Airpak 與客車空調通風系統的仿真

王東屏、 兆文忠、 孫彥彬   劉愛伶
大連鐵道學院車輛工程CAD/CAE技術中心   唐山機車車輛廠設計處
摘 要
鐵路車輛設計過程中,空調通風系統是重要一環,采用CFD手段輔助設計,具有重要的工程意義與創新價值。本文采用計算流體力學(CFD)軟件Airpak(1.0)對擺式客車一等座車空調通風系統進行CFD仿真計算。對空調風道的靜壓腔中是否加隔板、隔板如何安放、風道出風口大小及位置進行了優化計算，為空調通風系統設計提供了極有價值的數值仿真結果。
前 言
計算流體力學（CFD）是利用高速計算機求解流體流動的偏微分方程組，其目的是為了定性和定量的描述流體流動的物理現象。
國外準高速/高速車空調通風系統，如ICE、TGV，均借助于CFD技術進行計算乃至優化設計，從而有力地支持了市場競爭中搶占最高點。與國外相比，我們的空調通風及風道設計，基本上仍按照鐵標中規定的鐵路客車熱工計算方法及相關的客車技術條件要求只能做一些簡單的計算，因而存在以下問題：
1)首先，不能精確計算風道內的阻力，從而導致風道（管路）的性能曲線與風機的性能曲線最佳工作點不一致，其后果是：不僅噪音大，而且能量耗損也大。
2)其次，不能準確定量地進行風量分配，從而導致客車縱向斷面和橫向斷面溫度、風量分布不均勻，滿足不了高水平的舒適性設計要求。甚至對旅客的健康產生威脅。
3)由于不能進行精確計算，還導致包括斷面在內的空調通風系統的最優設計困難重重，當前的大致估算、經驗設計，嚴重地制約了準高速/高速車整體設計水平的提高。
4)更重要的是：上述問題如果僅靠實驗解決，其周期太長，代價太大。
本文針對上述溫度及風量分布不均問題，利用計算流體力學（CFD）數值計算技術，對唐山機車車輛廠新設計的擺式客車一等座車空調通風系統進行了CFD仿真計算。文章不僅介紹了算法原理,而且還給出了有價值的改進意見。

1  CFD軟件與計算模型
    計算所用的CFD軟件是美國Fluent公司的Airpak (1.0) 。Airpak 是一個專用的空調通風系統軟件, 它功能強大、快速、易于使用。它以Fluent技術為內核，利用Fluent求解器進行流場計算,可計算超復雜空間模型的流場情況。它采用目前應用最廣泛又較成熟的有限體積法的數值計算方法,提供設計者快速建立模型及劃分網格的能力。同時, Airpak 也提供形象逼真、可視化的后處理結果。它使用ISO7330標準通過綜合考查空間環境中的空氣溫度、速度、相對濕度、輻射等指數，對人體的熱舒適度、健康和安全水平進行評估，對有空氣調節、污染控制和改善空氣質量要求的通風系統進行仿真計算。實踐表明，Airpak對鐵路客車空調通風系統的仿真計算是很合適的。
    計算模型取自唐山機車車輛廠設計的擺式客車一等座車。車內有兩套空調系統,兩個風道沿車頂部位對稱設置。風道采用主風道與靜壓腔配合的形式,在送風風道的內側面開條縫形風口,自上而下送風。一等車定員49人。風道靜壓腔內裝有隔板,隔板上開有100×100的小孔。同時還從風道前端分別引出兩個導管往乘務室及配電室送入少部分冷風。總之，該車對空調通風系統的設計提出了很多的要求。
2   算法
    模型的雷諾數大約為216749,所以是一個紊流的三維穩定流場流動問題。
    Airpak 求解連續方程、動量方程、能量守恒方程以及紊流模型方程,同時還可以計算輻射的影響。
由于控制方程是非線性的,所以在達到收斂精度之前,需進行迭代求解。
類似于有限元法，Airpak 利用有限體積法,把計算區域劃分為離散的控制體積網格,在每個控制體積上積分控制方程,形成計算變量的代數方程。
迭代步驟如下:
   1)計算結果是在目前的基礎上不斷更新。開始時,計算變量以初始流場為基礎開始更新。
    2)利用目前的壓力值和表面質量流量,依次求解三個速度分量u、v、w 的動量方程,以獲得新的速度流場。
    3)由于新獲得的速度流場可能不滿足連續方程,這時求解由連續方程和動量方程線性化而推導出來的壓力糾正方程,從而對壓力、速度場和表面質量流量產生必要的糾正,以滿足連續方程。
    4)利用其他變量更新的數值結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   工程計算
計算主要由三部分內容組成：首先，對工廠第一次提供的原始模型的三種方案進行了詳細的計算。這三種方案分別是在風道中的靜壓腔內不設隔板（以下簡稱方案A）、在靜壓腔的前半部分等距設置隔板（以下簡稱方案B）及在靜壓腔中全部等距設置隔板（以下簡稱方案C）。其次，對根據上述結果的修改模型（以下簡稱方案D）進行了優化計算，得到了優化模型（以下簡稱方案E）。最后，對模型中風道前端往乘務室及配電室輸送少量冷風的模型（以下簡稱方案F）又進行了計算分析。
3.1  初始模型的三種方案（方案A、B、C）計算后的結果
首先對方案A進行了計算。當在靜壓腔中未設置隔板時,風口處速度分布顯示:前三個風口不出風,反而回風。圖四為方案A前幾個風口的速度分布。從中可以看出方案A前幾個風口不僅不排風反而吸風。
當在靜壓腔中加隔板后,計算表明回風現象消失了,這是因為主風道入口部位的風速較高,主風道的靜壓較低, 從而引起靜壓腔中的壓力較低而導致回風現象。在靜壓腔中加設隔板,加大了空氣流動的阻力,使主風道及靜壓腔中的壓力增加,抑制了回風現象,使風口均勻出風。風口回風現象在一些工廠早先設計的產品中出現過,這個信息從側面驗證了CFD計算的重要意義。
3.2  改進模型（方案D）風道靜壓腔中的隔板及風口的位置優化結果
    在靜壓腔中加隔板無疑是合理的,但隔板應如何設置才能使出風更加均勻呢?本次計算對在靜壓腔中設置隔板及風口的情況結合車體自身結構進行了優化設計，結果表明: 風道靜壓腔中的隔板及風口的位置是很重要的。
為了比較，計算了多個模型,最后方案的溫度分布是比較均勻的。
3.3  對模型風道前端加設導管往乘務室及配電室輸送少量冷風模型（方案F）的計算結果

4．結論
經過大量的方案比較，擺式客車一等座車的空調通風系統設計得到了明顯的改善：風道的設計更加合理，風口的出風量比較均勻，車廂內的溫度分布也比較均勻。
事實表明，CFD技術的應用不僅縮短了設計周期，降低了設計成本，而且明顯地提高了設計質量，這項新技術的應用應當受到我們的高度重視。

參考文獻
[1] 王承堯，王正華，楊曉輝. 計算流體力學及其并行算法 . 長沙市 : 國防科技大學出版社,2000 .
[2] FLUENT INCORPORATED . Airpak User’s Guide , 2000 .
[3] 騰兆武,王剛 . 車輛制冷與空調 . 北京大學 : 中國鐵道出版社, 1996 .

 Icepak資料下載:  FLUENT第一屆中國用戶大會論文集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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