280地鐵空調送風風道出風均勻性數(shù)值模擬與優(yōu)化

1、地鐵空調送風風道出風均勻性數(shù)值模擬與優(yōu)化華中科技大學謝軍龍 馬銀紅 舒朝暉 陶紅歌摘 要：用 fluentfluent 軟件對地鐵空調送風風道內流場進行數(shù)值模擬，詳細分析了靜壓送風風道內，靜壓擋 板尺寸及位置對風道送風風量均勻性的影響及改善，及添加不同形式的擋風板對風道送風前端出風風量的 提高及改善，為地鐵空調系統(tǒng)送風風道的優(yōu)化設計提供參考。關鍵詞：地鐵空調送風風道數(shù)值模擬出風風量均勻性1 1前言隨著地鐵交通在各大城市的逐漸普及，地鐵客車客室內的熱舒適狀況對設計工作來說顯得愈發(fā)重要。 合理的車內氣流組織將有效改善客室內的溫度場、濕度場、風速場等熱舒適性能指標，而地鐵空調送風系 統(tǒng)中送風風道的出

2、風均勻性直接決定了車內氣流組織的好壞，風道出風的均勻性又與其內部結構形狀密切 相關1,因此，探討風道內部結構優(yōu)化及其對出風均勻性的影響具有十分重要的現(xiàn)實意義。2 2計算模型2.12.1 物理模型風道模型外觀如圖1 1 所示，整個風道長約6000mm6000mm，寬 1300mm1300mm，高 110mm110mm；風道兩端為氣流入口，底部出風口接送風短管，短管高90mm90mm。風道兩端為氣流入口，底部出風口接送風短管。 圖 1 1 風道模型外觀圖風道中間有 3 3 個小支柱，沿風道長度方向上，出風口斷開處為車廂頂部的橫梁位置處。2.22.2 計算及邊界條件本文計算模型采用 k - &

3、;雙方程湍流模型2,并作如下簡化：(1)(1) 流體定為 17C17C 時的空氣，常物性，不可壓縮；流動為穩(wěn)態(tài)湍流；忽略重力影響。(2)(2) 以氣流入口為計算入口邊界，設為速度入口，大小為 3.23m/s,3.23m/s,方向垂直于入口邊界面。(3)(3)以風道底部送風短管的出口為計算出口邊界，設為壓力出口，0pa,0pa,外界壓強為一個標準大氣壓。(4)(4) 整個風道內壁附隔熱保溫材料，因此可將風道各個壁面視為絕熱，計算過程中不考慮換熱。此外， 近壁面處采用標準壁面函數(shù)3。(5)(5) 風道底部出風口為孔板送風，因送風孔尺寸較小，考慮到建模、網(wǎng)格生成及其造成的計算上的困難， 本文將其設為

4、多孔介質階躍內部邊界條件，孔隙率定為3 3計算結果及分析3.13.1 靜壓擋板的高度對風道出風風量均勻性的影響根據(jù)靜壓均勻送風原理4,在沿風道長度方向上的兩側各添加一塊靜壓擋板，見圖 2,2,將風道隔開為中間的主風道及兩側的靜壓風道。氣流進入風道 后，沿主風道流動過程中，經(jīng)靜壓擋板上方的縫隙 進入靜壓風道，因流向改變，風速急劇下降。理想50%50%圖 2 2 風道截面示意圖、迭凡短管狀況下，可認為靜壓風道內動壓幾近為0,0,全部轉換為靜壓，如此，靜壓風道近似靜壓箱的作用，出風口處送風孔板各處送風靜壓相等，從而保證出風風量各處相等。固定擋板位置，將擋板高度分別設為90mm90mm、95mm95m

5、m、100mm100mm，見表 1,1,比較其模擬結果:表 1 1 擋板高度尺寸設定及其造成的風道阻力靜壓擋板高度(mm位置(相對出風口)(mn風道阻力(pa)1903019295303531003071車廂頂部的橫梁將風道出風口截為-部分，從左至右依次為出口 1 1、出口 2 2、出口 3,3,再將各個出口平均分成 1010 份，定為各個出口的 1 11010 位置。圖 3 3、圖 4 4、圖 5 5 分別為出口 1 1、2 2、3 3 各個出風位置的出風風 量曲線圖。0.0350.030.0250.020.0150.010.0050-0.005-0.01-0.015-0.02-0.025道

6、阻力將超過 100pa,100pa,考慮到風道阻力過大將引起的能耗及噪聲問題等，認為此擋板高度不可取。-種靜壓擋板高度尺寸中，取高度 95mm95mm 最優(yōu)。3.23.2 靜壓擋板的位置對風道出風風量的影響取靜壓擋板高度為 95mm95mm，將靜壓擋板距出風口位置分別定為30mm30mm、90mm90mm，見表 2,2,比較其模擬結 果:-0.01圖 3 3 出口 1 1 出風風量曲線圖0.0650.060.0550.050.0450.040.0350.030.0250.020.0150.010.0050-0.005-0.01-0.015圖 5 5 出口 3 3 出風風量曲線圖圖 4 4 出口

