胶轮导轨电车送风位置与热舒适性研究

盛文刚 张本超 王爱斐

摘 要：随着我国铁路交通运输事业飞速发展，提高车辆舒适性成为关注焦点。本文基于胶轮导轨电车，采用CATIA三维绘图软件建立其车厢简化模型，并结合ANSYS软件进行网格划分以及模拟仿真计算，对空调送风口位置进行对比研究，优化设计方案，为今后导轨电车以及其他类车型的空调气流组织设计工作提供方法和依据。

关键词：胶轮导轨电车;空调系统;数值模拟

1 引言

目前我国轨道交通运输事业正处于飞速发展的时期，客车的方便快捷性已不能满足乘客的需要，车厢内部的热舒适性受到了越来越多的关注[1]。良好的气流组织对于客车车厢内的舒适性至关重要，局部气流速度过大、温度不均衡，都会严重影响乘客的舒适性[2]。因此为实现良好的气流组织，保证车厢内部的热舒适性，提高乘车舒适度，其研究势在必行。

本文通过对胶轮导轨电车T1车空调系统的研究学习，结合ANSYS模拟仿真，通过改变空调送风口位置布置，对比计算结果，优化设计方案，为后续城轨车辆空调系统设计工作提供了依据。

2 空调系统简介

胶轮导轨电车采用4编组型式Mc1-T1-Tp-Mc2，两车通过贯通道实现客室内贯通。空调采暖系统符合CJ/T417《低地板有轨电车车辆通用技术条件》和GB/T23431《城市轻轨交通铰接车辆通用技术条件》的要求[3]。本文基于T1车空调系统研究。

2.1 空调系统组成

T1车空调系统由空调机组、送风道、回风道、送风口、回风口等组成，负责整车的制冷、通风和采暖。

T1车空调系统采用顶置单元式变频空调机组，机组采用机电一体化设计，控制模块集成在机组内部，空调机组符合TB/T1804《铁路客车空调机组》的规定;机组两侧设置有新风口，新风量1000m?/h，送回风方式为底送底回，总风量3000m?/h。

客室送风采用静压腔送风型式，空调机组处理的空气经主风道进入静压腔后分配至客室，每节车厢设计2节送风道。由伯努利原理（当流体通过2个截面时，若截面2比截面1大，则截面2处的流速小于截面1处的流速，截面2处的静压增大）可知，空气在静压腔内的速度小于主风道空气速度，因此静压腔的主要作用除了均匀分配风量外，还能稳定气流和减少气流振动，从而降低噪声。

回风采用集中回风型式，回风道设置在空调机组底部。如图2-1为T1车送风道总图，图2-2为客室风道断面图。

送风格栅一侧与中顶板插接，另一侧与车顶骨架纵向梁通过紧固件连接，格栅长度与客室顶板长度相同。送风格栅与风道之间通过密封筒相连，保证风道出风口处风全部进入客室。客室回风口与顶板检查门为一体结构。如图2-3为送回风格栅示意图。

2.2 送风原理

机组内离心式通风机将列车内的空气和适量新风吸入机组后，经过空调机组的处理，通过机组的送风口进入主风道并沿着主风道行进，之后空气通过静压腔条缝进入静压腔内，由于流体的压力平衡作用（流体作用在容器内表面同一高度处静压力相等）[4]，形成一定的压力值，并由于静压腔内气体静压的作用，通过送风口，出风格栅进入客室内。

3 模型建立及边界条件设置

计算流体动力学（CFD）是运用流体动力学的基本原理和“三传方程”，通过建立适当的物理几何模型，提出合理化假设，提供合适的边界条件和参数，对车厢内空调区域空气流动形成的速度场，温度场等物理量进行模拟仿真计算。通过模拟仿真计算，可以得到更为直观的结果显示，且能得到实验结果所不能显示的细微之处的变化，并通过分析计算结果来评价设计的可行性与合理性。

3.1 模型建立

三维实体模型的建立，需对实体结构进行分析，将一些细小、复杂的结构进行简化以方便计算，或者将一些对计算过程有较大影响但对结果影响不大的结构进行忽略或是简化修改，特别是尺寸较小的形状。图3-1为车厢送风出风简化结构。

其对比模型为，将送风格栅调整至距车顶边缘两侧三分之一处，沿中心方向布置灯体位置，其余结构不变。

针对本文要进行计算的车厢内气体流动特性，进行必要的合理化假设：

（1）车厢内流体工质为空气，是不可压缩流体。

（2）忽略车窗与车门带来的影响。

（3）车厢内处于无乘客状态。

（4）车厢密封良好。

计算模型选工程领域应用较多的模型，适宜进行内流分析[5]。

3.2 网格划分

在CFD的模拟仿真计算中，网格的划分具有重要的位置，直接关系着计算结果的准确性。不合理的网格划分，或者网格质量不好的，进行计算时不利于结果的收敛。对于三维几何模型，较常用的是四面体网格，在自动生成的非结构化网格划分基础上结合对细微处及特殊面的局部加密，保证一定的网格质量，确保计算结果的准确有效。

