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   唐山機車車輛廠設(shè)計處
摘 要
鐵路車輛設(shè)計過程中,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,具有重要的工程意義與創(chuàng)新價值。本文采用計算流體力學(xué)(CFD)軟件Airpak(1.0)對擺式客車一等座車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)進行CFD仿真計算。對空調(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)口大小及位置進行了優(yōu)化計算，為空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計提供了極有價值的數(shù)值仿真結(jié)果。
前 言
計算流體力學(xué)（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(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)進行計算乃至優(yōu)化設(shè)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(diào)通風(fēng)及風(fēng)道設(shè)計，基本上仍按照鐵標(biāo)中規(guī)定的鐵路客車熱工計算方法及相關(guān)的客車技術(shù)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(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(zhǔn)確定量地進行風(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)計要求。甚至對旅客的健康產(chǎn)生威脅。
3)由于不能進行精確計算，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)計困難重重，當(dāng)前的大致估算、經(jīng)驗設(shè)計，嚴(yán)重地制約了準(zhǔn)高速/高速車整體設(shè)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(fēng)量分布不均問題，利用計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值計算技術(shù)，對唐山機車車輛廠新設(shè)計的擺式客車一等座車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)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(diào)通風(fēng)系統(tǒng)軟件, 它功能強大、快速、易于使用。它以Fluent技術(shù)為內(nèi)核，利用Fluent求解器進行流場計算,可計算超復(fù)雜空間模型的流場情況。它采用目前應(yīng)用最廣泛又較成熟的有限體積法的數(shù)值計算方法,提供設(shè)計者快速建立模型及劃分網(wǎng)格的能力。同時, 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、相對濕度、輻射等指數(shù)，對人體的熱舒適度、健康和安全水平進行評估，對有空氣調(diào)節(jié)、污染控制和改善空氣質(zhì)量要求的通風(fēng)系統(tǒng)進行仿真計算。實踐表明，Airpak對鐵路客車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的仿真計算是很合適的。
    計算模型取自唐山機車車輛廠設(shè)計的擺式客車一等座車。車內(nèi)有兩套空調(diào)系統(tǒng),兩個風(fēng)道沿車頂部位對稱設(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。同時還從風(fēng)道前端分別引出兩個導(dǎo)管往乘務(wù)室及配電室送入少部分冷風(fēng)?？傊?，該車對空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計提出了很多的要求。
2   算法
    模型的雷諾數(shù)大約為216749,所以是一個紊流的三維穩(wěn)定流場流動問題。
    Airpak 求解連續(xù)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(qū)域劃分為離散的控制體積網(wǎng)格,在每個控制體積上積分控制方程,形成計算變量的代數(shù)方程。
迭代步驟如下:
   1)計算結(jié)果是在目前的基礎(chǔ)上不斷更新。開始時,計算變量以初始流場為基礎(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(xù)方程,這時求解由連續(xù)方程和動量方程線性化而推導(dǎo)出來的壓力糾正方程,從而對壓力、速度場和表面質(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   工程計算
計算主要由三部分內(nèi)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(fēng)道中的靜壓腔內(nèi)不設(shè)隔板（以下簡稱方案A）、在靜壓腔的前半部分等距設(shè)置隔板（以下簡稱方案B）及在靜壓腔中全部等距設(shè)置隔板（以下簡稱方案C）。其次，對根據(jù)上述結(jié)果的修改模型（以下簡稱方案D）進行了優(yōu)化計算，得到了優(yōu)化模型（以下簡稱方案E）。最后，對模型中風(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(jié)果
首先對方案A進行了計算。當(dāng)在靜壓腔中未設(shè)置隔板時,風(fēng)口處速度分布顯示:前三個風(fēng)口不出風(fēng),反而回風(fēng)。圖四為方案A前幾個風(fēng)口的速度分布。從中可以看出方案A前幾個風(fēng)口不僅不排風(fēng)反而吸風(fēng)。
當(dāng)在靜壓腔中加隔板后,計算表明回風(fēng)現(xiàn)象消失了,這是因為主風(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)計的產(chǎn)品中出現(xiàn)過,這個信息從側(cè)面驗證了CFD計算的重要意義。
3.2  改進模型（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?本次計算對在靜壓腔中設(shè)置隔板及風(fēng)口的情況結(jié)合車體自身結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，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(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)計得到了明顯的改善：風(fēng)道的設(shè)計更加合理，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。
事實表明，CFD技術(shù)的應(yīng)用不僅縮短了設(shè)計周期，降低了設(shè)計成本，而且明顯地提高了設(shè)計質(zhì)量，這項新技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)受到我們的高度重視。

參考文獻
[1] 王承堯，王正華，楊曉輝. 計算流體力學(xué)及其并行算法 . 長沙市 : 國防科技大學(xué)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(diào) . 北京大學(xué) : 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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