Airpak 與客車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的仿真
王東屏、 兆文忠、 孫彥彬 劉愛伶
大連鐵道學(xué)院車輛工程CAD/CAE技術(shù)中心 唐山機(jī)車車輛廠設(shè)計(jì)處
摘 要
鐵路車輛設(shè)計(jì)過程中,空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)是重要一環(huán),采用CFD手段輔助設(shè)計(jì),具有重要的工程意義與創(chuàng)新價(jià)值。本文采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件Airpak(1.0)對(duì)擺式客車一等座車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行CFD仿真計(jì)算。對(duì)空調(diào)風(fēng)道的靜壓腔中是否加隔板、隔板如何安放、風(fēng)道出風(fēng)口大小及位置進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，為空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了極有價(jià)值的數(shù)值仿真結(jié)果。
前 言
計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是利用高速計(jì)算機(jī)求解流體流動(dòng)的偏微分方程組，其目的是為了定性和定量的描述流體流動(dòng)的物理現(xiàn)象。
國外準(zhǔn)高速/高速車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，如ICE、TGV，均借助于CFD技術(shù)進(jìn)行計(jì)算乃至優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而有力地支持了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中搶占最高點(diǎn)。與國外相比，我們的空調(diào)通風(fēng)及風(fēng)道設(shè)計(jì)，基本上仍按照鐵標(biāo)中規(guī)定的鐵路客車熱工計(jì)算方法及相關(guān)的客車技術(shù)條件要求只能做一些簡(jiǎn)單的計(jì)算，因而存在以下問題：
1)首先，不能精確計(jì)算風(fēng)道內(nèi)的阻力，從而導(dǎo)致風(fēng)道（管路）的性能曲線與風(fēng)機(jī)的性能曲線最佳工作點(diǎn)不一致，其后果是：不僅噪音大，而且能量耗損也大。
2)其次，不能準(zhǔn)確定量地進(jìn)行風(fēng)量分配，從而導(dǎo)致客車縱向斷面和橫向斷面溫度、風(fēng)量分布不均勻，滿足不了高水平的舒適性設(shè)計(jì)要求。甚至對(duì)旅客的健康產(chǎn)生威脅。
3)由于不能進(jìn)行精確計(jì)算，還導(dǎo)致包括斷面在內(nèi)的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)困難重重，當(dāng)前的大致估算、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，嚴(yán)重地制約了準(zhǔn)高速/高速車整體設(shè)計(jì)水平的提高。
4)更重要的是：上述問題如果僅靠實(shí)驗(yàn)解決，其周期太長，代價(jià)太大。
本文針對(duì)上述溫度及風(fēng)量分布不均問題，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值計(jì)算技術(shù)，對(duì)唐山機(jī)車車輛廠新設(shè)計(jì)的擺式客車一等座車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了CFD仿真計(jì)算。文章不僅介紹了算法原理,而且還給出了有價(jià)值的改進(jìn)意見。
1 CFD軟件與計(jì)算模型
計(jì)算所用的CFD軟件是美國Fluent公司的Airpak (1.0) 。Airpak 是一個(gè)專用的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)軟件, 它功能強(qiáng)大、快速、易于使用。它以Fluent技術(shù)為內(nèi)核，利用Fluent求解器進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算,可計(jì)算超復(fù)雜空間模型的流場(chǎng)情況。它采用目前應(yīng)用最廣泛又較成熟的有限體積法的數(shù)值計(jì)算方法,提供設(shè)計(jì)者快速建立模型及劃分網(wǎng)格的能力。同時(shí), Airpak 也提供形象逼真、可視化的后處理結(jié)果。它使用ISO7330標(biāo)準(zhǔn)通過綜合考查空間環(huán)境中的空氣溫度、速度、相對(duì)濕度、輻射等指數(shù)，對(duì)人體的熱舒適度、健康和安全水平進(jìn)行評(píng)估，對(duì)有空氣調(diào)節(jié)、污染控制和改善空氣質(zhì)量要求的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。實(shí)踐表明，Airpak對(duì)鐵路客車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的仿真計(jì)算是很合適的。
計(jì)算模型取自唐山機(jī)車車輛廠設(shè)計(jì)的擺式客車一等座車。車內(nèi)有兩套空調(diào)系統(tǒng),兩個(gè)風(fēng)道沿車頂部位對(duì)稱設(shè)置。風(fēng)道采用主風(fēng)道與靜壓腔配合的形式,在送風(fēng)風(fēng)道的內(nèi)側(cè)面開條縫形風(fēng)口,自上而下送風(fēng)。一等車定員49人。風(fēng)道靜壓腔內(nèi)裝有隔板,隔板上開有100×100的小孔。同時(shí)還從風(fēng)道前端分別引出兩個(gè)導(dǎo)管往乘務(wù)室及配電室送入少部分冷風(fēng)。總之，該車對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很多的要求。
2 算法
模型的雷諾數(shù)大約為216749,所以是一個(gè)紊流的三維穩(wěn)定流場(chǎng)流動(dòng)問題。
Airpak 求解連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量守恒方程以及紊流模型方程,同時(shí)還可以計(jì)算輻射的影響。
由于控制方程是非線性的,所以在達(dá)到收斂精度之前,需進(jìn)行迭代求解。
類似于有限元法，Airpak 利用有限體積法,把計(jì)算區(qū)域劃分為離散的控制體積網(wǎng)格,在每個(gè)控制體積上積分控制方程,形成計(jì)算變量的代數(shù)方程。
