軌道車輛空調送風風道優(yōu)化計算

浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 邢鵬 陳其功 王文坤 張克鵬

【關鍵字】：軌道車輛空調；送風風道；數值模擬；流量分配

0 引言

軌道車輛空調送風風道出風口的風量決定了車廂內部的氣流組織，直接影響車廂內的溫度、速度分布和車廂的熱舒適性[1-3]。因此，風道出風口的風量與理論風量的偏差是評價風道性能的重要指標，在實際的設計生產中要將偏差限制在一定范圍內，本文以某軌道車輛空調送風風道為研究對象，采用CFD方法計算風道的流量分配，并提出了優(yōu)化方案使其滿足設計要求。

1 研究對象

空調送風風道安裝在車廂的頂部，風道上部的進風口與雙蝸殼離心風機相連，底部的出風口短管與乘客室相連。本次計算選用的風道模型如圖1所示，風道為靜壓風道，總長16.84m，總寬1.39m，高0.165m。單側風道有兩個進口，進口處設置有導流板，導流板將進口的氣流分為三路，第一路流向風道的兩端，從風道兩端底部的出風口流出，此流路上設置有兩塊網孔板，尺寸分別為284×80mm、320×80mm，厚度1.2mm，圓孔直徑9mm；第二路從正對著進口的出風口流出；第三路流向風道中間區(qū)域，并從風道底部的出風口流出。風道內部出風口正上方設置有梯形的隔板，厚度約1.2mm，在出風口正上方的隔板處開相應數量的方形孔，方形孔尺寸為43.2×80mm，氣流穿過方形孔從相應的出風口流出。

圖1 風道的幾何模型

風道內部結構復雜，需簡化一些對流動影響微小的幾何特征，減少網格數量，提高網格質量，提高計算的收斂性和計算效率。風道內部的擋板和梯形隔板厚度1.2mm，相對于整個流道的尺寸而言非常小，厚度方向對流動的影響可以忽略，所以將其簡化為零厚度的面。流道中的網孔板厚度為1.2mm，網孔直徑9mm，如果要保留網孔板的全部幾何特征，則在劃分網格時需要將板厚方向的網格尺寸設置為小于1.2mm的值，此時網格總數驟增，耗費巨大的計算資源，卻對計算精度提高很小。由于網孔板很薄，可以忽略厚度方向對流動的影響，只需要考慮網孔板的孔徑和網孔板的尺寸對流動的影響，所以將網孔板簡化為零厚度的網孔面。

風道的三維結構中進口的尺寸為750×215mm，如果直接將此區(qū)域作為風道的進口，在邊界條件的設置中會引入誤差。因為在實際的裝配關系中，風道的進口與一臺雙蝸殼離心風機的出口直接連接，而蝸殼出口的尺寸僅為220×165mm，以蝸殼的出口尺寸作為風道進口的進口尺寸更符合實際情況。風機蝸殼出口與風道進口的示意圖如圖2所示。

圖2 風機出口與風道進口示意圖

經過對原始風道幾何模型的合理簡化，最終的風道計算模型如圖3所示。

圖3 風道的簡化模型

2 模型建立與計算設置

2.1 控制方程

風道進口馬赫數約為0.024，遠小于0.3，可以認為風道內部的流動是不可壓縮流動；由于風道的壁面貼有保溫棉，因此忽略風道與外界的換熱，此時風道內部的空氣溫度為恒定，且靜壓變化較小，所以計算中空氣的物性設為定值。風道進口雷諾數約為99000，因此認為風道內部為充分發(fā)展的湍流流動，也不考慮流動的瞬態(tài)效應，此時風道內部的定常不可壓縮雷諾時均N-S方程[4-5]如下：

本文計算采用Fluent軟件進行，Fluent軟件是基于有限體積法的CFD軟件，提供了靈活的網格特性，可以使用非結構化，包括三角形、四邊形、四面體、六面體、金字塔形網格來解決具有復雜外形的流動，也可以使用混合型非結構化網格。對于流動具有較大梯度的流動區(qū)域Fluent提供的網格自適應功能可以在很高的精度下獲得流場的解。

Fluent可用于二維平面、二維軸對稱和三維流動分析，可以完成多種類型的流動分析，定常與非定常流動分析、不可壓縮與可壓縮流計算、層流與湍流模擬、傳熱和熱混合分析、化學組分混合和反應分析、多相流分析、流固熱耦合分析、多孔介質計算等。同時提供了豐富的湍流模型及壁面處理方法，包括S-A模型、k-epsilon模型、k-omega模型、Reynolds應力模型、LES模型、標準壁面函數、可縮放壁面函數、增強型壁面函數等。

Fluent軟件豐富的物理模型和穩(wěn)健的求解器可以快速的解決工程中遇到的難題，在工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。

2.2 計算網格

計算域的網格質量是數值計算精度和計算速度的關鍵，對于復雜結構采用四面體網格能夠準確的捕捉幾何特征，防止幾何失真。本文選用四面體網格對計算域進行劃分，在擋板、梯形板和網孔板等速度梯度較大的區(qū)域進行網格加密，準確的捕捉幾何形狀，提高計算的準確性，網格總數為858萬，風道進口處計算網格模型如圖4。

圖4 風道進口處計算網格模型

2.3 計算邊界

風道計算的邊界條件設置如下：

（1）流動工質定義為19℃的空氣，常物性，定常湍流流動.

