基于车内流场和温度场分析的双层列车空调风道优化*

韩 璐 李良杰 崔 蕾 于菲菲 宗建平

(中车唐山机车车辆有限公司，063035，唐山∥第一作者，高级工程师)

旅客列车车厢内的风速场均匀性、温度场均匀性及气流组织状态等是重要的舒适度指标，其主要取决于列车的空调通风性能[1-2]。而车厢内部环境受太阳辐射和乘客散热的影响，如用试验方法研究车厢内部气流组织，不仅难度大，且成本高。因此，利用CFD(计算流体动力学)数值仿真方法，对列车空调通风系统进行数值仿真，分析空调通风系统性能并改进设计，达到优化设计的目的[3-4]。

本文主要研究列车空调风道优化设计、车内流场特性分析和相关试验验证：建立双层车车内舒适度数值仿真计算模型，利用TRIZ(发明问题的解决理论)工具中的不对称原理，调整空调风道内的导流板及风口布置方案，研究客室旅客界面的风口布置，获得送风道风量分配，完成空调送风系统的均匀性分析；采用FLUENT软件仿真分析空调风道、车内流场及温度场，依据舒适性评价指标分析评估，获得满足标准要求的空调系统优化方案；通过模型车试验，验证优化方案是否满足设计要求。

1 双层动车组的车内流场计算模型

1.1 几何模型

本文以某双层动车组为研究对象，进行车内流场及温度场仿真分析，并进行空调风道设计研究。车体模型主要包括车体、车窗、座椅、空调送风风道、加热器及送风格栅等，如图1所示。其中，一、二位端各含1个进风口、1个回风口和2个废排出风口。车厢内的乘客分布模型见图2。

图1 车体模型

图2 车厢内乘客分布模型

1.2 网格划分

车内流场计算模型的流动空间形状复杂，采用多面体网格进行划分。由于模型中薄壁结构多、面积大，整个几何模型的边界尺寸分布跨度很大，故对送风道出口及加热器等热流场变化较为剧烈的部件进行网格加密。

1.3 数学模型

本文湍流模型采用标准k-ε两方程模型，在近壁区使用壁面函数[5]。其中，进风口和回风口采用速度边界，废排口采用压力出口，表压力取0。计算时，参考实际情况设置车体(含车顶、侧墙及地板)、车窗、车门的传热系数，并根据人体体表温度设置人体热源温度。

2 空调风道的优化

2.1 空调风道的初步优化及验证分析

空调风道的数值模拟模型见图3。空调送风道的风速流线图如图4所示。根据计算结果：上、下层客室长条形出风口出风不均匀，需将长条形出风口分割为小出风口并采取导流措施；两端支风道4个出口流量不均匀，需对出风口设置导流板。

图3 空调送风道模型

图4 空调送风道风速流线图

如图5所示，空调风道优化措施有：风道内部增设导流板，并封堵中间层部分风口；上下层首节风道对应的静压箱隔板上增加导流板；风道出风口增加隔板，使风道由通长结构改为分段出风；更改风道内阻力板高度。

图5 空调风道优化方案

建立整车计算模型，对空调风道及车内空气流场进行仿真计算，计算结果见图6。风速超标区域较多，中部区域超标最严重。因此，还需进一步优化空调送风道内栏板高度、出风口面积及格栅导流角度等，以改善客室气流流动情况。

图6 整车纵向断面风速云图

2.2 空调风道二次优化及验证分析

应用TRIZ工具不对称理论，布置送风道风口形式，将上、下层风口错开布置；在原方案基础上增加静压腔导流板，根据仿真计算结果实时调整送风道内格栅间距、高度；并根据客室风量分配比例(上、下层的人员比例为1∶1，端部单层处和上层的人员比例为1∶3)，优化设计送风道内部结构，如图7所示。

图7 空调风道优化方案

二次优化后风口截面风速分布的仿真计算结果如图8所示。风量分配仿真计算结果如表1所示(单位出风总量为10 081 m3/h)。由仿真结果可知，上、下层客室风道出口流量均匀，且满足客室内风量分配比例要求。

图8 二次优化后的风口截面风速分布

表1 客室内风量分配计算结果

3 风道优化效果验证

3.1 车内流场及温度场的仿真验证

对空调风道二次优化后的整车模型进行CFD计算，得到典型截面的风速及温度分布如图9～图11所示。由计算结果可知，客室座位附近的风速均匀，楼梯和过道区域风速较高，客室区域的风速及温度满足ASHRAE23标准的舒适性评价指标。

图9 高度1.2 m处水平截面的速度和温度分布云图

图10 车辆典型横断面风速矢量图

图11 车辆典型横断面温度分布图

由图12和图13可知：上、下层乘客座位附近风速较低，满足标准要求；过道中部上方的风速稍高，可能使乘客产生不适感；客室内温度均匀性较好，满足要求；地板和车窗附近区域温度无明显差异。

图12 纵断面速度云图

图13 纵断面温度分布云图

3.2 模型车空调风道的试验验证

本研究按1∶1组装了双层不锈钢车体(见图14)，并进行了风道配套试验。风量分配的试验结果见表1。比较可知，仿真计算结果与试验结果相差在5%之内，且车内风速及温度分布符合ASHRAE23标准要求。

图14 风道配套试验模型车

表2 客室内风量分配结果对比

4 结语

本文结合TRIZ工具对双层列车空调风道系统进行了结构优化设计，采用CFD仿真分析方法、标准k-ε两方程模型对空调风道及车内流场及温度场进行仿真分析和优化设计，分析了整车车内流场和温度场的分布特性。通过1∶1模型车的风道配套试验验证了本文计算方法和设计过程的合理性和正确性。基于计算分析结果和优化设计过程，得出以下结论:

1) 空调风道优化设计：根据整车结构确定送风形式及风道外形结构，采用TRIZ工具中的不对称原理进行风道风口设计，依据送风道风量分配进行风道内部结构优化，进行空调风道送风均匀性分析，完成空调风道优化设计方案。

2) 车内流场和温度场分析：建立整车车内流场和温度场计算模型，利用CFD方法对空调风道及车内空气流场进行仿真计算，分析车内空气速度场、温度场仿真计算；按照ASHRAE23标准的舒适性评价指标对客室温度场、速度场的均匀性进行分析评估。

3) 试验验证：通过搭建1∶1双层不锈钢车体，进行了风道配套试验。通过风道试验，得到各部分风量数值。试验结果表明，仿真计算结果与试验结果相差在5%之内，且车内速度、温度分布符合ASHRAE23标准要求。试验验证了本文计算方法和设计过程的合理性和正确性。