高速列车车内温度场与气流场研究
2013-09-20李国清王大智袭望韩璐刘斌
李国清，王大智，袭望，韩璐，刘斌
(中国北车集团 唐山轨道客车有限责任公司 产品技术研究中心，河北 唐山 063035)*
0 引言
高速列车的广泛运营已成为我国在世界高速列车领域提高竞争力的重要标志.高铁车厢舒适性成为人们关注的重点，从旅客的舒适性出发研究适合空调列车的气流组织显得至关重要［1］.而客室内空气流动与传热规律研究是空调车室内气流组织设计及舒适环境评价的基础.高速列车空调系统的性能，除了与空调本身的性能及机组的大小有关外，还与整个客室的热环境和空气的品质有重要的关联.为了改善旅客乘车的舒适性和提高运行的经济性，提升空调系统能效，高速列车使用了良好的隔热保温材料以及密封措施.国内外一些研究者正积极开展这方面的研究工作［2-5］.
针对某高速列车车内速度、温度场进行计算研究，包括两个高级包间、四个普通包间、一位端和二位端电器设备等结构模型.送风边界条件参考送风风量、湍动能系数、耗散系数以及温度;回风口边界条件参考回风量的大小、湍动能系数以及耗散系数.
1 计算模型的建立
1.1 数学模型
车厢内的气体流动属于湍流流动，比较复杂.室内气体属于牛顿流体，而且流动速度较低，可视为不可压缩流体，并满足理想气体状态方程;另外，认为客室气体满足Boussinesq假设，认为流体密度的变化仅仅对浮升力产生影响，即仅在计算浮升力时考虑流体密度的变化.
客室内气流流动和传热满足质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，其在直角坐标系中微分形式的控制方程如下［6］:
连续性方程:
式中，u、v、w分别为流体在x、y、z三个坐标方向上的速度分量，ρ为流体的密度.
动量方程:
式中，fx、fy、fz为 x、y、z三个坐标方向上的单位质量力;p为作用在单位面积上的表面力分布函数.
能量方程:
式中，T为温度;λ为流体导热系数;cp为定压比热.
1.2 几何模型
卧铺车厢包括:两个高级包间、四个普通包间、一位端以及二位端电器设备.客室内空调通风系统的送风口分别位于车厢客室顶板处、窗户下端以及车厢内壁下端.回风口位于二位端空调的下方，废排分别位于一位端、二位端内，如图1所示.
图1 卧铺车厢的三维数学模型示意图
1.3 网格划分
整个车厢采用了以六面体网格为主的混合体网格，总生成的网格数为9608074.
1.4 边界条件及其假设
卧铺车的总送风量为4 000 m3/h，废排风量为500 m3/h.夏季运行时，70%的总风量从车厢客室顶板均匀送出，9%的总风量从两侧车窗下端送出，21%的总风量从车厢两侧内壁下端送出;冬季运行时，30%的总风量从车厢客室顶板均匀送出，21%的总风量从两侧车窗下端送出，49%的总风量从车厢两侧内壁下端送出.
由于送风总量以及各出风口风量的大小已知，且送风均匀，即送风口处选用速度入口边界条件，夏季运行时其送风口处干空气的温度取18℃，干空气的密度取1.213 kg/m3，冬季运行时其送风口处干空气的温度取20℃，干空气的密度取1.205 kg/m3;回风量一定、废排总量一定的情况下，本文假定一位端5个废排风量均为84 m3/h，二位端2个废排风量均为40 m3/h.
夏季和冬季运行下的计算结果，选取的截面依次为 y=100、500、1 200、1 700 mm、z=1 000 mm(普通包间中心截面)、z=11 250 mm(高级包间中心截面);共选取了10条直线，它们为各包间的中心线、一位端走廊中心线以及二位端走廊中心线，10条直线的位置如图2所示.
图2 卧铺车厢内1～10号直线分布图
2 结果及讨论
2.1 夏季运行下的计算结果与分析
夏季运行工况下，卧铺车厢各个截面的温度场和速度场的分析结果如图3、图4、表1所示.
四个包间在y∈(1.5，2)区间内温度、速度波动剧烈，3号包间比较突出;从顶部到底部温度呈升高趋势，平均速度呈下降趋势.两个包间在y∈(1，2)区间内温度波动剧烈，y∈(1.7，2)区间内速度波动剧烈.从顶部到底部温度呈升高趋势，平均速度呈下降趋势.一、二位端走廊以及客室走廊中线的速度、温度分布值以及曲线走势.第7、8、10曲线的温度在y∈(0，2)区间整体平缓，第9条曲线的温度为先降后增;平均速度方面，第7、8、9曲线的平均速度在y∈(0，2)区间变化幅度较大且规律各不一样，第10条曲线的平均速度大小变化微小.
表1 车厢内不同位置中心线处各点参数分布(夏季)
整个车厢的最高温度值与最低温度值分别为20.4℃，17.9℃，差值为 2.5℃.
由图3可以看出，包间内上铺的最高平均速度为1号普通包间左边上铺x=2.7 m处的一点，平均速度的值为0.38 m/s;温度最大值为1号普通包间左、右边上铺x=1.3 m处的两点，其温度值均为19.45℃.
