CRH380B动车组司机室风道及室内流场数值分析

王东屏，高壮,李明,刘楠

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028； 2.唐山轨道客车有限责任公司 产品技术研发中心，河北 唐山 063035)



CRH380B动车组司机室风道及室内流场数值分析

王东屏1，高壮1,李明2,刘楠2

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028； 2.唐山轨道客车有限责任公司 产品技术研发中心，河北 唐山 063035)

针对CRH380B司机室风道结构复杂的特点,以其司机室为研究对象,建立了其空调送风风道和司机室的三维计算模型.利用计算流体力学数值仿真方法,采用κ-ε标准湍流计算模型和SIMPLE算法,对司机室的空调风道和内流场进行了数值模拟计算,获得了流场内流动参数的详细信息,并结合国际铁路联盟规程UIC 553-2004,对司机室的温度场和速度场进行评估．研究结果表明该头车空调通风系统设计合理,满足人体舒适性要求．

CRH380B;司机室;CFD数值仿真;速度场;温度场

0 引言

目前，动车组是我国中长途客运的主要交通工具，随着我国动车组技术的逐步发展，人们对车厢内的舒适性要求也越来越高，车厢内的舒适性已经成为衡量动车组空调通风系统性能的重要指标之一[1].车厢内环境的好坏直接影响到乘客的身心健康，司机室内工作环境对司机保障列车安全运行具有极其重要的意义.

车厢内热舒适性和气流速度问题已成为国内外研究者关注的焦点和研究的热点.室内空气的速度场、温度场是研究空调列车室内气流组织及空调列车室内舒适环境评价的基础，其内部空气质量直接影响到车内的空气品质和人体热舒适性.张登春等对25K型空调硬卧车内气流组织进行了数值模拟[2]；王东屏等运用了CFD对高速动车组的空调系统进行了数值模拟，并对空调系统引入UIC标准做出了评价[3]；顿小红等对我国现有的4种高速动车组空调系统的性能进行了细致的比较与分析[4]；刘杰等用流场指标和热舒适性指标对客室内的热舒适性进行了评价[5]；王东屏对250 km/h动车组头车司机室和客室的空调风道和内流场进行了数值计算，并引入UIC标准对其进行了评估[6].多年来经过流体研究者的不懈努力，国内对于动车组空调系统的研究也在逐步深入，但由于动车组司机室的流线型外壳较为复杂，对于其风道及室内流场的研究较少，故相关文献也较少.

本文对CRH380B司机室及其风道进行了详细的研究分析，综合考虑了太阳辐射、车体壁面传热、车窗传热和人体、电器柜、操作台等电子元件的散热等多种传热等条件，研究了司机室内气流分布特征，并在此基础上对司机室内的人体热舒适性进行了分析，以满足司机的舒适感要求.本文结合国际铁路联盟规程UIC 553-2004对其内流场计算结果进行评估，为工厂提出最终设计方案提供了可靠的参考依据.

1 司机室内流场数值计算模型

1.1 司机室风道计算模型

计算模型为唐山客车厂CRH380B司机室，司机室内有两个电气柜和一个操作台，司机1人.

司机室风道将冷风分别输送到司机室挡风玻璃缝隙、操作台底部、电气柜侧部风口和侧窗.司机室内有3类进风道：进风道1位于司机室挡风玻璃的上部，前挡风玻璃的缝隙分为上下两部分，上部分缝隙连接进风道1，下部分缝隙连接进风道2；进风道2位于车体两壁侧窗上部，与两个侧窗相连；进风道3位于车体两侧壁面和底部交界面附近，其出风口位于司机脚前约0.63 m处和电气柜侧部.具体送风过程为：①冷风从进口1进到进风道1，然后从进风道1通过挡风玻璃上部的缝隙进入到车体内；② 冷风从进口2 进到送风道2，大部分冷风从进风道2下侧的2个侧窗进入到车体，小部分冷风从进风道2通过挡风玻璃下部的缝隙进入到车体内；③冷风从进口3进到送风道3，然后冷风从进风道3位于司机脚前约0.63 m处的出风口和电气柜壁附近的出风口进入到车体内.送风道的几何模型，如图1所示.车头简化图如图2所示.