迭代步驟如下:
1)計(jì)算結(jié)果是在目前的基礎(chǔ)上不斷更新。開始時(shí),計(jì)算變量以初始流場(chǎng)為基礎(chǔ)開始更新。
2)利用目前的壓力值和表面質(zhì)量流量,依次求解三個(gè)速度分量u、v、w 的動(dòng)量方程,以獲得新的速度流場(chǎng)。
3)由于新獲得的速度流場(chǎng)可能不滿足連續(xù)方程,這時(shí)求解由連續(xù)方程和動(dòng)量方程線性化而推導(dǎo)出來的壓力糾正方程,從而對(duì)壓力、速度場(chǎng)和表面質(zhì)量流量產(chǎn)生必要的糾正,以滿足連續(xù)方程。
4)利用其他變量更新的數(shù)值結(jié)果求解紊流模型方程及輻射方程。
5)檢查方程的收斂精度是否滿足要求。如果不滿足收斂精度,迭代重新開始，直到滿足收斂精度。
3 工程計(jì)算
計(jì)算主要由三部分內(nèi)容組成：首先，對(duì)工廠第一次提供的原始模型的三種方案進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算。這三種方案分別是在風(fēng)道中的靜壓腔內(nèi)不設(shè)隔板（以下簡(jiǎn)稱方案A）、在靜壓腔的前半部分等距設(shè)置隔板（以下簡(jiǎn)稱方案B）及在靜壓腔中全部等距設(shè)置隔板（以下簡(jiǎn)稱方案C）。其次，對(duì)根據(jù)上述結(jié)果的修改模型（以下簡(jiǎn)稱方案D）進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，得到了優(yōu)化模型（以下簡(jiǎn)稱方案E）。最后，對(duì)模型中風(fēng)道前端往乘務(wù)室及配電室輸送少量冷風(fēng)的模型（以下簡(jiǎn)稱方案F）又進(jìn)行了計(jì)算分析。
3.1 初始模型的三種方案（方案A、B、C）計(jì)算后的結(jié)果
首先對(duì)方案A進(jìn)行了計(jì)算。當(dāng)在靜壓腔中未設(shè)置隔板時(shí),風(fēng)口處速度分布顯示:前三個(gè)風(fēng)口不出風(fēng),反而回風(fēng)。圖四為方案A前幾個(gè)風(fēng)口的速度分布。從中可以看出方案A前幾個(gè)風(fēng)口不僅不排風(fēng)反而吸風(fēng)。
當(dāng)在靜壓腔中加隔板后,計(jì)算表明回風(fēng)現(xiàn)象消失了,這是因?yàn)橹黠L(fēng)道入口部位的風(fēng)速較高,主風(fēng)道的靜壓較低, 從而引起靜壓腔中的壓力較低而導(dǎo)致回風(fēng)現(xiàn)象。在靜壓腔中加設(shè)隔板,加大了空氣流動(dòng)的阻力,使主風(fēng)道及靜壓腔中的壓力增加,抑制了回風(fēng)現(xiàn)象,使風(fēng)口均勻出風(fēng)。風(fēng)口回風(fēng)現(xiàn)象在一些工廠早先設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中出現(xiàn)過,這個(gè)信息從側(cè)面驗(yàn)證了CFD計(jì)算的重要意義。
3.2 改進(jìn)模型（方案D）風(fēng)道靜壓腔中的隔板及風(fēng)口的位置優(yōu)化結(jié)果
在靜壓腔中加隔板無疑是合理的,但隔板應(yīng)如何設(shè)置才能使出風(fēng)更加均勻呢?本次計(jì)算對(duì)在靜壓腔中設(shè)置隔板及風(fēng)口的情況結(jié)合車體自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明: 風(fēng)道靜壓腔中的隔板及風(fēng)口的位置是很重要的。
為了比較，計(jì)算了多個(gè)模型,最后方案的溫度分布是比較均勻的。
3.3 對(duì)模型風(fēng)道前端加設(shè)導(dǎo)管往乘務(wù)室及配電室輸送少量冷風(fēng)模型（方案F）的計(jì)算結(jié)果
4．結(jié)論
經(jīng)過大量的方案比較，擺式客車一等座車的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到了明顯的改善：風(fēng)道的設(shè)計(jì)更加合理，風(fēng)口的出風(fēng)量比較均勻，車廂內(nèi)的溫度分布也比較均勻。
事實(shí)表明，CFD技術(shù)的應(yīng)用不僅縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，而且明顯地提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)受到我們的高度重視。
參考文獻(xiàn)
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Icepak資料下載: FLUENT第一屆中國用戶大會(huì)論文集33-40.pdf
Airpak and Simulation the Air Conditioner Vent System of Passenger Train
WANG Dong-ping, ZHAO Wen-zhong, SUN Yan-bin LIU Ai-ling
Rolling Stock Engineering CAD/CAE Technical Center, Design Department, Tang Shan
Dalian Railway Institute,Dalian Locmotive & Rolling Stock Works
116028 ,P.R,China TangShan 063065, P.R.China
Abstract
How to design its air conditioner vent system in passenger car is a very important problem.In this area,CFD Simulation could pay an important role in both of engineering and innovating. Based on the Airpak(1.0),famous one of CFD softwares,the air conditioner vent system of the first class pendulum passenger car is redesigned and calculated in this paper.Its calculating and valuable results include:how many baffle plates are reasonably put into the air duct; how to reasonably allocate the all baffle plates in it; how about the open size for each air cabin.
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