铁路空调发电车夏季车内流场CFD 仿真

史殿新，马颖珊，温佳澄，聂春戈，李健，陶然

(1.116028 辽宁省 大连市 大连交通大学 机车车辆工程学院；2.430074 湖北省 武汉市 华中科技大学 武汉光电国家研究中心；3.116028 辽宁省 大连市 大连交通大学 艺术学院)

0 引言

空调发电车作为专门为旅客列车提供电力的车厢，是客运列车的重要组成部分。发电车本质上是一种特种车辆，当前空调发电车一般是以25T 或25G 车型改造出来的，发电车依靠燃油进行发电，而且一般整列车厢处于密封状态，因而在长时间运行工作下，发电机会产生大量热量，室内热环境指标较差，发电机机身温度高达700 ℃左右，发电车车内温度可达70 ℃左右。工作人员在工作过程中伴随着高温、高噪声振动及有害物质污染，工作环境极其恶劣，尤其是在炎热季节。长期在这种环境下工作，会对工作人员身体产生影响，引发一些疾病[1]。为此，我们需要通过空调设备来对发电车车厢内进行换风和降温，以改善工作人员的工作环境。

随着计算机技术的不断发展，CFD（计算流体力学）技术已经成为模拟仿真列车车厢流场分布、研究车厢内热舒适性、分析改进空调送风系统的主要方法。李洪民[2]、张登春[3]研究了空调硬座列车车内的流场和温度场；杨如辉等[4]、刘志永等[5]以及Sun 等[6]研究了空调列车软卧车厢的气流分布和热环境；陈宁等[7]、王烨等[8-9]对高原空调列车车内流场和温度场进行数值分析，开展相关研究；林鹏等[10]基于CFD 理论，研究发电列车车下燃油箱的保温性能。但是关于发电车内流场的分析，目前很少有人研究。本文应用Fluent 软件，以25 型空调发电车为研究对象，对其在夏季工况下的速度场和温度场进行数值模拟，着重研究了送风温度和送风速度对发电车车内速度场和温度场的影响，为后续优化发电车车内气流组织和舒适性奠定基础。

1 基本原理及计算模型

1.1 计算流体力学基本原理

发电车车厢内空气流动满足流动基本方程，即质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，而CFD 则是在流动基本方程控制下对流动的数值模拟。通过CFD 数值模拟，可以得到复杂流场内速度、压力和温度等基本物理量的分布情况。在发电车运行过程中，其室内空气流动和热传递可以通过CFD 进行数值模拟。

为了方便计算，假设发电车厢内的空气和空调通风系统内空气低速流动并且不可压缩，且符合Boussinep 假设；发电车厢内空气的流动看作稳态流动；忽略车厢内固体壁面间的热辐射；发电车车厢气密性好，忽略漏风因素。

判断发电车车厢内空气流动的状态，雷诺数计算公式为

式中：ρ——流体密度；μ——流体粘性系数；v——流体流动的平均速度；D——特征常数，取流动通道的直径尺寸。计算可得雷诺数Re＞4 000，因此发电车车内气体模型可以视为湍流模型。

Fluent 中湍流计算模型有很多种，包括单方程（Spalart-Allmaras）模型、双方程模型（标准k-ε模型、RNGk-ε模型、可实现k-ε模型）以及Reynolds 应力模型和大涡模型。本文计算属于室内空气流场计算，采用标准k-ε模型，利用SIMPLE 算法求解。标准k-ε模型的湍流动能k 和湍流耗散率ε方程为

式中：Gk——由平均速度梯度引起的湍动能产生项；Gb——由浮力影响引起的湍动能的产生项；YM——可压湍流脉动膨胀对总耗散率的影响；C1ε、C2ε、C3ε——经验常数，本文取C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；σk、σε——k 和ε对应的Prandtl 数；Sk、Sε——用户定义的源项；μt——湍流粘度，。

1.2 计算模型

发电车车厢内分为储油间、发电间、配电间、休息间、材料工具间等，因而发电车具有非对称的车厢内布局。发电车内有电气控制柜、发电机组、液压管路、材料柜、制动装置、整流装置等关键零、部件，休息间设有两层半软铺位供工作人员休息，其中发电机组和电气控制柜是主要热源，休息床铺和材料柜对流场有较大影响，其余部件对车厢内流场影响可忽略不计，因而模拟时不做考虑；本文发电车车体长度为25 500 mm，宽度为3 110 mm，最大高度为4 400 mm，将发电车车体及内部设备进行简化，利用SolidWorks 软件建立发电车简化几何模型如图1 所示。

图1 发电车车厢几何模型Fig.1 Geometric model of generator train

列车外部空气通过空调系统加热或制冷后，经主风道通过各支风道送入车厢。空调系统的风道一般与车厢长度相近，风道中的风速较低，送风过程必然会损失一部分能量，故空调系统的送风过程不能省略。本文空调系统安置在车厢顶部，主要由进风口、主风道、支风道、导流板和隔板组成，长度为20 466 mm，其仿真模型如图2 所示。