图3 普通、高级包间内上铺各点的参数值(夏季)
由图4可以看出，包间内下铺的最高风速为1号高级包间右边下铺x=1.3 m处的一点，平均速度的值为0.095 m/s;温度最大值为1号普通包间右边下铺x=2.0 m处的一点，其温度值都为20.005℃.
图4 普通、高级包间内下铺各点的参数值(夏季)
2.2 冬季运行下的计算结果与分析
冬季运行工况下，卧铺车厢各个截面的温度场和速度场分析结果如图5、图6、表2所示.
四个包间在y∈(1.7，2)区间内温度、平均速度波动剧烈;从顶部到底部温度呈下降趋势，平均速度呈下降趋势;两个包间在y∈(1.6，2)区间内温度波动剧烈，y∈(1.7，2)区间内速度波动剧烈;一、二位端走廊以及客室走廊中线的温度、平均速度分布值以及曲线走势.四条曲线在y∈(0，2)区间内温度值变化微小，第8、第10曲线上的平均速度值变化微小，第7、第9曲线上的平均速度变化幅度小.从顶部到底部温度基本没变.
整个车厢的最高温度值与最低温度值分别为22.6、19.9℃，差值为2.7℃.
表2 车厢内不同位置中心线处各点参数分布(冬季)
由图5可以看出，包间内下铺的最高风速为1号普通包间右边下铺x=1.3 m处的一点，平均速度的值为0.028 m/s;温度最大值为1号普通包间左边下铺x=2.0 m处的一点，其温度值均为20.25℃.
图5 普通、高级包间内下铺各点的参数值(冬季)
由图6可以看出，包间内上铺的最高风速为1号高级包间右边上铺x=2.0 m处的一点，平均速度的值为0.017 m/s;温度最大值为1号高级包间右边上铺x=2.7 m处的一点，其温度值均为20.2℃.
图6 普通、高级包间内上铺各点的参数值(冬季)
2.3 改进方案
从模拟结果可知，夏季、冬季运行时空调系统普遍存在一个问题:一位端处废排风量小，空气流动性较差.改进方案为，修改二位端的废排量为零，500 m3/h的全部废排量从一位端的5个废排口排出，其中一位端机柜附近的废排风量为220 m3/h，其余四个废排风量均为70 m3/h.夏季、冬季各送风口风量优化值如下:
夏季送风工况:在送风温度不变，总风量4 000 m3/h，总废排风量500 m3/h一定的前提下，客室顶板送风量为2600 m3/h(即总风量的65%，比先前减少了200 m3/h);走廊侧各个车窗的总送风量为480 m3/h，走廊侧各个车壁下端的总送风量为320 m3/h;一位端车窗以及一位端车壁下端的送风量为200 m3/h;包间内各个车窗的总送风量为240 m3/h，包间内各个车壁下端的总送风量为160 m3/h.计算结果如表3所示.
表3 车厢内不同位置中心线处各点优化后参数分布(夏季)
冬季送风工况:在送风温度不变，总风量4 000 m3/h，总废排风量500 m3/h一定的前提下，客室顶板送风量为1 600 m3/h(即总风量的40%，比先前增加了400 m3/h);走廊侧各个车窗的总送风量为360 m3/h，走廊侧各个车壁下端的总送风量为740 m3/h;一位端车窗以及一位端车壁下端的送风量为200 m3/h;包间内各个车窗的总送风量为360 m3/h，包间内各个车壁下端的总送风量为740 m3/h.计算结果如表4所示.
表4 车厢内不同位置中心线处各点优化后参数分布(冬季)
3 结论
对高速铁路空调客车的送风以及车内温度场、气流场进行数值仿真研究，以期寻找一种既满足乘客车内流场舒适度要求又有良好空气质量的送风方式.通过对客室内温度场和速度场的数值模拟得出以下结论:
(1)客室内空调原风量的分配方案温度场和气流场仿真计算结果不能满足标准要求;
(2)通过调整整车空调系统送风量进行，使得客室内的温度场和气流场满足了乘客舒适度标准的要求.客室内的温度差小于3℃，气流场速度在0.2～0.6 m/s之间.
［1］靳谊勇，郁永章.铁路空调客车车内气流组织的数值模拟［J］.制冷学报，2002，33(2):30-34.
［2］吴俊云，刘训海，刘颖.客车空调环境舒适性能数值与试验研究［J］.汽车工程，2005(5):587-591.
［3］张登春，于梅春，王海桥.空调列车室内流场的数值模拟［J］.湘潭矿业学院学报，2002，17(1):69-72.
［4］王芳，臧建彬，于佳等.高速列车客室内部流场计算流体动力学数值模拟［J］.制冷空调与电力机械，2011，137(32):45-48.
［5］HAN T.Three dimensional navier-stokes simulation for passenger compartment cooling［J］.International Journal of Vehide Design，1989(2):175-179.
［6］Zienkiewics O C(英)，Taylor R L(美).有限元方法流体动力学［M］.5版，北京:清华大学出版社，2005.
