轨道列车客室空调机组内部流场数值仿真研究

王维斌，姚拴宝，陈大伟，宋军浩

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 国家工程技术研究中心，山东青岛 266111)

轨道列车客室空调通风系统对调节列车客室空间温湿度及热舒适度等起到重要作用，同时也是客室内的主要噪声源之一，而客室空调机组是整车空调通风系统的重要设备。随着对列车客室舒适度要求的不断提高，对空调机组内部流场分布的合理性及气动噪声控制的研究不断深入。随着计算流体动力学及计算声学仿真技术的发展，计算精度和计算时间能够满足工程应用的要求，逐渐成为轨道列车空调机组内流场研究的重要手段，Fukano[1]、胡俊伟[2]等通过数值仿真技术对不同型式风机的流场及气动声学进行研究。

相比于家用空调、商用空调或其他使用风机通风的设备，轨道交通车辆空调机组的结构更加复杂。对于组合式列车空调机组，蒸发部分和冷凝部分集成在一起，蒸发腔包括2台或者4台离心风机，冷凝腔包括2台轴流风机，空调机组内部的非稳态流动更加突出，轴流风机之间、离心风机之间的相互影响引发的流动及噪声问题更加复杂。

1 几何模型

图1所示为轨道列车客室空调机组三维几何模型，空调机组由蒸发腔、压缩机腔、冷凝腔3大部分组成，集成为1台空调机组，蒸发腔包含2台离心送风机，风机直径239 mm，转速1 600 r/min，冷凝腔包含2台轴流风机，风机直径600 mm，转速1 450 r/min。轨道列车空调机组的集成结构较复杂，蒸发腔及冷凝腔距离较近，但各自气流流动是相互独立的，由中间的压缩机腔分割开来。

图1 轨道列车客室空调机组几何模型

图2所示为轨道列车客室空调机组仿真的三维简化几何模型，建立包括壳体、离心送风机、冷凝轴流风机、换热器、滤网、压缩机、支架、接水盘、风门、导流板等在内的对流场影响较大的部件。考虑到细小部件对仿真网格及计算量的影响，对于格栅、弯管、固定件等对流场影响较小的结构做了适当简化，或不予考虑。空调机组进出风口区域做适当延伸。

图2 轨道列车客室空调仿真几何模型

2 网格模型及数值算法

图3所示为轨道列车客室空调机组仿真的完整全流场计算域及离心风机和轴流风机区域的网格划分结果。网格处理过程中，导入空调机组内流场几何模型，处理面网格后采用多面体网格进行空调机组全流场仿真域的空间离散，对离心送风机、冷凝轴流风机、换热器等几何尺寸相对较小，而对空调机组内部气流分布产生重要影响的结构进行加密处理[3]，对于空调机组壳体、压缩机壳体等几何尺寸较大的区域，网格尺寸相应增大，使得网格数量和质量得到合理兼顾，空调机组整机内流场多面体网格数量约950万。

图3 轨道列车客室空调仿真网格模型

仿真计算采用RNGk-ε湍流模型，分离式隐式方案[4]，SIMPLE算法，大气压力进出口边界条件。对于风机的旋转运动，建立离心风机、轴流风机旋转域，通过Interface边界与静止域连接，采用运动参考坐标系模型进行仿真计算，蒸发器、冷凝器、滤网采用多孔介质模型处理。通过宽频噪声源模型预测气动噪声声功率的分布[5]。

3 仿真结果分析

3.1 速度场分布

图4所示为轨道列车客室空调整机三维流线分布，可以定性看出气流整体流动轨迹。在蒸发腔，外界空气从两侧新风口进入压缩机舱扰流压缩机后，与回风口气流混合，均匀扰流蒸发器后经离心风机将气流向下送入客室。在冷凝腔，外界空气从两侧进风格栅流入，均匀扰流冷凝器后经轴流风机将气流向上从中间两个圆形出风口流出。从整机流线分布来看，整个空调蒸发腔和冷凝腔内气流分布比较均匀，很少出现气流死区，可以保证气流与蒸发器和冷凝器的充分热交换，满足空调机组的热量交换要求。

