B型地铁车辆空调系统气流组织数值模拟研究

刘 晶　李宁宁　巨子琪

摘 要：采用Gambit软件建立B型地铁列车三维模型，并用Gambit软件进行网格划分，建立边界条件;利用计算流体动力学（CFD）软件Fluent，应用k-ε两方程湍流模型对气流组织进行了数值计算。讨论了在相同送风量的条件下，不同送风风速对车厢内温度场和速度场的影响。

关键词：地铁车辆;气流组织，数字模拟

中图分类号：U270.38+3 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）05-0149-05

Numerical simulation of air distribution in air conditioning system of Type B metro vehicles

Abstract：
This paper uses gambit software to build a three-dimensional model of Type B subway train， and uses gambit software to mesh and establish boundary conditions. Using CFD software Fluent， the turbulence model of k-ε equation was used to calculate the airflow distribution. The paper discusses the influence of different air supply speeds on the temperature field and velocity field in the train compartment under the same air supply volume.

Key words：
metro vehicle;airflow organization;numerical simulation

當今社会经济的高速发展和人民生活质量的日益提高，地铁列车作为新型的交通工具，它的迅速发展，从某种角度来讲，代表一个城市的发达程度，因此地铁的发展必将受到高度重视。为满足旅客的舒适性要求，城市轨道车辆的气流组织系统也在逐步完善。车厢内的空调系统是影响旅客舒适性的主要因素。要保持车厢内温度均衡，还得使车厢内保持一定的微风速，这就必须要求车内气流组织设计具备合理性。

本论文采用Gambit软件建立B型地铁列车三维模型，并进行网格划分，建立边界条件;采用Fluent软件模拟上送上回送风方式下，送风速度对室内温度场和速度场的影响;通过模拟结果对后期地铁列车空调系统设计提供优化参数，进而得到满足人体舒适度的最佳送风速度。

1 数值模拟的物理及数学模型

1.1 物理模型

本论文研究的是B型车，其基本数据为：车高2.1 m，车体宽度为2.8 m，一节车长为19 m，由于地铁车厢的对称性，本文取9.5 m车长为研究对象。半截车厢一共有4个送风口，1个回风口，送风口长为720 mm宽为144 mm，回风口长度1 050 mm宽度450 mm，座椅的长度3 000 mm，宽度为500 mm，高度取50 mm。根据收集到的数据，用SOLIDWORKS画出正视图，如图1所示。

1.2 数学模型

任何形式的流体力学计算，都需要利用连续方程、动量方程、能量方程来计算。流体的流动和热交换作用方式，在自然界中本来就是一种非常复杂的物理现象，但是在现实生活中想要表达这类流体的流动和热交换的物理现象就必须使用数学方程。随着CFD理论的不断发展，以及计算机能力的提高。用于求解不同性质流体和不同动态流动的控制方程很好的补充3个基本方程的计算能力，极大提高了对流体的计算效率以及计算准确性。

1.2.1 连续方程

连续方程的原理即为质量守恒，物质不会凭空产生，也不会自然消失。如果将流体看作是连续物的介质，那么在其流过大小有限而空间位置不变、形状任意的外壳时，这时在单位时间内定性的物质体内质量的增加就是同一时间内流入物体内部气流的净质量[1]。根据此理论，得到连续方程如下：

式中：u、v、w分别表示流体在X、Y、Z方向上速度分量;ρ为流体密度，不可压缩的流体，它的密度变为常数，其连续方程表达为：

1.2.2 动量方程

动量方程式将流体看成无数个运动的微小团粒，牛顿第二定律可知，作用在无数个运动的微小团粒上的力就是体积力和表面力的总和，也就是团粒的力=团粒的质量×团粒加速度[2]。如果将空气质量忽略不计，可得流体动量方程：

式中，特别的是ρ是一个热力学变量[3]。

但对于可以压缩的流体，密度就会发生改变。假设空气是一种理想气体，得出流体压力公式[4]：

绝热方程为：

式中：P为流体压力;V表示速度矢量;R为气体常数;T 为绝热温度;CP为定压时的比热。

1.2.3 能量方程

能量方程物理学原理是能量守恒。流入微团内净热量的能量与微团体积力和表面力做功的功率之和就是流体微团内能量的变化率这是依据热力学第一定律而得出的理论，故结论出能量守恒方程[5]：

将公式（6）展开：

1.3 网格划分及数值求解方法

由于GAMBIT建模界面不友好，加之建模效率不高，因此一般采用 SOLIDWORKS建模并将之导入GAMBIT中。建好的SOLIDWORKS模型可以以“.igs”文件输出，在GAMBIT中用Import导此文件，注意选择Non stand-alone vertice，这样就不会发生壁面分层的现象了。

网格划分的数据，车厢（face1～face6）网格大小设置为0.05 mm，回风口网格划分大小0.03 mm，送风口网格划分大小0.02 mm。在计算机允许的条件下网格划分的越小，模拟数据越精确。

