空调列车室内流动与传热的模拟研究

李红民



空调列车室内流动与传热的模拟研究

李红民

（中南大学能源科学与工程学院 长沙 410083）

空调列车室内空气的速度场、温度场是研究空调列车室内气流组织设计及空调列车室内舒适环境评价的基础。运用-紊流模型对空调硬座列车室内气流组织，主要是速度场和温度场进行了数值模拟。将人体散热和太阳辐射作为能量方程的附加源项，采用有限容积法和交错网格将计算区域进行离散，用SIMPLE算法计算了空调硬座列车室内流动与传热问题，为空调列车室内气流组织优化设计及舒适性研究奠定了基础。

空调列车；有限容积法；数值模拟

0 引言

空调列车室内空气的速度场、温度场是研究空调列车室内气流组织设计及空调列车室内舒适环境评价的基础。以往空调列车的气流组织设计是参照室内气流组织设计，将送风气流看成射流，通过求解射流的经验公式来确定车厢内各个断面的温度分布和速度分布[1,2]。由于空调列车室内人员多、发热量大，而送风速度一般比较低，因此需要同时考虑强迫对流和自然对流的影响，而且通过玻璃窗的太阳辐射和车室内固体壁面间的辐射对空气的流场亦有很大影响，空调列车室内存在座椅、行李架等固体区域，使得空调列车室内的空气流场数值计算成为一复杂热边界条件、气固耦合传热数值计算问题。而射流的经验公式无法考虑到车厢形状及座椅等的影响，也无法考虑到自然对流对射流形成的影响，故采用射流的经验公式获得的经验数据结果是比较粗糙的[3-6]。本文采用-三维紊流模型，应用SIMPLE算法[7]计算了空调硬座列车室内气固耦合传热问题，对空调列车室内气流组织，主要是速度场和温度场进行了数值模拟。文中着重研究了空调硬座列车室内流场和温度场分布规律，为空调列车室内气流组织优化设计和舒适性研究奠定了基础。

1 空调列车计算模型

1.1 物理模型

以K25型空调硬座列车为研究对象，其几何参数为：列车半车身长7.5m，车室宽2.8m，净高2.3m，车厢左右两侧各设5排等间距（750mm）的座椅（宽分别为800mm和1200mm），在车厢上侧左右对称各设一排行李架（宽600mm），通风方式为顶部送风，即在车厢顶部对称设有5个孔板送风口（尺寸200mm×400mm），回风方式为侧回风，即在车厢两侧利用车门回风（尺寸800mm×2000mm），其系统图如图1所示。由于车厢内部的布置及送风方式呈左右对称分布，除车厢两端固定座椅的布置使边界条件相异外，基本上可认为每排座椅的通风条件是相同的。

图1 空调列车计算模型系统图

1.2 数学模型

（1）空调列车室内空气为不可压缩且符合Boussinesq假设，即认为流体密度变化仅对浮升力产生影响；

（2）流动为稳态紊流；

（3）忽略固体壁面间的热辐射，车室内空气为辐射透明介质；

（4）假设流场具有高紊流Re数，流体的紊流粘性具有各向同性；

（5）气流为低速不可压缩流动，可忽略由流体粘性力作功所引起的耗散热；

（6）不考虑漏风的影响，认为空调列车室内气密性良好。

根据以上假设，空调列车室内空气流动与传热控制方程可写成如下通用形式：

表1 控制方程组

表1中，为有效压力，在物体表面紊流动能=0，即为时均压力；μ为粘性系数，μμ+μ；μ为层流粘性系数，μ=ρV∞/R；μ为紊流粘性系数，μ=Cρk2/；P为层流普朗特数；为热流密度，W/m2；C为空气的定压比热，kJ/kg·K；1，2，c，σ，σ，σ为经验常数，其取值为：1=1.44，2=1.92，c=0.09，σ=0.9，σ=1.0，σ=1.3；为紊流动能产生项，公式如下：

1.3 边界条件

本研究以K25型空调硬座列车车室内部为模拟研究对象，车室内采用顶送风方式，送风口形式为孔板送风，以此作为计算入口边界，以车室两端车门用于回风作为计算出口边界，由于车室内的气流分布呈对称式，为简化计算，取半个车身长度的空间作为研究区域，将车室中间断面处理成绝热边界。

入口边界：

==0，=2m/s，=291K，=0.002，=0.00008。

出口边界：==0，=1m/s，=P。

热源条件：本研究的热源主要为人体散热，人体散热量按115W/人计算，将这些热量均匀分布在座位上方，对于通过车厢一侧玻璃窗的太阳辐射量，采用Monte Carlo 法[8,9]对太阳辐射能在车室内各内表面的分配比例进行计算，以此两项作为能量方程的附加源项。

2 网格划分及数值求解方法

（1）对流项采用迎风差分格式，将扩散项与对流项的影响系数分离开来，使方程绝对稳定。

（2）把相邻节点的影响系数表示为对流分量与扩散分量之和，将对流部分归并入源项。

3 计算结果及分析

本文对K25空调列车室内的三维空气流场和温度场进行了数值计算，获得的结果比较理想。图2～图4为车顶中部孔板送风的各断面速度场分布，图5～图7为车室内各断面温度场分布，由图可知：

