轨道车辆废排风帽排风特性的数值模拟研究

耿亚彬， 于　淼， 李喜辉， 王永朋

(中车唐山机车车辆有限公司　产品研发中心， 河北唐山 063035)



轨道车辆废排风帽排风特性的数值模拟研究

耿亚彬， 于淼， 李喜辉， 王永朋

(中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心， 河北唐山 063035)

废排风帽是轨道车辆环境控制系统的重要组成部分，其排风特性的优劣直接影响客车室内废气的排出量，对调节室内外压差起关键作用，采用计算流体力学软件FLUENT对轨道车辆废排风帽的流动特性进行数值模拟分析，研究结果表明：出风口最小截面距离的增大会减小废排风帽的流动阻力，出风口格栅的形状和布置形式影响风帽内风的流动轨迹和流动特性。为轨道车辆的废排风帽的优化设计提供参考依据。

轨道车辆； 废排风帽； 数值模拟； 流动阻力

废排风帽是列车车辆环境控制系统的重要组成部分,废排风帽的排风特性会直接影响到排风系统的流动特性和排风能力，由于轨道车辆的载客量较大，室内要求全面送风时所需新风量较大，排风量小于或等于新风量，一般为新风量的90%～95%时，客室压力才能保持平衡，维持客室内一定的正压[1]。如果排风风帽结构设计不合理，会导致排风机选型难度增加，造成列车整个排风系统排风能力不足，容易造成列车车辆客室内压力过大，从而导致车内外压差过大,车门关闭困难等情况发生,影响车辆的正常运行，目前国内对轨道车辆的排风帽研究较少，本文采用CFD技术通过数值模拟的方法对列车车辆废排风帽的流动特性进行研究，为列车废排风帽设计提供参考。

1　风帽阻力

空气在风帽内流动时，由于黏性及流体的相对运动，因而产生了内摩擦力。空气在风道内流动过程中，就要克服这种阻力而消耗能量，此外，由于流动惯性，特别是在风道边壁扰动的局部地区形成涡流，产生局部阻力，也要消耗能量。

由于排风风帽的进出口距离很短，不易找到较稳定的测定断面。在不影响测量精度的条件下，根据GB/T 16758-1997排风罩的分类及技术条件对排风罩阻力和阻力系数的测定的规定，排风风帽的阻力可用式(2.1)计算[2]：

(1)

式中ΔPq为排风风帽进口截面与出口截面的平均全压差，Pa。Pm为排风风帽风筒处的沿程阻力，Pa。

(2)

式中v为常温下风帽的流速，m/s；ρ为空气密度，kg/m3；ξ为风帽阻力系数。风帽的阻力系数主要取决于风帽的结构，由于风帽本身结构比较复杂，出口较多，形状各异，理论上计算比较困难，目前,阻力系数一般由试验的方法来确定。

2　数值模拟分析

2.1模型建立和网格划分

首先根据CAD图纸，在建模软件ProE中建立模型，利用Hypermesh软件划分四面体网格，网格总数为48×106,如图2所示，为废排风帽网格划分的结果。采用有限容积法和交错网格对质量和动量守恒微分方程组这些控制方程在微小单元上数值离散。压力项与速度项耦合利用SIMPLE算法。对流项采用二阶迎风差分格式，扩散项的离散具有二阶精度。为了使计算结果更加准确,将废排风帽进口风道加长。

图1　废排风帽结构图

图2　废排风帽网格划分

2.2边界条件设置

为了简化问题，认为废排风帽内的空气流动是完全的三维、黏性、不可压、湍流流动；气流为低速流动，可忽略由流体粘性力做功所引起的耗散热；认为风帽气密性良好，不考虑风帽漏风的影响，固体壁面采用无速度滑移边界条件，进口条件采用速度进口边界条件，根据风帽的排风量计算出风帽的速度入口，假定其进口速度分布均匀，风帽出口条件设为压力出口边界条件。

2.3废排风帽数值模拟结果与分析

影响局部阻力系数的主要因素包括:风帽的内部结构形状,壁面粗糙度及雷诺数。由于风帽的内部结构阻碍形状的强烈扰动作用，流动在较小的雷诺数时就已充分湍流，所以风帽排风系统的空气流动大都处于非层流区,相对而言，壁面粗糙度和雷诺数对局部阻力系数的影响较小，故可认为阻力系数仅仅与排风帽形状有关。

由于排风风帽的进出口距离很短，根据公式计算得到排风风帽进口至风筒末端的沿程阻力很小，相对于排风风帽的阻力来说是非常小，在计算中予以忽略。由于改变进口速度的情况下,压力分布和速度分布趋势大概是一致的,所以以300 m3/h作为代表,展示各个截面的压力场和速度场。

以下结果为列车静止时,排风帽的压力分布和速度分布,分别分5种工况,排风量分别为300, 350, 400,450,500 m3/h等工况下对废排风帽进行了数值模拟。

图3　废排风帽压力分布图

图4　废排风帽内风的速度分布图

由图3可知，废排风帽压力分布，在设置出口压力为0 Pa的情况下，进风口速度为0.66 m/s时，风帽内静压差为3.07 Pa，风帽内阻力为1.48 Pa。由图4可知，最大速度分布在出风口第一个格栅上方，由于格栅与上盖板之间间距较小，风帽的基本构造使得风主要从上方格栅与上盖板之间流出，使得此处压力剧增。造成排风帽排风阻力加剧。由模拟结果可知，当空气流经排风帽时,由于流动大小和流动方向的改变,引起了流速的重新分布并产生涡流，从而产生局部阻力。

