4 下的車廂內(nèi)溫度范圍在30.21～41.79 ℃，截面a、截面b 溫差在1.1～1.9 ℃；工況2 的車廂內(nèi)溫度范圍在28.11～40.74 ℃，截面a、截面b 溫差在1.1～2.1 ℃；工況5 下的車廂內(nèi)溫度范圍在27.05～39.68 ℃，截面a、截面b 溫差在1.0～2.8 ℃；不難看出，隨著送風(fēng)速度的增加，車廂內(nèi)各個位置溫度均有下降，熱源影響區(qū)域同時減少；但工況4 中，車廂整體的熱環(huán)境均勻性較好，車廂大部分區(qū)域在33.37 ℃左右，滿足室內(nèi)外溫差小于2 ℃標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 工況4、2、5 的截面a、b 溫度云圖Fig.7 Temperature nephogram of section a and section b under working conditions 4,2 and 5

觀察圖8 發(fā)現(xiàn)，隨著送風(fēng)速度的增加，車廂內(nèi)的速度場并沒有明顯的變化，這是由于車室內(nèi)熱源的影響，送風(fēng)氣流進(jìn)入車廂形成渦旋，與熱源影響區(qū)域進(jìn)行對流換熱，送風(fēng)氣流對車廂下方流場影響較小，故雖然送風(fēng)速度增加，但對車廂內(nèi)速度場影響不大，即對車廂內(nèi)溫度場影響程度幾乎相同。

圖8 工況4、2、5 的截面a、b 速度云圖Fig.8 Velocity nephogram of section a and section b under working conditions 4,2 and 5

觀察圖9 可以更直觀地看出，空調(diào)系統(tǒng)的冷氣流進(jìn)入車廂，在車廂上方形成2 個渦旋；隨著送風(fēng)速度的提高，車廂內(nèi)的溫度降低，送風(fēng)速度提高0.5 m/s，車廂內(nèi)溫度普遍下降1.5 ℃左右；工況4 休息間溫度范圍在30.52～33.28 ℃，工況2 休息間溫度范圍在29.14～31.90 ℃，工況5 休息間溫度范圍在27.76～29.83 ℃，可以看出當(dāng)送風(fēng)速度為4 m/s 時，休息間的溫度最接近標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍。

圖9 工況4、2、5 的截面c 溫度云圖Fig.9 Temperature nephogram of section c under working conditions 4,2 and 5

3 結(jié)論

本文以25 型空調(diào)發(fā)電車為研究對象，利用Fluent 軟件對發(fā)電車車廂內(nèi)的流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)參數(shù)探究送風(fēng)速度和溫度對發(fā)電車廂內(nèi)流場及溫度場影響，結(jié)果表明：

（1）送風(fēng)溫度的變化對發(fā)電車車廂速度場的影響不大，但隨著送風(fēng)溫度的增加，發(fā)電車車廂內(nèi)的整體熱環(huán)境較好，在實際應(yīng)用中送風(fēng)溫度的提高也會減小能耗，當(dāng)送風(fēng)溫度為22 ℃時，車廂內(nèi)大部分區(qū)域在34.42 ℃左右，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；但同時較高的送風(fēng)溫度會使得休息間的溫度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)送風(fēng)溫度為18℃時，休息間的溫度范圍接近標(biāo)準(zhǔn)溫度。（2）由于熱源影響較大，送風(fēng)速度的增加并不會對發(fā)電車車廂速度場產(chǎn)生明顯的影響，較小的送風(fēng)速度反而有利于維持車廂內(nèi)熱環(huán)境的均勻性，當(dāng)送風(fēng)速度為3 m/s 時，車廂內(nèi)大部分區(qū)域在33.37 ℃左右，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；同樣的，較小的送風(fēng)速度使得車廂內(nèi)的溫度普遍提高，當(dāng)送風(fēng)速度為4 m/s 時，休息間的溫度范圍接近標(biāo)準(zhǔn)溫度。（3）在實際應(yīng)用中需要綜合考慮工作人員的需求和設(shè)備運行所需的穩(wěn)定熱環(huán)境以及發(fā)電車能耗，合理設(shè)置送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度，可以采取在休息間增加風(fēng)扇等措施，單獨降低休息間的溫度，改善工作人員的休息環(huán)境。

本文是在給定的送風(fēng)參數(shù)開展的模擬計算，計算結(jié)果所反映的現(xiàn)象與實際情況的接近程度，還需要后續(xù)的實車測試結(jié)果進(jìn)行對比驗證。