车厢送风出风简化结构的网格划分如图3-2所示，网格质量均在0.2以上，总网格数为1322572，总节点数为232943，其中对送风进口、回风出口以及座椅的拐角面处进行了局部加密。

3.3 边界条件

完成对几何模型的网格划分后，将划分好的网格导入FLUENT，设置相应的边界条件以及物性参数，如速度、温度、压力等，完成定义并开始迭代计算。

T1车车辆设计总风量为3000m?/h，整个车厢共有30个送风进口，分别为两侧对称的15个，由于结构限制其长度不一，但宽度均为45mm，送风进口的总面积为：

送风进口处设置为速度进口，进口速度为：

送风进口处实际结构为进口格栅进行两侧的分流，沿三个不同角度方向进入车厢，如图3-3所示。可以看出，空气通过格栅后其送风方向总体分为三个方向，故将其简化为三个进风口方向，角度与格栅实际结构相同，并将其速度方向分解为直角坐標系的三个方向。

送风干球温度为：19.33+273.15=292.48K。

回风出口处选择压力出口，压力值为标准大气压101325Pa。

车厢壁面以及车厢内座椅均视为壁面wall，根据《导轨电车整车K值分析报告》，导轨电车静态工况下整车等效K值为，室内外干球温差为6K，边界条件设置的壁面热流量为。

4 模拟计算结果与讨论

根据BS EN 14750铁路应用—城市和郊区铁路车辆用空调，标准中规定了郊区或区域车辆（胶轮导轨电车所属范围）的空调系统舒适性参数：

（1）舒适区域速度参数。在舒适度试验中规定了舒适区空气速度测量点，在所有配备座位区域的地面上方1.1m的高度位置以及在地面上方1.7米处测量空气速率。进行这些测量的目的是在舒适区内查找最大空气速率的区域。若在供暖、冷却或通风模式中的分配或气流有所不同，则在每个模式中都可以找到最大空气速率的区域。应将这些临界空气高速区域用来进行空气速率和空气温度的精密测量以确保舒适区内空气速率的要求检验合格。客室的风速要小于等于附图B.1曲线规定的值。

（2）舒适区域温度参数。距地板面1.1m处测得的内部气温范围，郊区或区域车辆的温差范围不能超过4K;对于内部垂直方向的温度变化范围，郊区或区域车辆不能超过4K。

4.1 截面选取

选择如图3-1所示，沿车体方向垂直于端面，分别带有座椅和出风口的、位于车体中间处的以及另一端带有座椅的三个位置作为截取对比结果的平面，分别记为截面s1，截面s2，截面s3。如图4-2所示。优化后结构的相同位置截面加后缀g以区分。

4.2 速度云图对比

在s1截面处的对比可以看出，优化结构相比原有结构，在整体流场中更加均匀，且在座椅上部区域风速变化更少。

在s2截面处，即车体整体的中间位置处无座椅，乘客为站立状态，优化结构虽流场分布较好。

在无出风口影响的s3截面处，两者的流场在纵向上均更加均匀，优化结构其对座椅上的乘客的直吹影响更低。

4.3 温度云图对比

在s1截面处，在座椅上部区域以及距离地面1.1m高度处，优化结构的温度在水平方向上的变化更小，且在座椅上的乘客其感受到的温度变化也更小。

在s2截面处，即车体整体的中间位置处无座椅，乘客为站立状态，此处优化结构的温度场较原有结构更加均匀。

在无出风口影响的s3截面处，两者的温度场在纵向上均匀性更好，但是在水平方向上比較，原有结构的温度变化更小，优化结构的温度变化较大，但均在3K范围内。考虑到乘客对车厢内气流的扰动以及人体的散热量，此处可进行进一步研究。

5 研究结论

通过建立车厢送风出风简化结构模型，并结合ANSYS进行模拟仿真计算，分析得出：

（1）通过速度云图与温度云图得出，在乘客所在区域内，同一铅垂线的最大温差均不超过3K，满足EN标准。

（2）通过两种结构云图对比发现，优化结构在客室整体的热舒适性上表现更好。

（3）通过模拟仿真的方法，可有效指导空调系统设计，减少相应的试验成本与周期。

参考文献：

[1]张惠中，王宗昌，刘绍禹.地铁车辆空调系统车内出风格栅形式研究[J].科技创新与应用，2014（07）.

[2]金泰木，张明，李连奎.CFD在客车空调系统设计中的应用[J].铁道车辆，2003，41（03）：20-22.

[3]黄文杰.城际动车组回风风道气流组织仿真与优化[J].铁道车辆，2013，51（03）：1-6.

[4]于淼，王东屏，袭望等.地铁车空调风道及车室内气流组织数值仿真[J].大连交通大学学报，2014，35（02）：16-19.

[5]储成龙，李树典，姚非.基于Fluent软件的动车组空调数值仿真[J].铁道车辆，2012，50（12）：5-8.