某地铁车辆客室送风道送风均匀性优化分析
2023-02-12王常宇单红娜
王常宇 单红娜
(1.中车长春轨道客车股份有限公司，130062，长春； 2.长春市轨道交通集团有限公司，130022，长春∥第一作者，高级工程师)
随着我国城市轨道交通的不断发展, 对地铁车厢内乘客热舒适性的研究备受关注[1-2]。客室空调送风道良好的送风均匀性是决定乘客舒适性的重要指标，因此合理设计空调送风道成为了整个空调系统设计中较为重要的环节。文献[3]分析了带有静压腔式空调送风道的送风原理及结构，提出了在送风道内增加扰流板的改进建议。
本文对某地铁车辆客室送风道进行仿真分析与模拟计算, 获得了送风均匀性气流组织云图、各段送风口的质量流量，以及各段送风口与整体送风口平均值的相对误差的标准差;此外，对初始送风道结构进行了优化，优化后的客室送风道送风均匀性有所提高。本研究可为空调送风系统的优化设计提供重要的理论依据。
1 研究对象及计算模型建立
1.1 研究对象
本文的研究对象为某地铁车辆客室送风道。初始送风道结构如图1所示：气流由进风口进入风道静压腔，经静压腔隔板条缝进入主风道，最后由送风口送往客室。
图1 初始送风道结构Fig.1 Initial air delivery duct structure
1.2 建立计算模型
为了更真实地模拟送风道的送风情况，计算建模包含客室区域。进风口及回风口模型如图2所示。经风道进风口进入地铁车辆客室的气流在客室循环后，由回风口流出。为了便于后续对送风均匀性指标进行评价，对风道出风口进行简要划分，从送风口1开始，每隔600 mm设置1个送风口，共设置15个送风口(送风口1—送风口15)，其模型如图3所示。
图2 进风口及回风口模型Fig.2 Model of air inlet and return air inlet
图3 送风口模型Fig.3 Model of air outlet
在Pointwise软件中简化上述三维模型，在STAR-CCM+软件中进行计算模型的前处理工作。为提高计算准确度且考虑到计算模型的收敛性问题，本次计算采用的体网格数量约为500万个。
1.3 评价指标
基于送风均匀性气流组织云图、各段送风口质量流量及各段送风口与整体送风口平均值的相对误差的标准差等评价参数，评价客室送风道的送风均匀性。
1.4 边界条件设定
边界条件设定为：① 空气在风道中的流动为湍流，空气密度不变且不考虑空气的温度变化，风道壁面设为绝热；② 根据设计要求，每个进风口的体积流量为2 000 m3/h，为了便于计算，在标准大气压密度为1.29 kg/m3的条件下，将进风口的体积流量换算为质量流量，并将进风口空气流量设置为质量流量，取值为0.718 kg/s，回风口空气压力设置为相对压力，取为0。
2 初始送风道结构
各段送风口的评价参数如表1所示，其中各段送风口与整体送风口平均值的相对误差的标准差为0.635。初始送风道的速度云图(主视图)如图4所示。由表1和图4可知，送风道靠近机组下方的送风口气流流速较小，而送风道端部区域气流速度较大，送风均匀性较差。
表1 各段送风口的评价参数Tab.1 Evaluation parameters of each sectional air supply outlet
图4 初始送风道的送风速度云图(主视图)
3 优化后的送风道结构
针对客室两端送风速度较大且整体送风不均匀的问题，将主风道优化为变间距结构。为了使静压腔内的气流更为均匀地送入客室，并减小送风道两端的送风量，取消静压腔内的挡板设计。同时，考虑到送风道内的安装可行性问题，从一位侧主风道隔板和二位侧主风道隔板起始端开始，在两侧主风道隔板间每隔500 mm布置一个挡板，优化后的送风道结构如图5所示。优化送风道结构后，各送风口的质量流量和相对误差如表2所示，其中各段送风口与整体送风口平均值的相对误差的标准差为0.535。优化后送风道的送风速度云图(主视图)如图6所示。
图5 优化后的送风道结构Fig.5 Optimized air delivery duct structure
表2 优化送风道结构后各送风口的质量流量和相对误差
图6 优化后送风道的送风速度云图(主视图)
4 结语
本文通过改进送风道结构及增加主风道内隔板的方法对初始送风道结构进行优化，获得如下结论：
1) 初始送风道结构的端部气流速度较大，优化后的送风道采用变间距结构，越靠近端部的送风道越窄，从而降低了端部流速及流量值。
2) 由于端部气流速度较大，初始送风道结构的送风速度较大，送风均匀性较差，优化后的送风道由一位侧主风道隔板和二位侧主风道隔板起始端开始，在两侧主风道隔板间每隔500 mm间距均匀布置挡板，计算获得的各段送风口的质量流量更接近于整体送风口质量流量平均值，其相对误差的标准差也有所减小，说明优化后送风道的送风均匀性更优。
