机车司机室空调分配箱送风均匀性优化设计

罗江果 ，刘智远 ，李 行 ，肖云华 ，李仕林 ，杨天智

(1.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南 株洲 412000；2.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

随着我国轨道交通的快速发展，对轨道车辆的舒适性提出了更高的要求。空调通风系统作为直接影响人体感官的系统，受到广泛的关注。早些年对于风道送风均匀性的研究主要以试验为主[1-2]。近年来，随着计算机技术的发展，计算流体力学[3](Computational fluid dynamics，CFD)已经成为了研究和优化车辆通风系统结构的一种主要方式，相对于传统的试验方法，采用CFD方法能够大幅度降低试验成本和周期，在轨道交通领域得到了广泛利用。目前诸多学者[4-8]对不同类型的轨道交通车辆的通风系统进行了仿真优化。

蒲栋[9]提出了一种用于提升动车组风道散流器送风均匀性的计算方法，通过使用该方法对散流器进行优化，试验值和仿真值仅相差0.76%。孙术娟等[10]通过在优化地铁客车风道内部的孔板位置和孔隙率的大小，提升了风道的送风均匀性，改善了客室内部的舒适性。夏春晶等人[7]通过调整地铁客室主风道和送风格栅的结构，实现了风道均匀性的提升。

已经有许多学者对地铁车辆通风系统进行了仿真优化，绝大多数侧重于客室风道的仿真优化，鲜有学者对机车车辆司机室分配箱送风均匀性进行研究。而司机室舒适性对司机的驾驶状态有直接影响。随着司机室设备的日益增多，风道的结构和空间需要根据其他设备的布置而发生改变，对于机车车辆而言，司机室分配箱需要同时向前窗和侧窗供风，如何优化司机室空调分配箱对于整个司机室的均匀性提升具有重要意义。

在本项目中，司机室空调分配箱需要同时向司机室前窗和侧窗供风，空调出风在经过分配箱后，通过风道分别达到前窗和侧窗。本文采用CFD仿真手段，对该分配箱进行了仿真优化，通过在分配箱内部增加导流板和调整导流板位置，最终得到了较为理想的送风结果。

2 分配箱物理及数值模型

2.1 分配箱物理模型

图1为司机室空调分配箱的物理模型，从图1可以看出：从空调中送出的空气从分配箱的入口进入，随后通过出风口向前窗送风和侧窗送风。由于送至侧窗的风道较长，阻力大，而至前窗的风道较短，阻力小。因此，在初始分配箱结构下很难保证各个出风口的风量均匀性。本文旨在通过计算流体力学的方法对该分配箱进行优化设计，提升各个出风口的送风均匀性，从而改善司机室内部的舒适性，与此同时，能够为后续的分配箱设计提供参考依据。

图1 司机室分配箱示意图

2.2 数值模型

通过对图1中的几何模型进行适当的简化处理之后，对流体计算域进行建模，建立后的几何模型如图2所示，该模型包括1个进风口，10个出风口，编号为out1～out10，其中前窗出风口8个，侧窗出风口2个。

图2 司机室分配箱的几何模型

本文采用以六面体网格为主的划分方法对计算区域进行离散化处理，生成的网格如图3所示，为了得到更加精确的结果，对进出口和细小结构进行了局部加密，整体网格质量较高，网格总数目为113万。

图3 司机室分配箱网格划分

2.3 计算模型边界条件设置

2.3.1 数学模型

由于本文中分配箱内部的雷诺数要大于2 300，其内部流动状态已经处于湍流状态，故采取standard κ-ε湍流模型进行求解，且分配箱的近壁面采用标准化壁面函数进行处理。standardκ-ε湍流方程如下：

κ-ε方程：

(1)

(2)

(3)

上述控制方程中的主要常数取值如下:

Cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，βκ=1.0，βε=1.3。

2.3.2 边界条件

司机室分配箱的入口采用速度入口边界条件，流量为800 m3/h，速度为7.77 m/s，分配箱的所有出口均采用压力出口边界条件，参考压力值设置为0 Pa。

3 分配箱仿真结果与分析

通过对上述分配箱物理模型进行前处理之后，开始对其进行求解上述控制方程，速度和压力的耦合迭代利用SIMPLE算法处理，应用二阶迎风格式对动量方程和能量方程进行离散化。在计算过程中，所有变量的残差设置为10-5，此外对分配箱的出口的流量进行监控，当所有变量的残差小于10-5或者监测的物理量稳定不变时结束计算。

3.1 分配箱初始结构仿真

图4与图5分别给出了司机室空调分配箱的流线图、速度云图和压力云图。从图4可以看出：空气从分配箱入口进入后，迅速从其上表面出口流出(out1～out10)，而由于out9～out10离分配箱入口较远，因而到达侧窗出风口out9和out10的空气非常少。从图5可以看出，分配箱内部的压力最大点处在分配箱的上表面，这是因为空气从分配箱入口以较大速度喷出，直接击打在上壁面处，速度迅速降低，动压迅速转化为静压所致。

图4 司机室分配箱流线图

(a)分配箱不同x、y截面速度云图

图6为不同出风口的风量统计。从图中可以看出：靠近分配箱入口的out4和out5的风量分别为152.3 m3/h和152.4 m3/h，远大于其余出风口。风量最小的出风口为out9和out10，仅分别为15.2 m3/h和15.4 m3/h。该分配箱初始方案送风均匀性极差，无法满足舒适性要求，因此需要对其进行进一步优化。

图6 各出风口的风量统计

3.2 分配箱优化结构仿真

司机室空调分配箱的初始方案送风极度不均匀，为了提升送风均匀性，尤其是提高侧窗风道的出风量，在分配箱内部设立导流板。经过多次优化，最终确定的结构如图7所示：通过在分配箱内部设立5块导流挡板，将风量按比例输送至各个出风口。此外，为了降低由于增加导流挡板而引起的压力损失，在导流板拐弯处以圆弧过渡。

图7 司机室分配箱结构优化后模型

通过对优化后的模型进行仿真计算，分配箱内部的流线图和速度云图如图8和图9所示：在增加导流挡板后，各个出风口的流量差异显著减小，此时由于侧窗风道流量的增加，司机室分配箱风速的最大值发生在两侧的管道内。

图8 分配箱内部流线图

图9 分配箱不同x、y截面速度云图

图10为分配箱结构优化后，各出风口的风量统计。从图中可以看出，优化后，各出风口的风量波动显著降低，其中侧窗出风口out 9和out 10的风量从15.3 m3/h上升到了98 m3/h。侧窗的送风均匀性得到了明显的改善。

图10 各出风口风量统计

3.3 优化前后对比分析

图11为优化前后司机室分配箱各个出风口的风量对比。在增加导流挡板之后，出口风量的最大值从152.5 m3/h下降至98.7 m3/h。从图中可以看出：优化后的出风口风量波动明显降低，其中侧窗出风口out9和out10的流量大幅度增加，优化前后，分配箱出风口的最大送风偏差从38.3%降低至16.1%，大幅度提升了司机室的整体送风均匀性。

图11 优化前后出风口风量对比

4 结论

本文对某项目的司机室空调分配箱进行了CFD仿真优化，通过在分配箱内部加入导流板，经过大量仿真分析，得到了送风均匀性良好的分配箱结构。本研究在该司机室分配箱设计初期就对其进行了仿真优化设计，在后续的试验验证过程中，只需要对该分配箱结构进行微调即能够得到较为理想的送风均匀性，既缩短了试验周期，又节省了成本。

1)通过采用仿真计算的方法对司机室分配箱进行计算仿真，研究其内部的压力和速度变化，对分配箱设计提供技术指导。

2)通过对初始分配箱结构进行仿真计算，分析其内部流场，发现分配箱内部增加导流板可以有效提升其送风均匀性。

3)采用流场仿真分析手段优化分配箱结构，可有效地降低试验周期和成本。