（1）送风口的布置对空调列车室内流场影响较大，车室内采用顶部中央孔板送风，送风气流在车厢两侧座椅处形成两股比较大的流动旋涡，列车中部空气流动强度较大，空调效果较好，而两侧座椅处空调效果相对较差。

（2）在一定的送风速度范围内（=2～3m/s），送风速度对空调列车室内流场分布影响不大，改变送风速度，各个断面的速度大小发生改变，但车室内空气流动速度分布趋势不变；当送风速度为2m/s时，到达座位区距车室地板0.6m断面处的平均速度为0.13m/s，当送风速度为3m/s时，到达座位区距车室地板0.6m断面处的平均速度为0.15m/s。空调列车室内上部区域流速较大，温度较低，下部区域流速较小，温度较高，致使上下区域温差较大，从而会影响乘客的热舒适感。

（3）人体散热、太阳辐射对车室内流场影响不大，但对温度场影响较大，座位区由于人员集中，空气温度比车室中部温度要高，车厢右侧由于受太阳照射的作用，靠近右侧车厢座位区的温度是很高的，其中最高温度为27.3℃，比车厢中部过道处的最低温度24.1℃要高出3.2℃。

（4）座椅、行李架等障碍物对车室内流场和温度场影响较大，由于车厢两端固定座椅的布置不同，车室内流场分布不对称，左侧座椅正上方出现一个很大的流动旋涡，而右侧座椅上方的流动旋涡明显左移；车厢两侧因行李架阻挠通风气流有效的带走热量，使该处的温度分布略高于该断面其他各处（图6），=1.9m断面处于座椅区，座椅处下方除通道外为通风死角区，热量不能被有效带走，故座椅处的温度要高于其他垂直断面处的温度分布（图5）。

图2 X=1.9m断面速度矢量图

图3 X=2.9m断面速度矢量图

图4 Y=1.4m断面速度矢量图

图5 X=1.9m断面温度分布图

图6 X=2.9m断面温度分布图

图7 Y=1.4m断面温度分布图

4 结论

（1）对空调列车室内空气流动和传热的数值分析，可以有效地预测车室内流场和温度场的分布情况，优选空调列车室内气流组织设计方案，这样既缩短设计周期，节省人力、物力与财力，又可以实行优化控制，以获得满意的空调效果。

（2）空调送风系统布置对空调列车室内空调效果有较大影响，送风口的布置对空调列车室内流场分布影响较大，而送风速度在一定的送风速度范围内（=2～3m/s）对两侧座椅处的空气流动强度影响不大。

（3）人体散热、太阳辐射对车室内流场影响不大，但对温度场影响较大，座位区由于人员集中，空气温度比车室中部温度要高，车厢右侧由于受太阳照射的影响，座位区靠近车厢右侧的温度比车厢中部的温度要高出3℃左右。

（4）座椅、行李架等障碍物对车室内流场和温度场影响较大，由于车厢两端固定座椅的布置不同，车室内流场呈不对称分布，两侧座椅处流动强度不同，座椅处和行李架处的温度较高。



[1] 庄达民,林国华,袁修干.高速列车舱内气流分布的数值模拟[J].铁道学报,2000,22(2):26-30.

[2] 李超,张成方.石家庄地铁3号线车厢内气流组织的数值模拟及分析[J].制冷与空调,2016,30(2):153-157.

[3] Han T. Three-dimensional navier-stokes simulation for passenger compartment cooling[J]. Int J of Vehicle Design, 1989,10(2):223-235.

[4] Trent E Schulte, Donald J Bergstrom, James D Bugg. Numerical Simulation of Three-Dimensional Airflow in Unfurnished Rooms[J]. ASHRAE Transactions, 1999: 68-76.

[5] K C Chung. Three-dimensional analysis of airflow and contaminant particle transport in a partitioned enclosure[J]. Building and Environment, 1999,34(3): 7-17.

[6] 吴俊云,童灵,陈芝久.空调客车室内三维紊流流动与传热数值研究[J].上海交通大学学报,1999,33(3):331-334.

[7] 陈焕新,黄素逸,张登春.空调列车室内三维紊流流动与传热的数值模拟[J].华中科技大学学报,2002,46(3): 52-54.

[8] 陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,1988.

[9] 卞伯绘.辐射换热的分析与计算[M].北京:清华大学出版社,1988.

Simulation Research on Flow & Heat Transfer in Air Conditioning Train Passenger Compartment

Li Hongmin

( School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha, 410083 )

The velocity and temperature fields in the air conditioning compartment were the basis of studying the air distribution design and comfortable environment evaluation in air conditioning train. By-turbulence model, the indoor air fluid flow and heat transfer problems were resolved by finite volume method in interlacing grid with SIMPLE algorithmic, and the 3-D distributions of the airflow field and temperature field in the chamber were numerically simulated. The effect of solar radiation and body heat was taken into account and these auxiliary heat flows were the source term of the energy equation. It gave a basis for the optimized design of air distribution and comfortable study in the air conditioning compartment.

air conditioning compartment; finite volume method; numerical simulation

TK124/U238

A

1671-6612（2018）02-210-05

李红民（1969-），男，研究生，实验师，E-mail：lhongmin@mail.csu.edu.cn

2017-11-13