基于CFD 分析的地铁洗车机强风吹扫系统优化改进

刘洪春，于 洋，尹 星

（青岛地铁集团有限公司运营分公司车辆部，山东青岛 266041）

1 背景与问题提出

1.1 背景

某地铁洗车机（以下简称洗车机）主要用于车辆段电客车车体外表面的洗刷与水渍强风吹扫，其中的强风吹扫系统包括5 组侧面风机和1 组顶部风机，通过风机输出强风将洗刷完毕后粘附在电客车表面的水渍清除[1]。

但据检修人员普遍反映，电客车在经过洗车机洗刷、强风吹扫后，车窗与门窗玻璃上仍残存脏污点。经现场跟踪发现：在结束刷组洗刷与水喷淋后通过强风吹扫系统时，发现风机强风清除水渍的作用不明显，几乎不起作用。

1.2 问题提出与优化改进思路

该风机基本技术参数：全压PT范围（4334～4356）Pa，流量Q范围（852～1297）m3/h，电机功率P 为3 kW，风机出风口尺寸为A×B=590 mm×15.5 mm。这种设计存在以下弊端。

（1）出风口开度大，风机所输出的风所受“挤压”作用较小，全压较小，因此无法保证风口处的风速达到使用要求，水渍将无法清除。

（2）出风口开度大，若要求出风口风速达到要求，必然需增大风机排量，由此导致电机功率较大；该系统共有12 套强风风机，耗电量较大。

为此，提出优化方案：改进出风口结构，使用较小尺寸圆孔代替原出风口，圆孔直线分布在圆形管路上；此外，变电机带动扇片直接排风为空压机提供压缩空气排风。由各圆孔吹出的高压风形成一道“风墙”，将车体表面的水渍清除。

2 CFD 分析方法与CFX 分析软件简介

CFD 是计算流体力学的简称，其核心是基于现代计算流体力学的有限元分析技术[2]，目前市面上广泛使用的商业流体力学分析软件有很多，如FLUENT、STAR-CD、CFX 等。CFX 软件因具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、旋转机械、汽车设计等方面有着广泛应用[3]。本文使用ANSYS 公司CFX软件对洗车机强风吹扫系统风速、压强等物理参数进行数值模拟，并以此为依据进行系统优化改进。

3 基于CFX 的洗车机强风吹扫系统内部流场优化分析

3.1 建模与几何模型导入

使用三维绘图软件Solidworks 完成原结构所包含空气部分三维流体实体的绘制，该部分即为计算区域，以下称模型1；同样地，开有圆孔的圆形管路所包含的空气部分即为计算区域，以下称模型2；为了节省计算空间，选取其中典型一段区域作为计算区域，其中管径ΦD=8 mm，孔径Φd=1 mm。

3.2 网格划分与细化

定义两模型材料为Fluid（流体）；网格划分质量的好坏往往直接影响数值模拟的计算结果[4]，由于两模型结构较不规则，因此选用Tetrahedrons 四面体网格划分方法。

3.3 流场与边界条件的设置

3.3.1 流场设置

定义两模型材料均为25 ℃空气；为了考虑流体动能引起的热量变化，且此流场流动为高速及可压缩流动，定义该流场传热模型为Total Energy（全热模型）；由于空气的黏度很小，因此选用湍流模型来求解空气流动状态；此外k-ε 模型作为湍流模型中的一种，已经被证明具有分析结果可靠、数据稳定、具有很好的预测能力、既准确又易于收敛等特点[5]。因此，综合考虑，两模型流体仿真计算选择k-ε 湍流模型。

3.3.2 边界条件设置

（1）模型1 边界条件设置。为模拟该风机最强的强风吹扫效果，以第1.2 节提到的已知的风机最大全压PTmax=4.356×103Pa 以及最大流量Qmax=1.297×103m3/h 为依据设置风机出风口入口和出口边界：入口1 设置为Total Pressure（全压入口），设定值即为PTmax=4.356×103Pa；出口1 设置为Normal Speed（速度出口），以出风口处平均速度vavg=39.4 m/s 作为其设定值，vavg的计算如下。

由于空气在出风口内壁流动时存在摩擦力，因此将Wall（壁面）边界设置为No Slip Wall，且由于出风口材料为钢材，因此将Sand Grain Roughness（粗糙度高度）设置为0.046 mm。

（2）模型2 边界条件设置。为模拟压缩空气在圆形管道和圆孔内的流动情况，入口2、入口3 设置为Total Pressure（全压入口），为确定以0.5 MPa 作为设定值；出口2、出口3 设置为Static Pressure（静压出口），由于连通大气，以1 标准大气压1.013×105Pa作为设定值；其Wall（壁面）边界设置与模型1 相同。两模型边界条件的具体设置见表1。

表1 边界条件设置结果

3.4 结果分析

3.4.1 模型1 计算结果分析

从图1a 所示的速度云图上可以看出，风机出风口最大风速为vmax1=77.88 m/s，出现在出风口最低端，出风口风速分布特点呈现“自上而下递减”的趋势；从图1b 所示的压力云图可以直观地看到出风口处压力下降明显，风机所输出的风所受“挤压”作用较小，甚至存在“负压”情况，验证了第1.2 节所提出的观点。

图1 模型1 流体仿真计算结果

3.4.2 模型2 计算结果分析

从图2a 速度云图可以看出，在理想仿真情况下，出风口最大风速已经达到了vmax2=8.171×102m/s，显然已经超过音速，实际中不需要如此大风速，因此，为了探求最佳条件，改变压力入口设定值，分别设定为0.35 MPa，0.2 MPa，0.15 MPa，最大风速仿真结果分别为vmax3=6.395×102m/s，vmax4=4.020×102m/s，vmax5=2.828×102m/s，从降低系统能耗、提高安全系数和可靠性方面综合考虑，选择入口压力（0.15～0.2）MPa 为最佳入口压力条件。

图2 模型2 流体仿真计算结果

3.4.3 两模型计算结果对比分析

从两模型速度云图和压力云图，可以明显得出以下结论。

（1）决定水渍清除效果好坏的根本因素为风速大小，使用空压机提供压缩空气代替原风机直接排风，出风口风速为原结构的3.6 倍，出风口“增速”效果明显。

（2）原结构12 台风机的总功率为P总=3×12=36 kW，优化方案使用压缩空气，且仅需提供0.15 MPa 的压缩空气，比直接使用风机排风，耗能更低。

（3）原结构出风口风速存在“自上而下递减”的趋势，且风机所输出的风所受“挤压”作用较小，甚至存在“负压”情况，无法保证较大以及较为均匀的出风口风速。优化结构所开圆孔为均匀分布，各圆孔吹出的风形成一道“风墙”，可保证较大以及较为均匀的出风口风速，水渍清除效果更好。

4 结论

本文利用CFD 分析软件CFX 对某地铁洗车机强风吹扫系统的出风口风速、压力等参数进行仿真分析，分析结果表明风机所输出的风所受“挤压”作用较小，“增速”效果较弱，以致水渍无法有效清除；针对原出风口结构内部全压小、“增速”效果差、风速分布不均、耗能较大的缺点，创新地设计了一种以压缩空气为工作介质的改进型强风吹扫系统，改变了强风的产生与输送方式，并通过仿真计算，改进后的强风吹扫系统比原系统吹扫更干净，符合设计要求。