基于Flowmaster软件的高速列车通风系统仿真研究

杜雅娟（北京汽车动力总成有限公司，北京101106）



基于Flowmaster软件的高速列车通风系统仿真研究

杜雅娟
（北京汽车动力总成有限公司，北京101106）

摘要：根据CRH1型高速列车通风系统设计参数，基于一维仿真软件Flowmaster建立了高速列车通风系统分析模型。对此系统进行一维建模并做动态压力波动分析，探讨了高速列车通风系统优化方案；解决了车外瞬态压力波动对车内人员的舒适性影响的问题；为今后对特定列车通风系统的研究奠定一定的基础。

关键词：高速列车；通风系统；压力波；仿真；Flowmaster

0　引言

近年来，我国高铁技术发展迅速，列车运行速度不断提高，高速列车的运行时速普遍达到200km/h以上。这就导致我国高速列车列车运行的动态环境发生了质的变化，由以机械作用为主改变为以气动作用为主[1]。因此，空气动力学（特别是列车交会或者是过隧道时的空气压力波）问题变得越来越突出，此问题对列车的安全运行及旅客的乘坐舒适感产生不利影响。高速运行的列车在会车时，其车体表面将会产生较大的压力波动，压力波传到车厢内引起室内压力的变化，旅客会感到不适，严重时还会对身体造成伤害。因此应针对高速客车的实际运行特性进行分析，才能更好地提出改善措施，以满足旅客对客车车内空气品质及舒适度的要求。

高速动车组的通风系统除了可以给乘客提供新鲜空气，其另一项功能就是保证车厢内具有适当的气压，即当车外气压发生明显变化时，通风系统会将车厢内的气压维持在一个让人们感到舒适的水平。因此可以从通风系统入手，来研究列车在进隧道或者是会车时的压力波动对车厢内气压的影响情况，从而能更加深入的了解压力波动是如何通过车外影响到车内的。

由于高速列车在中国的运行处于初级阶段，很多方面的研究都有待完善。而目前高速列车空气动力学研究手段主要有计算机仿真模拟、比例模型风洞试验和实车线路测试等方法，对于列车通风系统的压力波动至今还没有较为深入的研究，对通风系统的研究也仅限于对风道内流场的变化、风道的优化、风口形式设计等方面。目前我国的铁路客运条件与当前形势发展的要求还有很大差距，列车空调技术装备及其数量与世界发达国家相比差距很大，我国列车空调装置还存在许多不足的地方，需要不断的改进、创新[2]。

与此同时，针对国内外并没有公布高速列车空调通风系统详实的设计参数，国内引进的高速动车组由于与国外残在诸如长距离、大运量等不同的线路特征，国内学者对特定列车进行优化研究时，往往会因此受到牵绊，不能得出更为有效的改良方案。因此开发一套普遍适用于高速列车通风系统的简化工具就显得尤为重要。

Flowmaster是全球领先的一维流体管网系统解算工具，拥有丰富的元件库，可以进行瞬态分析并得到系统实时动态结果、实现对系统的动态分析。在暖通空调方面的仿真研究方面体现出了其优越性[3]。因此本文选用Flowmaster软件对系统进行仿真，分析瞬态的压力波在通风系统的波动规律，讨论通风系统各部件的参数对于风道以及车厢内压力变化的影响。

1　通风系统参数选择

铁路客车通风系统参考CRH1动车组通风系统设计标准[4，5]选择设计参数。采用分体式空调系统，空气处理装置ZKJ6-LX。空气处理单元设在车顶中部，供风由两边的矩形主风道，经消音器和散流器流入客室。

该型高速列车通风系统轴测图如图1所示，已知每个风口的风量，新风量：1600m3/h，回风量：4600m3/h，送风量2×3100m3/h，空气处理装置ZKJ6-LX。阻力340Pa（中效过滤器80Pa、蒸发器130Pa、喷水室25Pa、加热器70Pa、空气进出口及箱体内的附加阻力35Pa），要求车厢内正压10Pa，风管材料为镀锌钢板（厚度K=0. 15mm）。散流器送风。入口新风机选用11-74型低噪音离心式通风机[6]。