图2 空调系统仿真模型Fig.2 Simulation model of air conditioning system

发电车车厢及空调系统的面网格采用三角形单元网格划分，车体及空调系统内部流体网格采用四面体单元划分。为了更准确地模拟发电车车厢内的气流组织分布，将发电机组、电气控制柜、床铺和材料柜区域进行网格加密处理，有限元模型网格总数为5 189 149 个，车厢和空调系统等2D 网格的最小雅可比值（jacobian）为1，翘曲度（warpage）最大值为0，歪斜度（skew）最大值为0，网格质量满足计算要求，整体发电车仿真模型如图3 所示。

图3 整体发电车仿真模型Fig.3 Overall simulation model of generator train

发电车边界条件设置如下：

（1）车厢内外计算参数：本文对夏季工况下发电车车厢进行分析，车厢外界温度设为35 ℃，车厢内壁面温度设为26.85 ℃。

（2）壁面边界条件：车窗、导流板、风道，边界条件为wall，设置材料为aluminum；侧墙、端墙、车底、车顶，边界条件为wall，设置材料为steel。车底综合传热系数为0.54 W/(m2·K)，侧墙综合传热系数设置为0.58 W/(m2·K)，车顶综合传热系数设置为1.33 W/(m2·K)，车窗综合传热系数设置为1.4 W/(m2·K)[11]，端墙、休息铺位、材料柜设为绝热壁面，即综合传热系数为0。

（3）风口边界条件：送风口设为速度入口（velocity-inlet），每个送风口参数一致，送风参数根据具体工况确定，各工况送风参数见表1；出风口设为压力出口（pressure-outlet），每个出风口参数一致。

表1 空调系统5 种工况下的送风参数Tab.1 Air supply parameters of air conditioning system under five working conditions

（4）热源边界条件：发电机组功率设为160 kW/台，柴油发电机组在运行时，效率大约为33%，有70%左右的能量没有得到充分利用，其中10%左右的能量扩散到发电车车厢内[12]，因而柴油发电机组发热量为48.5 kW。电气控制柜发热量设为1.5 kW[13]。将柴油发电机组和电气控制柜简化为面热源。面热源的热流密度计算公式如式(4)：

式中：P——热源的热流密度；p——面热源的发热量；V——面热源的散热面积。

2 计算结果及分析

GBZ 1-2010《工业企业设计卫生标准 》规定，夏季特殊高温作业室内外温差不应超过2 ℃，高温作业车间的工间休息室温度应≤30 ℃，设有空气调节的休息室室内气温应保持在24～28 ℃。

本文采用CFD 软件Fluent 进行数值模拟，仿真计算了柴油发电机组和空调系统运行过程中发电车车厢内的空气流动状况，对不同工况下的速度场、温度场等结果进行对比分析。由于发电车车厢较大，室内气流组织为大体积的三维空气流场，结果分析时只能选取一些典型截面。在车厢高度方向选取截面a（z=0.1 m 截面即工作人员站立时脚部截面）和截面b（z=1.7 m 处截面即工作人员站立时头部截面），在车厢长度方向选取一个截面c（休息间宽度方向中心截面）。

2.1 送风温度影响

选取工况1、2、3 进行数值模拟，分析送风温度对发电车散热影响。空调系统送出的冷气流从车厢送风口以射流形式进入车室，由于送风气流与车厢内气流温度不同，因而两者的密度不同，送风气流会逐渐向下流动，最终从各出风口送出。

图4 上方温度条表示截面a、b 的温度云图范围为26～46 ℃，自上而下分别为工况1—工况3 的各截图温度云图。从图4 可以发现，受发电机组和电气控制柜等热源影响，发电机组和电气控制柜附近区域温度较高，最高温度出现在发电机组的表面。在工况3 发电机组表面温度最高，为45.57 ℃；对比图4 中3 个工况的温度云图不难看出，随着送风温度的升高，车厢内的温度均匀性有所提高。在送风温度为22 ℃时，车厢内发电间、配电间等大部分区域温度在34.42 ℃左右，满足室内外温差小于2 ℃的标准要求。

图4 工况1、2、3 的截面a、b 温度云图Fig.4 Temperature nephogram of section a and b of working conditions 1,2 and 3

观察图5 可以看出，下沉的送风气流和车厢两侧贴壁气流进行对流换热，由于车窗处的对流换热系数较高，故气流在车窗附近形成涡旋，因而车窗附近区域风速较高；由于发电间和配电间热源的存在，热源区域空气与周围空气进行换热，使得热源周围风速较高；由于货架的遮挡作用，气流在货架处形成涡旋，速度较高，而货架中的风速较低；由于出风口原因，在截面a 处3 个出风口附近的风速较高。对比图5 中3 个工况的速度云图可以看出，送风温度的变化对车厢内速度场没有明显影响。

