羅江果 ，劉智遠(yuǎn) ，李 行 ，肖云華 ，李仕林 ，楊天智

(1.大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)系統(tǒng)集成國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412000；2.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

隨著我國(guó)軌道交通的快速發(fā)展，對(duì)軌道車(chē)輛的舒適性提出了更高的要求?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng)作為直接影響人體感官的系統(tǒng)，受到廣泛的關(guān)注。早些年對(duì)于風(fēng)道送風(fēng)均勻性的研究主要以試驗(yàn)為主[1-2]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)[3](Computational fluid dynamics，CFD)已經(jīng)成為了研究和優(yōu)化車(chē)輛通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一種主要方式，相對(duì)于傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法，采用CFD方法能夠大幅度降低試驗(yàn)成本和周期，在軌道交通領(lǐng)域得到了廣泛利用。目前諸多學(xué)者[4-8]對(duì)不同類型的軌道交通車(chē)輛的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真優(yōu)化。

蒲棟[9]提出了一種用于提升動(dòng)車(chē)組風(fēng)道散流器送風(fēng)均勻性的計(jì)算方法，通過(guò)使用該方法對(duì)散流器進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)值和仿真值僅相差0.76%。孫術(shù)娟等[10]通過(guò)在優(yōu)化地鐵客車(chē)風(fēng)道內(nèi)部的孔板位置和孔隙率的大小，提升了風(fēng)道的送風(fēng)均勻性，改善了客室內(nèi)部的舒適性。夏春晶等人[7]通過(guò)調(diào)整地鐵客室主風(fēng)道和送風(fēng)格柵的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)道均勻性的提升。

已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)地鐵車(chē)輛通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真優(yōu)化，絕大多數(shù)側(cè)重于客室風(fēng)道的仿真優(yōu)化，鮮有學(xué)者對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛司機(jī)室分配箱送風(fēng)均勻性進(jìn)行研究。而司機(jī)室舒適性對(duì)司機(jī)的駕駛狀態(tài)有直接影響。隨著司機(jī)室設(shè)備的日益增多，風(fēng)道的結(jié)構(gòu)和空間需要根據(jù)其他設(shè)備的布置而發(fā)生改變，對(duì)于機(jī)車(chē)車(chē)輛而言，司機(jī)室分配箱需要同時(shí)向前窗和側(cè)窗供風(fēng)，如何優(yōu)化司機(jī)室空調(diào)分配箱對(duì)于整個(gè)司機(jī)室的均勻性提升具有重要意義。

在本項(xiàng)目中，司機(jī)室空調(diào)分配箱需要同時(shí)向司機(jī)室前窗和側(cè)窗供風(fēng)，空調(diào)出風(fēng)在經(jīng)過(guò)分配箱后，通過(guò)風(fēng)道分別達(dá)到前窗和側(cè)窗。本文采用CFD仿真手段，對(duì)該分配箱進(jìn)行了仿真優(yōu)化，通過(guò)在分配箱內(nèi)部增加導(dǎo)流板和調(diào)整導(dǎo)流板位置，最終得到了較為理想的送風(fēng)結(jié)果。

2 分配箱物理及數(shù)值模型

2.1 分配箱物理模型

圖1為司機(jī)室空調(diào)分配箱的物理模型，從圖1可以看出：從空調(diào)中送出的空氣從分配箱的入口進(jìn)入，隨后通過(guò)出風(fēng)口向前窗送風(fēng)和側(cè)窗送風(fēng)。由于送至側(cè)窗的風(fēng)道較長(zhǎng)，阻力大，而至前窗的風(fēng)道較短，阻力小。因此，在初始分配箱結(jié)構(gòu)下很難保證各個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)量均勻性。本文旨在通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)該分配箱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升各個(gè)出風(fēng)口的送風(fēng)均勻性，從而改善司機(jī)室內(nèi)部的舒適性，與此同時(shí)，能夠?yàn)楹罄m(xù)的分配箱設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

圖1 司機(jī)室分配箱示意圖

2.2 數(shù)值模型

通過(guò)對(duì)圖1中的幾何模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理之后，對(duì)流體計(jì)算域進(jìn)行建模，建立后的幾何模型如圖2所示，該模型包括1個(gè)進(jìn)風(fēng)口，10個(gè)出風(fēng)口，編號(hào)為out1～out10，其中前窗出風(fēng)口8個(gè)，側(cè)窗出風(fēng)口2個(gè)。

圖2 司機(jī)室分配箱的幾何模型

本文采用以六面體網(wǎng)格為主的劃分方法對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化處理，生成的網(wǎng)格如圖3所示，為了得到更加精確的結(jié)果，對(duì)進(jìn)出口和細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部加密，整體網(wǎng)格質(zhì)量較高，網(wǎng)格總數(shù)目為113萬(wàn)。

圖3 司機(jī)室分配箱網(wǎng)格劃分

2.3 計(jì)算模型邊界條件設(shè)置

2.3.1 數(shù)學(xué)模型

由于本文中分配箱內(nèi)部的雷諾數(shù)要大于2 300，其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)已經(jīng)處于湍流狀態(tài)，故采取standard κ-ε湍流模型進(jìn)行求解，且分配箱的近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)化壁面函數(shù)進(jìn)行處理。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數(shù)取值如下:

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

2.3.2 邊界條件

司機(jī)室分配箱的入口采用速度入口邊界條件，流量為800 m3/h，速度為7.77 m/s，分配箱的所有出口均采用壓力出口邊界條件，參考?jí)毫χ翟O(shè)置為0 Pa。