图1 司机室进风道

图2 车头简化图

图3 网格图

1.2 网格划分

网格由Hypermesh软件生成，采用四面体网格以适应司机室风道的复杂结构.网格总数约743万，其中有7个网格vol skew 值大于0.93 ，其中最大值为0.95，网格质量良好，如图3所示.

1.3 工况计算

司机室的计算工况如下：车厢外温度为40℃，冷风入口温度为20℃，司机室送风量为1 064 m3/h，司机室回风量为904.4 m3/h，司机室废排风量为159.6 m3/h，司机人数为1位.司机室产热元件功率如表1所示.

表1 司机室产热元件功率

太阳辐射主要由直射辐射、散射辐射和地面反射辐射三部分组成.因此,列车壁面受到的太阳总辐射强度J为:[7]

(1)

式中,J为列车壁面受到的太阳总辐射强度,W/m2;IZ为太阳直射辐射强度，W/m2;IS为散射辐射强度,W/m2;IR为地面反射辐射强度,W/m2.

太阳赤纬角δ，是指地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角，其中为n日期序号.

(2)

式中,n=193,求得δ=22.0°.

太阳时角ω，日面中心的时角，即从观测点天球子午圈沿天赤道量至太阳所在时圈的角距离.

(3)

式中,取ST=14，求得w=30°.

纬度角φ，兰州到新疆的纬度跨度为36°～44°，这里取φ=40°.

计算太阳辐射时，地球表面的太阳辐射强度主要由太阳光线与照射地点的夹角决定，即太阳高度角，用β表示.计算太阳高度角β：

(4)

求得sinβ=0.904，则β=64°，为计算方便取60°.

辐射强度的计算公式如下:

(5)

式中，I0为太阳常数，取值为1 367 W/m2;P为大气透明度，通常用来衡量大气透明程度的标志，其值越接近于1，大气越清澈，一般取值0.65～0.75之间；m=1/sinβ，β为太阳高度角β=60°.

为了便于研究夏季太阳热辐射对车辆隔热壁的热作用，可以把外表面所吸收的那部分太阳热辐射能采用温度的形式来描述.将其迭加到室外温度上，得到太阳照射表面的综合温度.公式如下[8]:

(6)

式中ρJ/αH的单位为温度单位(℃)，用这一值来等效太阳辐射热作用的温度值，即太阳辐射的当量温度.

车体内壁面K值(W/(m2·k))、总辐射量(W/m2)和温度值(℃)汇总列于表2.

表2 车体内壁温度统计表

2 司机室计算结果及分析

2.1 风道和司机室内的空气粒子分布

风道和司机室内的空气粒子分布图(迹线图)，如图4所示.

图4 风道的空气粒子分布图(迹线图)

由图4可知，送风风道的进风口分别将冷风从3类风道送进司机室，第一类是经过挡风玻璃的缝隙送进，分上下两部分；第二类通过进风道送到司机脚前0.63m处和电气柜周围；第三类通过四个侧窗送进.回风口位于进风口1的下部，废气从位于操作台底部的两个废排风道和电气柜后部的两个废排风道排出.

2.2 温度场分析

车体对称面(Z=0 m)的温度分布，如图5所示.

图5 司机室对称面温度分布

由图5可知，司机室内温度分布较为均匀，主要区域温度为26.3～26.9℃，司机室前部为25.7℃，上部为26.9℃，后部为26.3℃，操作台是产热元件，附近区域温度较高，前挡风玻璃区域受到外界温度的影响温度也较高，为28.3℃，靠近冷风道的区域由于有冷风吹进，温度较低，为25.7℃.

司机胸部位置截面(Y=2.1 m)的温度分布，如图6所示.

图6 司机胸部位置截面温度分布

由图6可知，司机胸部位置截面主要区域温度为26.3～26.9℃，分布在人体周围，前部温度较高，为28.1℃.

司机体表测点(头、左肩、右肩、左膝、右膝、左脚、右脚)处的温度(距离被测表面30 mm)分别是26.2、26.0、26.3、26.1、26.2、25.8、26.1℃.

由图5、6可知，司机室主要区域温度为26.3～26.9℃，靠近冷风道的区域由于有冷风吹进，温度较低，约为25.7℃，靠近产热元件和人体周围温度较高，司机室中部区域温度较为均匀，为26.3℃，司机周围温度为26.3～26.9℃.

2.3 速度场分析

车体对称面(Z=0 m)的速度分布，如图7所示.