图5 工况1、2、3 的截面a、b 速度云图Fig.5 Velocity nephogram of section a and b under working conditions 1,2 and 3

从图6 可以更直观地看出冷空气从空调系统中进入车厢，与车厢中的空气进行换热。由于床铺的遮挡作用，下铺区域的换气效果较差，故温度较高；由于休息间设有出风口，下铺与地面之间区域的空气流通较好，故温度较低；上铺区域由于直面车厢送风口，故在车厢送风口一侧的上铺区域温度相对较低。工况1 中休息室温度为27.76～29.83 ℃，休息室最高温度与标准要求相差1.83 ℃；工况2中休息室温度在29.14～31.90 ℃，休息室最高温度与标准要求相差3.90 ℃；工况3 中休息室温度在30.52～33.28 ℃，休息室最高温度与标准要求相差5.28 ℃；通过对比不难发现，随着送风温度的降低，休息室内的温度有了一定的下降，需降低送风温度满足标准要求。

图6 工况1、2、3 的截面 c 温度云图Fig.6 Temperature nephogram of section c under working conditions 1,2 and 3

通过对比分析，随着送风温度的提高，发电车车厢内的热环境相对更均匀稳定，对于设备的安全运行有一定的帮助，同时减少能耗。当送风温度为22 ℃时，车厢内大部分区域在34.42 ℃左右，满足室内外温差标准；而降低送风温度时，休息间的温度也随之降低，更加接近标准休息间温度，对于在休息间休息的工作人员更加友好。

2.2 送风速度影响

选取工况2、4、5 进行数值模拟，分析送风速度对发电车散热影响。从图7 可见，工况4 下的车厢内温度范围在30.21～41.79 ℃，截面a、截面b 温差在1.1～1.9 ℃；工况2 的车厢内温度范围在28.11～40.74 ℃，截面a、截面b 温差在1.1～2.1 ℃；工况5 下的车厢内温度范围在27.05～39.68 ℃，截面a、截面b 温差在1.0～2.8 ℃；不难看出，随着送风速度的增加，车厢内各个位置温度均有下降，热源影响区域同时减少；但工况4 中，车厢整体的热环境均匀性较好，车厢大部分区域在33.37 ℃左右，满足室内外温差小于2 ℃标准要求。

图7 工况4、2、5 的截面a、b 温度云图Fig.7 Temperature nephogram of section a and section b under working conditions 4,2 and 5

观察图8 发现，随着送风速度的增加，车厢内的速度场并没有明显的变化，这是由于车室内热源的影响，送风气流进入车厢形成涡旋，与热源影响区域进行对流换热，送风气流对车厢下方流场影响较小，故虽然送风速度增加，但对车厢内速度场影响不大，即对车厢内温度场影响程度几乎相同。

图8 工况4、2、5 的截面a、b 速度云图Fig.8 Velocity nephogram of section a and section b under working conditions 4,2 and 5

观察图9 可以更直观地看出，空调系统的冷气流进入车厢，在车厢上方形成2 个涡旋；随着送风速度的提高，车厢内的温度降低，送风速度提高0.5 m/s，车厢内温度普遍下降1.5 ℃左右；工况4 休息间温度范围在30.52～33.28 ℃，工况2 休息间温度范围在29.14～31.90 ℃，工况5 休息间温度范围在27.76～29.83 ℃，可以看出当送风速度为4 m/s 时，休息间的温度最接近标准温度范围。

图9 工况4、2、5 的截面c 温度云图Fig.9 Temperature nephogram of section c under working conditions 4,2 and 5

3 结论

本文以25 型空调发电车为研究对象，利用Fluent 软件对发电车车厢内的流场和温度场进行数值模拟，通过调节空调系统送风参数探究送风速度和温度对发电车厢内流场及温度场影响，结果表明：

（1）送风温度的变化对发电车车厢速度场的影响不大，但随着送风温度的增加，发电车车厢内的整体热环境较好，在实际应用中送风温度的提高也会减小能耗，当送风温度为22 ℃时，车厢内大部分区域在34.42 ℃左右，满足标准要求；但同时较高的送风温度会使得休息间的温度远高于标准要求，当送风温度为18℃时，休息间的温度范围接近标准温度。（2）由于热源影响较大，送风速度的增加并不会对发电车车厢速度场产生明显的影响，较小的送风速度反而有利于维持车厢内热环境的均匀性，当送风速度为3 m/s 时，车厢内大部分区域在33.37 ℃左右，满足标准要求；同样的，较小的送风速度使得车厢内的温度普遍提高，当送风速度为4 m/s 时，休息间的温度范围接近标准温度。（3）在实际应用中需要综合考虑工作人员的需求和设备运行所需的稳定热环境以及发电车能耗，合理设置送风温度和送风速度，可以采取在休息间增加风扇等措施，单独降低休息间的温度，改善工作人员的休息环境。

本文是在给定的送风参数开展的模拟计算，计算结果所反映的现象与实际情况的接近程度，还需要后续的实车测试结果进行对比验证。