（2）進口給定速度邊界條件，方向垂直于入口邊界，指定湍流強度和水力直徑.

（3）出口給定壓力邊界，指定表壓，環(huán)境壓力設置為101325Pa.

（4）壁面指定為光滑絕熱壁面。

對流項采用二階迎風格式，擴散項采用中心差分格式，湍流模型選擇Realizablek-epsilon模型，壁面函數選擇標準壁面函數，選擇基于壓力的求解器。圖5是風道的出風口示意圖及出風口的編號，表1是具體的幾何尺寸及邊界參數。

圖5 風道出風口的編號

表1 幾何尺寸及邊界參數

3 計算結果對比及分析

3.1 原始結構與優(yōu)化方案計算結果對比

表2是原始結構的各個出風口的流量，從表中可以看出風道出風口1、3、5、13、15、16、18的流量與理論流量偏差較大，超出了±15%的范圍，風道最大阻力112.7Pa。

原始風道的結構不能滿足理論出風量的要求，因此需要調整風道的內部結構來調整各出風口的風量，本文主要通過封堵梯形隔板的開孔來調整流量。

首先，將整個風道分為5段，對各段的流量分配進行優(yōu)化，當每一段的流量分配滿足設計要求時，整個風道的出風量必然滿足設計要求。出風口1～3為第一段，出風口4為第二段，出風口5～13為第三段，出風口14為第四段，出風口15～18為第五段，對各段的隔板開孔進行封堵只會影響風量在各段內出風口的風量分配，并不會影響其他段出風口的風量。風量調整的基本原則為：需要增大某一出風口的風量，就要對組內其他出風口上方的隔板開孔進行封堵；需減小某一出風口的風量，就要對此出風口上方的開孔進行封堵。

表2 原始結構的計算結果及偏差

經過一系列的優(yōu)化方案計算，最終確定的優(yōu)化方案如下：

（1）在OUT2處，堵住靜壓腔第1、3、6個開孔；在OUT3處，堵住第1、5、6個開孔。

（2）在OUT5處，堵住第4、6個開孔；在OUT6處，堵住靜壓腔第8個開孔；在OUT12處，堵住第1個開孔；OUT13處，堵住第1、3個開孔。

（3）OUT15處，堵住第2、5、6個孔；在OUT16處，堵住靜壓腔第1、5、7個開孔；在OUT17處，堵住第3、5、9、10個開孔。

孔的編號順序與出風口編號增大的方向一致，最終優(yōu)化方案計算得到的出風口的風量如表3所示，各出風口的風量偏差已滿足設計要求。

表3 優(yōu)化結構的計算結果及偏差

outlet7 0 248.31 230 7.96 outlet8 0 133.31 130 2.55 outlet9 0 481.58 435 10.71 outlet10 0 137.77 130 5.98 outlet11 0 249.55 230 8.50 outlet12 0 256.27 230 11.42 outlet13 0 138.13 130 6.25 outlet14 0 403.48 435 -7.25 outlet15 0 136.18 130 4.75 outlet16 0 206.29 230 -10.31 outlet17 0 197.51 230 -14.12 outlet18 0 119.16 140 -14.89

3.2 計算結果分析

原始結構中出風口1的風量太小，通過對出風口2、3處隔板開孔的封堵，增大了出風口1的風量，圖6是出風口1上方Z=3.305m截面的Z向速度分量云圖，通過對比可以看出經過優(yōu)化后出風口1處右側三個孔的Z向速度明顯增大。

原始結構中，出風口18的風量嚴重不足，通過對出風口15、16、17處隔板開孔的調整，風量大幅增加，已滿足設計要求，Z向的速度分量分布如圖7所示。

圖8～圖11是優(yōu)化后的風道的X=-5.25m、-6.06m、-7.78m和Y=-0.51m截面的速度云圖和矢量圖，從圖中可以發(fā)現在進口導流板、網孔板附近流速較大，其余區(qū)域的風速基本在8m/s以下，較小的風速可以降低送風的噪音。

圖6 出風口1上方Z = 3.3m截面速度分布

圖7 出風口18上方Z = 3.3m截面速度分布

圖 8 X = -5.25 m 截面速度云圖和矢量圖

圖 9 X = -6.06 m 截面速度云圖和矢量圖

圖 10 X = -7.78 m 截面速度云圖和矢量圖

圖 11 Y = -0.51 m 截面速度云圖和矢量圖

4 結論

本文采用CFD方法對風道的流量分配進行了計算，并對風道結構進行優(yōu)化，減小了實際風量與理論出風量的偏差，同時得到以下結論：

（1）通過調整風道內部隔板的開孔面積可以實現對出風口風量的調節(jié)。

（2）經過優(yōu)化后的風道，仿真計算的出風量與理論出風量的偏差在±15%以內。