动车检修库无罩引风系统性能研究

陈 方，廖义德，郭 敏，谈文鑫，邹军军

(武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

动车基地的检修库可对多辆动车组同时进行拆装和检修，动车组在进库检修的过程中，其变电柜和空调装置是处于工作状态的，散热器通过两个热风出口向外排出45 ℃左右的热空气，其排量之和约为6 000 m3/h，而通常一列动车组有16节车厢，热风总排量高达96 000 m3/h.在炎热的夏季，当动车组数量增多时，库内气温将非常高，即使采用空调制冷措施也难以有效控制库内气温，给检修工作带来不利.

1 无罩引风系统原理

1.1 系统简介

无罩引风系统如图1所示，动车组排气口与地面的垂直距离为1.2 m，排出的热空气吹向地面，通过在地面创建对应吸气口(与排气口错位0.4 m左右)并在内部安装风机，从而达到排出热空气、通风散热的目的.

图1 无罩引风系统示意图

1.2 射流理论分析

排气口排出热空气属于气体紊动射流，由于存在速度不等的间断面，周围静止的气体会被卷入射流，并因获得动量而随原射流向前流动，而热空气速度则会衰减，并形成一定的速度梯度，这称为卷吸作用，结果导致射流断面不断扩大，流速不断降低，流量因周围空气的卷入而沿程增加，需要加大吸气能耗才能保证通风效果.

1.3 通风原理

利用房屋内外的压力差增加空气流动是一种较为普遍的房屋换气原理：既可使屋内气压相对屋外较低(即产生负压)，则屋内热空气会被吸走；也可使屋内气压相对屋外较高(即产生正压)，如向屋内吹风以吹散热空气，使混合后的空气从门窗缝隙溢出，但由于检修库内部空间巨大，采用这种方法能量消耗大且效果不好，若在热空气与库内空气混合前就将其单独引走，引风量和能量消耗就会减少很多，因此可在吸气口处安装风机，当热空气被引至吸气口时利用风机产生的压差将其排出[1].

引风存在有罩和无罩两种方案.有罩方案利用吸气罩和管道引导热空气，但管道连接会对检修工作产生影响，且动车组随机停车时排气口与管道的错位补偿问题也难以解决；无罩方案则利用气体动能和吸气口的压差引导热空气，因此，不会影响检修工作，但由于卷吸作用的存在，风机需要消耗更多的能量[2].

2 Fluent仿真

2.1 仿真目的

无罩引风方案优缺点并存，因此整个系统的通风效果和能量消耗就成为主要研究内容，由于还没有较为完善的理论计算方法，因此采用目前常用的Fluent软件对其进行建模和仿真[3].

2.2 仿真参数与模型

已知排气口流量为0.833 m3/s，面积为0.16 m2，利用Fluent6.3[4-5]对系统建立2D仿真模型并划分网格：由图1可知，略去车轮和检修轨道，在车身轮廓和地面之间建立内部充满空气的密闭空间，排气口为速度进口，吸气口为出口，地面与车身轮廓的边界条件设为wall，左右两边界因敞开环境而设为outflow，得到图2.

图2 仿真模型及网格划分示意图

2.3 仿真结果分析

以排气口排出的热空气速度为初始化条件，设定不同的吸气口压差和尺寸，得到仿真结果，整体速度矢量图如图3所示，吸气口速度矢量图如图4所示，吸气口速度分布图如图5所示.

从图3可看出，大部分热空气被顺利引至吸气口.

从图4可看出，吸气口处的热空气由风机产生的压差排出.

图5显示了吸气口速度分布情况，取其平均值作为吸气口气体流速.

2.3.1 吸气流量与能量消耗随压差变化情况 当吸气口尺寸固定为0.24 m2时，分别设定压差为500 Pa、700 Pa、900 Pa和1 100 Pa，计算得到吸气口流量值和能量消耗功率，如表1和图6所示.

