地铁车辆空调系统送风均匀性仿真及优化

于会龙

摘要：旨在研究地铁车辆空调系统送风风道的送风均匀性，以某地铁车辆为研究对象，在CFD软件中建立三维流场模型进行计算，并利用各段出风口质量流量与平均值相对偏差的标准差来评价风道的送风均匀性，分析造成气流不均匀的原因，并对风道的结构进行优化。通过优化前后的模拟仿真，结果表明优化过后气流更加均匀，为以后地铁车辆空调系统的设计提供参考。

关键词：地铁车辆；风道；气流组织；均匀性

1引言

良好的空调气流组织对于室内热环境的舒适性相当重要。实现良好的气流组织，前提是要保证空调系统送风风道的送风均匀性，即空调各送风口送风均匀。倘若风道送风均匀性不好，就会导致车厢内气流组织不均匀，进而造成车厢内温度场和速度场分布不均匀，影响车辆的舒适性和能源消耗。所以，实现送风风道均匀性非常重要，也是保证充分利用空调机组产生的冷量、充分发挥空调的制冷或者制热作用、保证新风的利用率、提高乘客舒适性的重要条件。

2地铁车辆数值模型

2.1物理模型

以某地铁车辆为研究对象。考虑到该车风道在结构上的对称特点，整个风道沿列车横向对称并且沿列车纵向分为4段相同的风道，因此建立其中一段完整的风道三维模型作为研究对象。对车辆的风道三维模型进行简化时，以最大化地保留原結构，不影响整体气流分配为基本原则，删除掉了细小部件（如螺栓、法兰等），同时仅保留模型的最内层表面用于流体计算。其简化模型如图1所示，风道出风口从左至右顺次命名为k1-k28。

2.2数学模型

为了简化问题作如下假设：车室内空气流动为三维、定常、不可压缩流动，描述空气流动的控制方程包括连续性方程、RANS方程以及湍流模型方程。空气密度不变，不考虑空气的温度变化，风道壁面设为绝热。

2.3边界条件和评价方法

车厢内空调送风采用速度人口边界条件。单台空调机组的送风流量为5000m3/h考虑到计算模型为1/2，故计算时一台机组风量视为2500m3/h，每段风道风量为1250m3，h1，根据送风道入口的面积计算出送风速度为3.41m/s。

客室各出风口的风量示数组成集合，计算各段送风量与平均值相对偏差的标准差。较大的标准差，代表该集合中各数值与平均值差异较大；较小的标准差，反映各数值较为接近平均值；标准差反映各数值在平均值上下分布的均匀程度。

3结果分析

通过CFD软件对风道原始模型进行仿真计算，得到计算结果如图2：

图2自上一下分别为28个出风口速度云图，从图中来看，低风道远离机组侧出口k2-k8区域出风口处流速较大，低风道出口k1、出口k9-k14区域出风口处流速较小，出口速度接近0m/s；高风道出风口k15-k27处流速较为均匀；在高、低风道内所有长圆孔边界均发生了回流，且靠近机组出风口处回流现象明显。低风道k9-k14区域在气流由分配箱风道进入低风道入口处端，气流速度较大且中间风道没有任何扰流措施，导致气流直接向风道中部汇集，没有通过静压隔板到达静压腔内，故该区域流量值很小；k2-k8区域处于低风道中、末端，气流通过静压隔板到达静压腔内，因此该区域流量值偏大。整体来看，低风道送风口均匀性不好，高风道送风口均匀性较好，但送风口的整体均匀性水平不佳，整体风道出风口质量流量与平均值相对误差的标准差为0.72。

4结构优化

针对低风道靠近机组端出风口无送风的现象，通过在风道中部增加扰流板来解决，通过在静压腔内增加隔板来解决风进入静压腔后向远离机组端推送的现象，同时适当调整静压腔入口的位置及数量，起到风量均匀性的调节。针对高风道机组端出风口风量较大的现象，对风道内的扰流板增加开孔，通过增大孔隙率来减小进机组端的风阻，并且调整部分静压隔板开孔的位置及数量，达到风量均匀性的调节。

通过CFD软件对风道优化后的模型进行仿真计算，得到计算结果如图3：

由图3可见，经过结构优化，低风道整体流量值、流速值趋向均匀，高风道近机组端流量值、流速值降低，高、低风道分段流量值、流速值较为均匀。各段风道整体送风均匀性均得到提高，风道各段送风质量流量与平均值相对偏差的标准差为0.33，相比原始结构各段送风质量流量与平均值相对偏差的标准差0.72有了明显的优化效果。各个出风口的出流不均匀性明显降低，出风更加均匀，提高乘客的舒适感，并且达到节能的目的。

5结论

本文采用CFD仿真分析方法对地铁车辆送风风道的送风均匀性进行论仿真分析，验证了调整风道内部扰流板及孔板参数对风道均匀送风的作用，采用该方法对风道进行优化达到均匀送风的目的。风道各段送风质量流量与平均值相对偏差的标准差由0.72减小至现在的0.33。针对地铁车辆空调系统的设计，采用CFD仿真计算的方法可在较短时间内得到最佳的设计参数。