对应图1某高速列车通风系统轴侧图对系统风道进行水力计算，计算结果见表1。

表1　高速列车通风系统风道水力计算结果

2　模型建立及计算

2.1建模思想

根据高速列车通风系统设计结果，基于仿真软件Flowmaster建立一维仿真模型，如图2所示。模型包括新风口与新风道、回风道、空调机组、送风口与送风道组成。其中分别在气流出口和进口处设置压力源和流量源。根据水力计算结果，获得了建模所需要的几何参数和技术参数。

由于结构的复杂性，完全按照其真实实体建立计算模型不但非常困难，同时也是不必要的，因此，在建模时应该抓住主要特征。在此前提下，为避免由于对元气件参数设置不合理而对计算结果的巨大差异，对实体结构进行等效的简化处理。几点说明如下：

1）为了使系统建模过程中不受管道布置变化的影响，以及简化系统的建模过程，这里对系统管路中出现的弯头都省略不计；

2）由于废排单元与系统不是串联关系，因此本阶段不考虑排风单元；

3）只分析管网的阻力平衡和流量平衡，不分析系统的换热效果，所有支风道均用压力损失元件模拟，并且其出口处设压力源和流量源；

4）管网中各分支的模拟可以只建立其所在的分支部分，其分支的起始端压力源和流量源的设定值以干管所对应节点处的模拟结果为准；

5）针对列车通风系统特有的压力保护装置，文章采用Flowmaster元件库里的可控制阀件代替。

简化后的模型，既满足设计要求，又方便参数设置，同时能够减少计算时间。

2.2模型参数设定

由于不考虑换热，把空调系统去掉，简化成简单的元气件进行替代，尽量简化成阻力元件；根据局部阻力计算公式：

式中 Z—管段总局部阻力损失，Pa；

ξ—局部阻力系数；

ξ′—计算用局部阻力系数；

ρ—密度，kg/m3；

ν—运动粘度，m2/s。

设管段总阻力为局部阻力Z，则计算用局部阻力系数：

针对图2所设计的管段，进行简化计算，简化结果见表2。

表2　各管段简化结果

2.3模型验证计算

为验证模型的准确与否，采用设计工况来设定边界条件，新风入口压力为一个大气压，回风口、送风口压力为列车车厢内压力。如图3所示。

仿真计算得出各管段、各局部构件的压力损失情况。如图4所示为十个送风口风速，明显的，支管不平衡率小于0.09%，结果满足设计要求。

根据仿真计算结果，得主风道平均压损：7.5Pa，空气调节设备平均压损：70Pa，通风机全压：438Pa。与设计时选取的参数一致。

由上可知，经验证，简化后的模型是合理的。

3　瞬态压力波动仿真研究

3.1边界条件设定

高速行驶的列车其车体外较大的压力波动会通过通风系统传递到车厢内部，造成压力波动和气流速度的改变，给乘客造成不舒适的刺耳感觉。当高速列车进入隧道时，在车头和车尾处要产生压缩波和膨胀波，从而引起车内的压力波动，给乘客的听觉造成不适。本文的边界条件采用以时速300km/h列车通过不带缓冲结构的隧道的过程列车周围流场的压力特性[7]，如图5所示。以此来研究列车瞬态压力波的传播机理以及抑制压力波的措施。

3.2结果分析

（1）压力保护装置未开启

如图6、图7所示，在未引入压力保护情况下，隧道压力波经通风系统传入车厢内，送风口的风速以及压力都引起了较大的变化。我国铁道部规定，高速动车组的车内气压压力变化最大值不能超过1000Pa，压力变化率不应超过200Pa/s。根据仿真结果，在列车以300km的时速通过隧道时，若果不采用压力保护装置，列车车内将在一定程度上偏离运行舒适度标准。

（2）有压力保护

依据CRH1型车的压力保护装置方案。在列车进隧道时，启动列车“隧道模式”，将新风口和废排单元关闭，只进行回风。关闭阀门，将阀门开度设置为“0”，这种设置理论上将会在最大程度上抑制压力波动，会使车厢内维持在恒定的气压下。经仿真计算，得到阀门压力损失曲线以及送风口出的流苏和压力情况，如图8、图9、图10所示。仿真结果与理论推理相符。