图4 客室空调整机流线分布

从图5轨道列车客室空调典型截面速度场分布可以看出：在蒸发腔，气流沿蜗壳轴向进入离心风机后经过叶轮旋转加速，高速流出风机，在蜗壳出口和叶轮与蜗壳间隙区域形成明显的高速区，在离心风机出口及蜗舌区域没有气流回流，合理的叶轮与蜗舌间隙对提高离心风机风量及降低气动噪声具有重要影响。在冷凝腔，两个轴流风机的流场相互影响，气流沿轴流叶片作用面高速流出，向四周扩散，并在叶轮中间区域形成低速区，合理的风机叶片与四周导流圈之间的叶顶间隙对提高轴流风机风量及降低气动噪声具有重要影响。

图5 客室空调典型截面速度场分布

3.2 压力场分布

图6所示为轨道列车客室空调整机截面的压力场分布，可以看出，空调机组内部区域除了离心风机和轴流风机周围区域存在明显的压力梯度之外，蒸发腔及冷凝腔内的压力梯度较小。离心风机和轴流风机区域由于风机旋转形成明显的负压区，冷凝腔出口压力由于两个轴流风机出风气流相关干扰，压力脉动剧烈，压力梯度明显。在轴流风机两个叶片之间的区域，存在明显的压力从正压到负压的过渡。

图6 客室空调整机截面压力场分布

图7所示为轨道列车客室空调离心风机和轴流风机截面及风机叶片表面的压力场分布，可以看出，由于离心风机蜗壳起到集流增压作用，气流沿蜗壳流动过程中压力得到提升，在临近蜗壳出口区域的风机叶片周围气流被加速，形成明显低压区；轴流风机叶片前后存在明显的正负压区别，叶片压力面随着风机旋转而推动气流运动，叶片正压区域较大。叶片吸力面随着气流运动而形成负压，叶片负压区域较大。

图7 离心风机和轴流风机截面压力场分布

3.3 气动声功率场分布

气动声功率模型假定湍流流场是各向同性，并计算偶极子声源产生的气动噪声，因此该模型主要考虑固体表面作用于流体产生的表面压力波动。图8所示为客室空调典型截面的气动声功率分布，可以看出，最主要气动噪声源位于风机区域，其中冷凝腔轴流风机对气动噪声的贡献高于蒸发腔离心风机。冷凝风机区域，叶轮与导流圈之间的叶顶间隙区域以及冷凝出风区域的声功率分布相对较高。另外，空调格栅进风区域为次要气动噪声源。

图8 客室空调典型截面气动声功率场分布

4 总 结

建立轨道列车客室空调机组离心风机、轴流风机旋转域，采用运动参考坐标系模型进行仿真计算，通过宽频噪声源模型预测气动噪声声功率的分布。基于机组内部流场数值仿真计算，对客室空调典型截面的速度场、压力场、气动声功率场等进行了深入分析。

仿真研究结果表明：

(1)空调机组冷凝腔两个轴流风机之间的动—动干扰以及蒸发腔离心风机与蜗壳之间的动—静干扰引发的气流周期性非稳态湍流特性是空调机组内部流场压力脉动和气动噪声的主要来源，其中冷凝轴流风机的贡献大于离心送风机。

(2)空调机组冷凝腔和蒸发腔内离心送风机及轴流风机的合理布局，有利于空调机组内部空间内的气流均匀分布，有利于气流均匀扰流冷凝器及蒸发器，可以保证气流与蒸发器和冷凝器充分的热交换，满足空调机组的热量交换要求。

(3)空调机组冷凝腔中冷凝风机叶片与四周导流圈之间的叶顶间隙以及蒸发腔中离心风机叶轮与蜗壳、蜗舌之间的间隙对风机的风量及气动噪声产生重要影响。在空调外形尺寸有余量的情况下，可适当增加两个轴流冷凝风机之间的距离，减少相互干扰影响。

(4)空调机组冷凝腔出口压力由于两个轴流风机出风气流相关干扰，压力脉动剧烈，压力梯度明显。在轴流风机两个叶片之间的区域，存在明显的压力从正压到负压的过渡。蒸发腔离心风机由于蜗壳的集流增压作用，气流沿蜗壳流动过程中压力得到提升。

(5)空调机组最主要气动噪声源位于风机区域，其中冷凝腔轴流风机对气动噪声的贡献高于蒸发腔离心风机。冷凝风机区域，叶轮与导流圈之间的叶顶间隙区域以及冷凝出风区域的声功率分布相对较高。另外，空调格栅进风区域为次要气动噪声源。