王常宇 單紅娜
(1.中車長春軌道客車股份有限公司,130062,長春; 2.長春市軌道交通集團有限公司,130022,長春∥第一作者,高級工程師)
隨著我國城市軌道交通的不斷發(fā)展, 對地鐵車廂內(nèi)乘客熱舒適性的研究備受關(guān)注[1-2]??褪铱照{(diào)送風(fēng)道良好的送風(fēng)均勻性是決定乘客舒適性的重要指標(biāo),因此合理設(shè)計空調(diào)送風(fēng)道成為了整個空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中較為重要的環(huán)節(jié)。文獻[3]分析了帶有靜壓腔式空調(diào)送風(fēng)道的送風(fēng)原理及結(jié)構(gòu),提出了在送風(fēng)道內(nèi)增加擾流板的改進建議。
本文對某地鐵車輛客室送風(fēng)道進行仿真分析與模擬計算, 獲得了送風(fēng)均勻性氣流組織云圖、各段送風(fēng)口的質(zhì)量流量,以及各段送風(fēng)口與整體送風(fēng)口平均值的相對誤差的標(biāo)準(zhǔn)差;此外,對初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,優(yōu)化后的客室送風(fēng)道送風(fēng)均勻性有所提高。本研究可為空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供重要的理論依據(jù)。
本文的研究對象為某地鐵車輛客室送風(fēng)道。初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖1所示:氣流由進風(fēng)口進入風(fēng)道靜壓腔,經(jīng)靜壓腔隔板條縫進入主風(fēng)道,最后由送風(fēng)口送往客室。
圖1 初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)Fig.1 Initial air delivery duct structure
為了更真實地模擬送風(fēng)道的送風(fēng)情況,計算建模包含客室區(qū)域。進風(fēng)口及回風(fēng)口模型如圖2所示。經(jīng)風(fēng)道進風(fēng)口進入地鐵車輛客室的氣流在客室循環(huán)后,由回風(fēng)口流出。為了便于后續(xù)對送風(fēng)均勻性指標(biāo)進行評價,對風(fēng)道出風(fēng)口進行簡要劃分,從送風(fēng)口1開始,每隔600 mm設(shè)置1個送風(fēng)口,共設(shè)置15個送風(fēng)口(送風(fēng)口1—送風(fēng)口15),其模型如圖3所示。
圖2 進風(fēng)口及回風(fēng)口模型Fig.2 Model of air inlet and return air inlet
圖3 送風(fēng)口模型Fig.3 Model of air outlet
在Pointwise軟件中簡化上述三維模型,在STAR-CCM+軟件中進行計算模型的前處理工作。為提高計算準(zhǔn)確度且考慮到計算模型的收斂性問題,本次計算采用的體網(wǎng)格數(shù)量約為500萬個。
基于送風(fēng)均勻性氣流組織云圖、各段送風(fēng)口質(zhì)量流量及各段送風(fēng)口與整體送風(fēng)口平均值的相對誤差的標(biāo)準(zhǔn)差等評價參數(shù),評價客室送風(fēng)道的送風(fēng)均勻性。
邊界條件設(shè)定為:① 空氣在風(fēng)道中的流動為湍流,空氣密度不變且不考慮空氣的溫度變化,風(fēng)道壁面設(shè)為絕熱;② 根據(jù)設(shè)計要求,每個進風(fēng)口的體積流量為2 000 m3/h,為了便于計算,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓密度為1.29 kg/m3的條件下,將進風(fēng)口的體積流量換算為質(zhì)量流量,并將進風(fēng)口空氣流量設(shè)置為質(zhì)量流量,取值為0.718 kg/s,回風(fēng)口空氣壓力設(shè)置為相對壓力,取為0。
各段送風(fēng)口的評價參數(shù)如表1所示,其中各段送風(fēng)口與整體送風(fēng)口平均值的相對誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.635。初始送風(fēng)道的速度云圖(主視圖)如圖4所示。由表1和圖4可知,送風(fēng)道靠近機組下方的送風(fēng)口氣流流速較小,而送風(fēng)道端部區(qū)域氣流速度較大,送風(fēng)均勻性較差。
表1 各段送風(fēng)口的評價參數(shù)Tab.1 Evaluation parameters of each sectional air supply outlet
圖4 初始送風(fēng)道的送風(fēng)速度云圖(主視圖)
針對客室兩端送風(fēng)速度較大且整體送風(fēng)不均勻的問題,將主風(fēng)道優(yōu)化為變間距結(jié)構(gòu)。為了使靜壓腔內(nèi)的氣流更為均勻地送入客室,并減小送風(fēng)道兩端的送風(fēng)量,取消靜壓腔內(nèi)的擋板設(shè)計。同時,考慮到送風(fēng)道內(nèi)的安裝可行性問題,從一位側(cè)主風(fēng)道隔板和二位側(cè)主風(fēng)道隔板起始端開始,在兩側(cè)主風(fēng)道隔板間每隔500 mm布置一個擋板,優(yōu)化后的送風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖5所示。優(yōu)化送風(fēng)道結(jié)構(gòu)后,各送風(fēng)口的質(zhì)量流量和相對誤差如表2所示,其中各段送風(fēng)口與整體送風(fēng)口平均值的相對誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.535。優(yōu)化后送風(fēng)道的送風(fēng)速度云圖(主視圖)如圖6所示。
圖5 優(yōu)化后的送風(fēng)道結(jié)構(gòu)Fig.5 Optimized air delivery duct structure
表2 優(yōu)化送風(fēng)道結(jié)構(gòu)后各送風(fēng)口的質(zhì)量流量和相對誤差
圖6 優(yōu)化后送風(fēng)道的送風(fēng)速度云圖(主視圖)
本文通過改進送風(fēng)道結(jié)構(gòu)及增加主風(fēng)道內(nèi)隔板的方法對初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,獲得如下結(jié)論:
1) 初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)的端部氣流速度較大,優(yōu)化后的送風(fēng)道采用變間距結(jié)構(gòu),越靠近端部的送風(fēng)道越窄,從而降低了端部流速及流量值。
2) 由于端部氣流速度較大,初始送風(fēng)道結(jié)構(gòu)的送風(fēng)速度較大,送風(fēng)均勻性較差,優(yōu)化后的送風(fēng)道由一位側(cè)主風(fēng)道隔板和二位側(cè)主風(fēng)道隔板起始端開始,在兩側(cè)主風(fēng)道隔板間每隔500 mm間距均勻布置擋板,計算獲得的各段送風(fēng)口的質(zhì)量流量更接近于整體送風(fēng)口質(zhì)量流量平均值,其相對誤差的標(biāo)準(zhǔn)差也有所減小,說明優(yōu)化后送風(fēng)道的送風(fēng)均勻性更優(yōu)。