1.4 边界条件

网格划分完便开始边界条件的定义。其中将送风口边界条件设置为速度入口用“速度入口”表示，将出口边界条件设置为回风口用out表示，墙壁和座椅及车体表面全都算为固定值用Wall表示。其中入口in和出口out的速度都设为速度入口，但送风口为正值，送回风口为负值。

2 送风风速对气流组织的模拟研究与分析

随着社会经济的高速发展，城轨车辆已成为人们重要的出行工具。而地铁车辆的舒适性，也在日益提高。大量文献表示影响舒适性的主要原因是送风风速和送风温度。本文主要研究送风风速对气流组织的影响。

2.1 地铁内部空间气流分布云图

半截车厢一共有4个送风口，1个回风口，根据收集到的数据，计算出数个点位云图的坐标，在X轴上取0.8，1.6，2.4 m为X轴的研究对象，在Y轴分别取2，4，6，8 m，在Z轴取0.7 m和1.4 m画出各个点对应的坐标，得到想要模拟研究的云图，模拟时便可看出云图变化。模拟云图点坐标如表1所示。

为方便研究车厢内温度场、速度场的分布状况，分别在车辆长宽高方向选取有代表性的平面。在研究风速大小对气流组织的影响时，设置送风温度为固定值292 K，送风速度分别设置为1.5，2，2.5，3 m/s，速度场分布云图及速度矢量图，分别选取X=0.7 m，X=1.4 m，X=2.1 m，Y=3 m，Y=2 m，Y=4 m，Y=6 m，Z=0.7和Z=1.4 m的相应截面。

2.2 送风速度为1.5 m/s时的模拟云图

图形模拟好后，便可导入温度值进行模拟，此时显示温度场，温度不同颜色不同，由于温度的颜色变化较小，我们也可看压强图进行辨别。如图2～图5所示，温度为292 K，速度为1.5 m/s时的温度场和速度场的模拟图。

因为温度场用模拟云图表示图片直观并不明显，故将温度在Y轴上的4个面的分布情况的点图用以表示，如图6所示。

2.3 送风速度为2 m/s时的模拟云图

此时温度在Y轴上的4个面的分布情况如图7～图9所示。

2.4 送风速度为2.5 m/s时的模拟云图

送风速度为2.5 m/s时的模拟云图如图10～图11所示。

由于温度场模拟云图做出来效果颜色不是很明显，故用Plot点状云图表示，如图12～图13所示。

2.5 送风速度为3 m/s时的模拟云图

送风速度为3 m/s时的模拟云图如图14～图15所示。

3 模拟结果分析

（1）本模拟测得的结果为：通过对比送风速度在1.5、2、2.5、3 m/s时的温度速度分布云图，比较得出送风速度在2 m/s到2.5 m/s时温度变化最均匀，也是最符合人体适宜的温度的。在规定中：客室内气流速度应大于 0.07 m/s小于0.9 m/s，人员站立时头部区域（1.7 m）的风速应小于 0.30 m/s 。而当送风速度为 3 m/s 时，人体站立头部位置处风速超过 0.5 m/s，会有吹风感。因此空载时送风速度为2.5 m/s时的速度为最佳值，也可以看出送风速度越高时，热舒适性也就越低。因此送风速度不超过 3 m/s 为宜;

（2）空载时各模拟云图温度和气流分布较为均匀，与车厢内平均温度大抵相同。靠近回风口处的温度要比其他区域温度稍高一些，靠近回风口的气流速度也比远离回风口处的速度大一些。空载时车厢内流体平均温度比送风温度高 2～3 ℃;

（3）送风温度相同，当送风速度升高时，各个模拟面的风速也跟着升高。由于回风口压强原因会拥有吸附作用，靠近回风口处的气流速度比车厢内其地方更大一些。改变送风速度对车厢内温度场和速度场的影响较大。

【参考文献】

[1] 高秀峰，冯诗愚，郁永章，等.铁路空调客车内三维湍流流动及温度场的模拟研究[J].流体机械，2004，32（12）：57-60.

[2]张登春.铁路空调车内气流组织的 CFD模拟与模拟研究[J].流体机械，2004，32（5）：56-59.

[3]赵忠超，史自强，靳宜勇.空调列车室内气流的数值模拟与模拟研究[J].暖通空调，2004，34（10）：29-32.

[4]魏淑贤，沈跃，黄延军.计算流体力学的发展及应用[J].河北理工学院学报，2005，27（2）：115-117.

[5]周連第.船舶与海洋工程计算流体力学的研究进展与应用[J].空气动力学学报，1998，16（1）：122-131.

[6]尹晔东，王运东，费维场.计算流体力学（CFD）在化学工程中的应用[J].石化技术，2000，7（3）：166-169.

收稿日期：2021-07-26;修回日期：2022-04-25

作者简介：刘 晶（1989-），女，硕士，讲师，研究方向：轨道交通车辆空调;E-mail：497288508@qq.com。

基金项目：西安交通工程学院校内项目（项目编号：No.21KY-44）。

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