2.4优化后的风帽的模拟分析

由于受到轨道车辆高度的限制，排风风帽的高度等也受到了限制，如不能采用伞型风帽，圆锥型风帽，随风转向型风帽等。采取提高风帽的排风性能，降低风帽的排风阻力和阻力系数的改进措施也受到限制。因此，对排风风帽的改进设计主要就风帽排风口面积，风帽格栅的形状等方面来进行。

图5　废排风帽三维图

图6　改进后废排风帽内风三维图

为了研究出风口最小截面距离的增加对减小风帽流动阻力的作用，对原废排风帽的形状进行改动，如图6所示，废排风帽总高为112 mm，截面位置处出口间距由26.3 mm改为30.0 mm，将废排风帽出口上方的格栅旋转180°，将改进前后的的废排风帽内阻力和阻力系数进行了数值模拟对比分析。对改进后的废排风帽进行数值模拟，具体数值模拟分布如图7、图8所示。

由图7可知,废排风帽进口压力,排风风帽进口截面的平均全压为2.51 Pa，排风风帽出口截面的平均全压1.54 Pa，改进后废排风帽阻力为0.97 Pa。由图7和图8可知，由于盖板与进口距离的增大，出口风速分布较为均匀，上方格栅与上盖板之间的流动阻力减小，使得风帽的排风阻力有所降低。

图7　改进后废排风帽压力分布图

图8　改进后废排风帽内风的速度分布图

根据公式计算可知，排风帽的进口管段的沿程阻力很小，相对于排风帽的阻力，可以忽略不计。改进前后排风帽结构在不同排风量的工况下，进口截面的静压值、进口截面全压值、出口截面全压值、排风帽阻力以及阻力系数，具体压力分布如表1和表2所示。

表1　不同工况下废排风帽内压力分布

表2　不同工况下改进后废排风帽内压力分布

由表1和表2的数值仿真结果可以得到排风帽阻力和排风量以及阻力系数之间的关系，图9为改进前后废排风帽内废排风量和阻力分布关系，图10为改进前后废排风帽内废排风量和阻力系数分布关系。

由图9可以看出，增大出风口最小截面距离，废排风帽的流动阻力减小，随着废排风帽排风量的增加，流动阻力值随着增大。由图10可知，增大出风口最小截面距离，废排风帽的流动阻力系数降低，流动阻力系数废排风帽排风量的增加而降低，改进前降低幅度较大，改进后废排风帽阻力系数降低幅度较小，趋于平缓。

图9　改进前后废排风帽内阻力分布

图10　改进前后废排风帽内阻力系数分布

3　结　论

通过对轨道车辆上的废排风帽的流动特性进行数值模拟研究，对排风风帽的改进设计研究到如下结论：

(1) 随着排风风帽进口速度的增大，废排风帽内的阻力也逐渐增加。

(2) 风帽排风量一定时，改变风帽侧面最小出口截面时，截面位置处出口间距增大，再将废排风帽的格栅旋转180°，改进后的废排风帽阻力有所降低。

(3) 改进前后废排风帽内压力分布趋势是一样的，改进后4个工况下，废排风帽内的压力都有所降低,随着进口速度增大，废排风帽内的阻力降低值也随着增大。

[1]项文路.现代城市轨道车辆空调系统的特点及发展方向[J].铁道机车车辆,2007,V01.27(10):90-96.

[2]宋波.干熄炉风帽供风压力损失的数值研究[J].热科学与技术.2009(3):266-271.

[3]王芳,臧建彬.运行速度对地铁车辆排风风帽排风特性影响的研究[C].中国制冷学会2009年学术年会论文集，2009.

[4]薛殿华.空气调节[M].北京:清华大学出版社,1991.

[5]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社, 2004.

[6]Nurtan A Esmen, Dietrich A Weyel, Fred P McGUIGAN. Aerodynamic Properties of Exhaust Hoods, American Industrial Hygience [J] . Association Journal, 1986,Vol.47(8):448-454.

Numerical Simulation of the Exhaust Characteristics of Exhaust Hood on Rail Vehicle

GENGYabin,YUMiao,LIXihui,WANGYongpeng

(R&D Center Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd., Tangshan 063035 Hebei, China)

Waste exhaust hood of the rail vehicle is an important part of the environmental control system, and its characteristics directly affect on the discharge of exhaust air. It played important role to adjust pressure difference inside and outside the room. In this paper, the flow characteristics of the waste exhaust hood on rail vehicles were studied by numerical simulation with computational fluid dynamics software-Fluent, the results showed that: if the minimum cross section of the outlet decreases, the flow resistance of the waste exhaust hood will increase, the shape and arrangement of the outlet grille influence hood inside the hood trajectory and flow characteristics. It will provide a reference for the optimal design exhaust hood on rail vehicles.

rail vehicles; waste exhaust hood; numerical simulation; flow resistance

1008-7842 (2016) 03-0084-04

��)男，工程师(

2015-11-25)

U270.38+3

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.18