图7 司机室对称面的速度分布

由图7可知，人体胸部、头部速度为0.47 m/s，脚部速度为0.32 m/s，腰部速度为0.43 m/s，司机室速度为0.2～0.5 m/s，速度大小从上至下逐渐减小，顶部速度较高，为0.5 m/s，司机腿部周围为0.25 m/s，膝部区域风速0.35 m/s，肩部区域风速0.36 m/s.

司机胸部位置截面(Y=2.1 m)的速度分布，如图8所示.

图8 司机胸部位置截面的速度分布

由图8可知，司机胸部周围速度分别为：前部0.5 m/s，左臂0.42 m/s，右臂0.3 m/s，后部0.35 m/s.

司机头、左肩、右肩、左膝、右膝位置风速(距离被测表面100 mm)分别是0.47、0.42、0.3、0.33、0.38 m/s.

由图7、8可知，司机室速度为0.2～0.5 m/s，速度大小从上至下逐渐减小，顶部速度较高，为0.5 m/s，司机腿部周围为0.25 m/s，司机头部风速0.47 m/s，膝部区域风速0.35 m/s，肩部区域风速0.36 m/s.

3 结论

通过对动车组司机室风道及室内流场计算，分析其风道和室内温度场和速度场，得出如下结论:

(1)司机室内温度分布从上到下，温度由26.9 ℃降至25.7℃，主要区域温度为26.3～26.9℃，司机从头部区域到脚部区域，温度由26.3℃过渡到25.8℃，室内温度分布均匀；

(2)司机室内风速为：司机头部风速为0.47 m/s，司机室中上部区域风速为0.45 m/s，司机肩部区域风速0.36 m/s，腰部风速为0.43 m/s，腿部周围为0.25 m/s，膝部区域风速0.35 m/s，脚部风速为0.32 m/s，司机室内速度分布合理；

(3)头车司机室采用立体送风方式，冷风从司机室前挡风玻璃顶部缝隙、侧窗和司机脚部附近进入，风道设计合理，司机室的温度场、速度场符合UIC 553-2004标准，满足实际工作的需要.

[1]BERLITZ T，MATSCHKE G．Interior air flow simulation in railway rolling stock[J]．Journal of Rail and Rapid Transit，2002，216(4):231- 236．

[2]张登春．空调硬卧车内气流组织的数值模拟研究[J]．中国工程科学，2004，6(9):66- 72．

[3]兆文忠，曹亚楠，王东屏．高速动车组空调系统数值仿真及引入UIC标准的评价[J]．大连交通大学学报，2011，32(1):7- 10．

[4]顿小红．我国4种型式铁路高速动车组空调系统的比较研究[J]．装备制造技术，2010，(9):31- 33．

[5]刘杰，李人宪，陈琳．高速列车空调系统及车内流场分析[J]．西南交通大学学报，2012，47(1):127- 132．

[6]王东屏，刘一达，黄少东，等.250 km/h动车组头车司机室及客室内流场数值分析[J]．大连交通大学学报，2013，34(6):1- 4．

[7]杨娟.空调轿车车室内气流组织的数值模拟[J].青岛：青岛大学，2006.

[8]王东屏，李鹏，陈伟，等.高速动车组客室内热环境数值分析[J]．大连交通大学学报，2014，35(3):1- 2．Numerical Simulation of Air Duct and Interior Flow Field of CRH380B EMU Cab

WANG Dongping1,GAO Zhuang2,LI Ming2,LIU Nan2

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.P&T Research Center,Tangshan Railway Vehicle Co.,Ltd，Tangshan 063035,China)

Aiming at complex structure of the CRH380B cab compartment duct,its cab compartment was studied,and three-dimensional calculation model of cab compartment and air conditioning duct was established.Numerical calculation on interior flow field of the cab compartment and its air conditioning duct was performed by using computational fluid dynamic numerical simulation method,κ-ε standard turbulence model and the SIMPLE algorithm.The detailed information of the flow parameters were obtained,and the temperature and velocity fields of the cab compartment were assessed with UIC 553-2004. Results show that the air-conditioning ventilation system meets human comfort requirements,and the design is reasonable.

CRH380B;cab compartment;CFD numerical simulation;velocity field;temperature field

1673- 9590(2016)03- 0011- 05

2015- 05- 13

王东屏(1962-),女，教授,博士，主要从事空气动力学的研究E-mail:wdp@163.com.

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