7、 2 2 出風風量曲線圖比較各個出口的理論出風量、未加靜壓擋板及當靜壓擋板為以上三種高度尺寸時風道的出風風量值可知， 添加靜壓擋板之后，風道出風風量的均勻性明顯優(yōu)于未 加靜壓擋板時；在距出風口 30mm30mm 位置處，靜壓擋板高 90mm90mm、95mm95mm、100mm100mm 的出風風量均勻性依次升高， 但其風道阻力值亦依次增加；特別是靜壓擋板高100mm100mm 時，風道出風風量均勻性最好，除送風前端外基本已接近理論值，但其風道阻力已達 71pa,71pa,如此若加上后續(xù)的為改善前端送風而添加的擋風板等措施， 風12345678910出口位置12345678910出口位置0.0

8、40.0350.030.0250.020.0150.010.0050-0.0051234567出口位置8910圖 7 7 出口 2 2 出風風量曲線圖由出風風量曲線圖可以看出，當靜壓擋板高度為 95mm95mm 時，向主風道中間移動擋板位置，即增大靜壓 風道尺寸，不利于風道出風風量均勻性的改善。此外, 從理論上來講，主風道內平均送風靜壓越大，進入靜壓風道的風量相對越均勻，則風道出風風量相對越均 勻。為增大主風道內的靜壓，需降低主風道內的動壓， 若要均勻降低主風道內的動壓，必須增大主風道截面積4。將擋板位置移至距出風口 90mm90mm 的位置明顯減 少了主風道的截面積，因此，其對出風風量的均勻

9、性無改善作用，靜壓擋板位置仍定位于距出風口30mm30mm 處。3.33.3 改善風道前端送風風量過小的問題分析靜壓擋板高 95mm95mm，距出口 30mm30mm 時出口送風風量曲線，可知，出口 1 1 的 1 1、2 2、3 3 位置出風風量 較小，1 1、2 2 位置尤甚，說明風道左端這些出口所對應的送風前端送風風量過小或為0 0 風量；出口 2 2 出風相靜壓擋板高度(mm位置(相對出風口)(mm風道阻力(pa)49530355959036里風0-0.005圖 6 6 出口 1 1 出風風量曲線圖0.040.0350.030.0250.020.0150.010.0050.040.03

10、50.030.0250.020.0150.010.005 0-0.005-0.01-0.015-0.02表 2 2 擋板位置尺寸設定及其造成的風道阻力出口1出風曲線圖12345678910出口位置里風出123456出口位置789100.0650.060.0550.050.0450.040.0350.030.0250.020.010.005 0-0.005-0.01-0.015-0.02圖 8 8 出口 3 3 出風風量曲線圖對均勻些，風量略大；出口 3 3 的 9 9、1010 位置出風風量較小，說明風道右端這兩個出口所對應的送風前端送 風風量亦過小或為 0 0風量。為改善風道送風前端風量過小

11、的問題，分別在主風道左右兩端相應位置添加人字型擋風孔板或直擋風 孔板，如圖 9 9、1 10 0所示。圖 9 9 添加人字型擋風孔板圖 1010 添加直擋風孔板以下為主風道內添加擋風孔板后的出風風量曲線圖，見圖1111、1212、1313。比較添加擋風孔板前后出風風量曲線，可知，添加擋風孔板之后，前端送風風量提高，出口風量相對增大；比較添加人字型擋風孔板與 直孔板這兩種措施，發(fā)現(xiàn)直孔板的效果優(yōu)于人字型擋風孔板，添加直孔板不僅增加了前端送風，后續(xù)位置 的出風風量也相對均勻，而且更接近理論出風風量曲線。0.0350.030.0250.020.0150.010.0050 -0.005 -0.01-0

12、.015-0.02圖 1212 出口 2 2 出風風量曲線圖此外，經(jīng)多次嘗試，發(fā)現(xiàn)添加擋風孔板及移動擋風孔板的位置并不能改善出風口1 1 的 1 1 位置及出風口 3 3 的 1010 位置出風量過小的問題， 也即風道設計中常見的送風“死角”5難題，此位置出風量需通過改變 1 1 位置靜壓擋板形狀及出風口送風短管的內 部結構來改善，此處不再討論。圖 1313 出口 3 3 出風風量曲線圖4 4 小結基于靜壓均勻送風原理的風道內部結構中，靜壓擋板起非常重要的穩(wěn)壓作用，它使氣流沿主風道流動 過程中進入靜壓風道實現(xiàn)動靜壓轉換，從而實現(xiàn)均勻送風。合理的靜壓擋板尺寸及位置對于在較小的風道 阻力下實現(xiàn)均勻

13、送風具有極其重要的意義。主風道中設置一定的擋風孔板可以極大改善風道前端送風風量 過小的問題，實現(xiàn)特定位置風量微調的作用，在靜壓均勻送風風道中，直擋風孔板對于風道出風性能的改 善要優(yōu)于人字型擋風孔板。參考文獻1陳孟湘.汽車空調M.上海：上海交通大學出版社，1997: 1-3.2臧運蕾，陳淑玲，曹建偉.城軌空調客車客室內溫度場和流場的數(shù)值模擬J.都市快軌交通，2005 (6): 42-45.3計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用M.北京：清華大學出版社，2004 : 126-130.4龍靜，王書傲.地鐵車輛空調系統(tǒng)送風風道分析J.電力機車與城軌車輛，2004 (4): 40-42.5龍靜，王書傲.關于地鐵車輛送風方式方案的探討J.鐵