图3 整体速度矢量图

图4 吸气口速度矢量图

图5 吸气口速度分布图

表1不同压差下吸气口流量与能耗对比

Table 1 Deviation of air flow and energy consumption with differential pressure

吸气口压差/Pa5007009001 100吸气口流量/m3·s2.142.322.622.93能量消耗功率/kw1.071.632.353.22

图6 吸气口流量与能量消耗功率随压差变化图

由图6可见，当压差增大时，吸气流量随之增加，但能量消耗增加得更快，因此需要选择合适的压差.

2.3.2 吸气流量与能量消耗随尺寸变化情况 当吸气口压差固定为700 Pa时，分别设定其宽度为0.2 m、0.3 m、0.4 m和0.5 m，长度0.8 m保持不变，计算得到吸气口流量值和能量消耗功率，如表2和图7所示.

图7 吸气口流量与能量消耗功率随尺寸变化图

由图7可见，当吸气口尺寸增加时，吸气流量会增加较快，而能量消耗的增加却较为缓慢，这是一种较为节能的增加流量的方法，但需综合实际情况而定.

表2 不同尺寸下吸气口流量与能耗对比

总体上看，随着压差和吸气口尺寸的增加，吸气流量会越来越大，通风效果将更加明显，但能量消耗也在同时增大，合理选择吸气口尺寸和压差才是保证无罩引风系统达到高效、节能的关键.

3 无罩引风排热实验

3.1 实验目的

通过实验室内的气温变化情况验证无罩引风系统的实际效果.

3.2 实验装置

无罩引风排热实验装置如图8所示.

图8 无罩引风排热实验装置

空调排风口尺寸为420×250 mm2，热风速度2.9 m/s，热风功率8.4 kw；

引风机风管尺寸为340×340 mm2，引风量1 635 m3/h，风压500 Pa，电机功率0.37 kw.

3.3 实验内容

实验室空间尺寸为4 300×1 600×2 800 mm3，初始气温11.3 ℃，将空调排风口设在距离引风机吸气口1 m，错位0.4 m的位置，先开启空调不开引风机，记录一小时内实验室气温随时间的变化，得到数据1；关闭空调，待室内气温恢复至自然状态后再同时开启空调和引风机，记录一小时内实验室气温随时间的变化，得到数据2.将两组数据进行对比如表3和图9所示.

表3 引风机开启与关闭时室内温度的对比

图9 引风机开启与关闭时的室内温度变化图

3.4 实验结论

从以上数据可看出，引风机关闭时室内气温上升幅度较大，1 h内上升了10 ℃左右；而开启引风机后室内气温在1 h内仅增加4 ℃，并趋于稳定，这直观地说明无罩引风系统具有良好的排热降温性能.

4 结 语

a.无罩引风系统具有良好的排热降温性能，但相比有罩系统其能量消耗较大.

b.随着压差和吸气口尺寸的增加，吸气流量和能量消耗也随之增大.压差增大时能量消耗增幅明显，而适当增加吸气口尺寸既可保证流量，也不会使能量消耗增加过多.因此,需要根据实际情况合理选择压差和吸气口尺寸，保证无罩引风系统的高效和节能.

参考文献：

[1] 黄雪,张慎言. 地下汽车库通风系统和防排烟设计[J].暖通空调,2002(5):66-67.

[2] 黄玉兰. 风机节能的方法及途径[J].洛阳高等专科学校学报,1999(3):59.

[3] 万鑫,苏亚欣. 工业厂房自然通风的数值模拟和结构改进[J].中国安全科学学报,2008(8):103-108.

[4] 郭敏. 基于烟囱效应的地下建筑通风系统研究[J].武汉工程大学学报,2010，32(11):85-87,90.

[5] 常玉锋，陈锋. 排烟方式对火场人员疏散影响的数值模型[J].武汉工程大学学报,2010, 32(9):46-49.