3.3抑制压力波方法探讨

由上可以看出压力保护装置对于高速列车的必要性。目前，各国解决压力波动的方式和效果不尽相同。归纳起来，原则上一方面高速列车必须采取良好的空气压力密封，列车通风系统进排气口应避开低压或者涡流区布置，另一方面需要加装可控的间歇或者连续作用式进排气控制装置。

（1）截止阀

日本新干线采用的压力缓和装置实质上是由截止阀组成。其工作原理是在进入隧道前用截止阀关闭进、排气口。操作虽然简单，但是这样就会导致在隧道较多的线路上车内换气量不足，这又会影响乘客乘坐的舒适度。为解决这一问题，日本人开发了一种高压风机，这种风机受外界影响比较小，在投入使用后实现了连续换气。

（2）增加控制系统，使进风口阀门开度可以随压力波的改变而改变

随着近些年高铁的提速，原有的压力保护系统已经不能满足运行需要。近期日本新研制了风量控制式换气系统，通过调节阀门的开度，抑制较大的压力波动传入车内，使车内压力变化更小。我国高铁技术亦可参考此方法，研发出新型连续换气装置，能够实时调节通风系统的进、排气单元的阀门开度，使车厢内压力波动维持在舒适水平范围内。

（3）风机转速控制

作者认为，可以通过改变进风口高压风机的转速来控制压力波动通过通风系统传入车厢内部。同样可以实现在不影响换气的同时一直车内压力波动。

4　结语

本文论证了一种新的研究高速列车空气动力学问题的方法。由于国内外没有公布详实的通风系统设计参数，笔者根据传统方法设计了能够满足CRH1动车组设计标准的通风系统，确定了仿真所需要的几何参数和技术参数，基于一维仿真软件Flowmaster建立了通用的高速列车通风系统分析模型，仿真计算结果与设计结果对比验证了仿真模型的合理性和准确度。最后，对通风系统瞬态压力波动进行仿真研究，得到风道内的压力波动规律以及车外压力波对车内气流组织的影响程度。验证了现用的动车组压力保护装置的必要性，并对几种抑制压力波传入车厢的方法进行了分析探讨。

本次研究对为今后对特定列车通风系统的研究奠定一定的基础；解决了车外瞬态压力波动对车内人员的舒适性影响的问题，并提出了高速列车通风系统优化方案。对提高客车空调装置的性能具有重要意义，并且进一步促进了我国客车空调通风装置的多元化发展。针对当下铁路客车向高速化舒适化的发展要求，对于通风系统的研究将是一个长远的研究。

参考文献：

[1]沈志.高速列车的动态环境及其技术的根本特点[J].铁道学报，2006，28（4）：1～5．

[2]饶中浩，张国庆，杨銮.新型铁路空调客车空调装置的设计[J].洁净与空调技术，2009，（2）：64～66．

[3]张光鹏，许诺，张武平.FLOWMASTER在暖通空调中的应用[J].制冷与空调，2006，（3）：34～36．

[4]刘志明，史红梅.动车组装备[M].1版.北京：中国铁道出版社，2007.

[5]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].1版.北京：中国建筑工业出版社，1993.

[6]王绍文，杨景玲.环保设备材料手册[M].2版.北京：冶金工业出版社.2000.

[7]董亚男.高速列车在侧风环境中会车的空气动力特性模拟研究[D] .北京：北京交通大学，2008.

修回日期：2016-01-29

Simulation of High-speed Train Ventilation System

DU Ya-juan
（Beijing Automotive Powertrain Co.，Ltd，Beijing 101106，China）

Abstract：in this paper，a high-speed train ventilation system analysis model is builded according to the design parameters of ventilation system for CRH1. This system model is used to analyze dynamic pressure fluctuation in the ventilation system. this paper lists several optimization schemes of ventilation system，moreover，brings a new project to control transient pressure fluctuation which can solve the influencing riding comfortability problem，at last，this study lays a foundation of the ventilation system for specific train.

Key words：high-speed train；ventilation system；pressure waves；simulation

收稿日期：2016-01-11

作者简介：杜雅娟（1988-），女，河北人，硕士研究生，工程师，主要从事暖通空调等机械设备的运行测试研究。

中图分类号：U270.38+3

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）01-0063-06

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.015