3 分配箱仿真結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)上述分配箱物理模型進(jìn)行前處理之后，開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行求解上述控制方程，速度和壓力的耦合迭代利用SIMPLE算法處理，應(yīng)用二階迎風(fēng)格式對(duì)動(dòng)量方程和能量方程進(jìn)行離散化。在計(jì)算過(guò)程中，所有變量的殘差設(shè)置為10-5，此外對(duì)分配箱的出口的流量進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)所有變量的殘差小于10-5或者監(jiān)測(cè)的物理量穩(wěn)定不變時(shí)結(jié)束計(jì)算。

3.1 分配箱初始結(jié)構(gòu)仿真

圖4與圖5分別給出了司機(jī)室空調(diào)分配箱的流線圖、速度云圖和壓力云圖。從圖4可以看出：空氣從分配箱入口進(jìn)入后，迅速?gòu)钠渖媳砻娉隹诹鞒?out1～out10)，而由于out9～out10離分配箱入口較遠(yuǎn)，因而到達(dá)側(cè)窗出風(fēng)口out9和out10的空氣非常少。從圖5可以看出，分配箱內(nèi)部的壓力最大點(diǎn)處在分配箱的上表面，這是因?yàn)榭諝鈴姆峙湎淙肟谝暂^大速度噴出，直接擊打在上壁面處，速度迅速降低，動(dòng)壓迅速轉(zhuǎn)化為靜壓所致。

圖4 司機(jī)室分配箱流線圖

(a)分配箱不同x、y截面速度云圖

圖6為不同出風(fēng)口的風(fēng)量統(tǒng)計(jì)。從圖中可以看出：靠近分配箱入口的out4和out5的風(fēng)量分別為152.3 m3/h和152.4 m3/h，遠(yuǎn)大于其余出風(fēng)口。風(fēng)量最小的出風(fēng)口為out9和out10，僅分別為15.2 m3/h和15.4 m3/h。該分配箱初始方案送風(fēng)均勻性極差，無(wú)法滿足舒適性要求，因此需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

圖6 各出風(fēng)口的風(fēng)量統(tǒng)計(jì)

3.2 分配箱優(yōu)化結(jié)構(gòu)仿真

司機(jī)室空調(diào)分配箱的初始方案送風(fēng)極度不均勻，為了提升送風(fēng)均勻性，尤其是提高側(cè)窗風(fēng)道的出風(fēng)量，在分配箱內(nèi)部設(shè)立導(dǎo)流板。經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化，最終確定的結(jié)構(gòu)如圖7所示：通過(guò)在分配箱內(nèi)部設(shè)立5塊導(dǎo)流擋板，將風(fēng)量按比例輸送至各個(gè)出風(fēng)口。此外，為了降低由于增加導(dǎo)流擋板而引起的壓力損失，在導(dǎo)流板拐彎處以圓弧過(guò)渡。

圖7 司機(jī)室分配箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化后模型

通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分配箱內(nèi)部的流線圖和速度云圖如圖8和圖9所示：在增加導(dǎo)流擋板后，各個(gè)出風(fēng)口的流量差異顯著減小，此時(shí)由于側(cè)窗風(fēng)道流量的增加，司機(jī)室分配箱風(fēng)速的最大值發(fā)生在兩側(cè)的管道內(nèi)。

圖8 分配箱內(nèi)部流線圖

圖9 分配箱不同x、y截面速度云圖

圖10為分配箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，各出風(fēng)口的風(fēng)量統(tǒng)計(jì)。從圖中可以看出，優(yōu)化后，各出風(fēng)口的風(fēng)量波動(dòng)顯著降低，其中側(cè)窗出風(fēng)口out 9和out 10的風(fēng)量從15.3 m3/h上升到了98 m3/h。側(cè)窗的送風(fēng)均勻性得到了明顯的改善。

圖10 各出風(fēng)口風(fēng)量統(tǒng)計(jì)

3.3 優(yōu)化前后對(duì)比分析

圖11為優(yōu)化前后司機(jī)室分配箱各個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)量對(duì)比。在增加導(dǎo)流擋板之后，出口風(fēng)量的最大值從152.5 m3/h下降至98.7 m3/h。從圖中可以看出：優(yōu)化后的出風(fēng)口風(fēng)量波動(dòng)明顯降低，其中側(cè)窗出風(fēng)口out9和out10的流量大幅度增加，優(yōu)化前后，分配箱出風(fēng)口的最大送風(fēng)偏差從38.3%降低至16.1%，大幅度提升了司機(jī)室的整體送風(fēng)均勻性。

圖11 優(yōu)化前后出風(fēng)口風(fēng)量對(duì)比

4 結(jié)論

本文對(duì)某項(xiàng)目的司機(jī)室空調(diào)分配箱進(jìn)行了CFD仿真優(yōu)化，通過(guò)在分配箱內(nèi)部加入導(dǎo)流板，經(jīng)過(guò)大量仿真分析，得到了送風(fēng)均勻性良好的分配箱結(jié)構(gòu)。本研究在該司機(jī)室分配箱設(shè)計(jì)初期就對(duì)其進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，在后續(xù)的試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，只需要對(duì)該分配箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)即能夠得到較為理想的送風(fēng)均勻性，既縮短了試驗(yàn)周期，又節(jié)省了成本。

1)通過(guò)采用仿真計(jì)算的方法對(duì)司機(jī)室分配箱進(jìn)行計(jì)算仿真，研究其內(nèi)部的壓力和速度變化，對(duì)分配箱設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

2)通過(guò)對(duì)初始分配箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，分析其內(nèi)部流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)分配箱內(nèi)部增加導(dǎo)流板可以有效提升其送風(fēng)均勻性。

3)采用流場(chǎng)仿真分析手段優(yōu)化分配箱結(jié)構(gòu)，可有效地降低試驗(yàn)周期和成本。