k型空調(diào)硬臥客車室內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬

25K型空調(diào)硬臥客車室內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬摘要：本文介紹了Airpak軟件的特點及其在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中的重要作用，并以25K型硬臥空調(diào)客車車廂內(nèi)氣流組織為研究對象，建立物理模型，在Airpak軟件的基礎(chǔ)上，采用k-ε兩方程紊流模型建立數(shù)學(xué)模型，對其進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)計算結(jié)果，初步分析了影響溫度場和速度場的因素，為列車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供了參考依據(jù)。關(guān)鍵字：空調(diào)客車氣流組織數(shù)值模擬近幾年來，隨著我國鐵路空調(diào)客車應(yīng)用的迅速發(fā)展，人們逐漸的認(rèn)識到空調(diào)客車室內(nèi)氣流組織是影響旅客熱舒適性的主要因素。氣流組織的研究內(nèi)容包括速度場、溫度場、濃度場及相對濕度的分布等。傳統(tǒng)的鐵路空調(diào)客車室內(nèi)氣流組織設(shè)計是將送風(fēng)氣流看成射流，通過求解射流的經(jīng)驗公式來確定車廂內(nèi)各個斷面的溫度和速度分布，并采用調(diào)整送風(fēng)口位置、尺寸、送風(fēng)風(fēng)速等方法改變溫度分布和速度分布使其滿足設(shè)計要求。而射流的經(jīng)驗公式無法考慮到具體車廂內(nèi)的形狀及座椅、茶幾、行李架等的影響，也不能考慮排風(fēng)氣流對射流造成的影響。[1~3]所以采用經(jīng)驗公式獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果是比較粗糙的，傳統(tǒng)的氣流組織設(shè)計不能準(zhǔn)確預(yù)測室內(nèi)的氣流組織分布特征。計算流體動力學(xué)（ComputationalFluidDynamics簡稱CFD）的發(fā)展和應(yīng)用，在一定程度上解決了空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中單憑經(jīng)驗和感覺進(jìn)行設(shè)計而造成的不足。本文以25K型硬臥空調(diào)客車為研究對象，采用k-ε兩方程紊流模型，并結(jié)合CFD軟件之一—Airpak軟件對其進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。1Airpak軟件的主要特點CFD是運用流體動力學(xué)的基本原理進(jìn)行“三傳”（傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞）及燃燒、多項流和化學(xué)反應(yīng)研究的重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于熱能動力、航空航天、機(jī)械、土木水利、環(huán)境和化工等諸多領(lǐng)域，其中暖通空調(diào)領(lǐng)域是CFD應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一。用CFD技術(shù)對一定空間中的氣流組織進(jìn)行模擬，通過建立數(shù)學(xué)物理模型，根據(jù)提供的合理的邊界條件和參數(shù)，可以對空調(diào)區(qū)域內(nèi)空氣流動形成的溫度場、速度場和濃度場等進(jìn)行模擬，直觀的顯示其設(shè)計結(jié)果，并根據(jù)設(shè)計結(jié)果對其可行性和合理性進(jìn)行分析研究，不斷優(yōu)化設(shè)計方案，尋找有規(guī)律性的知識，更好的指導(dǎo)工程設(shè)計。Airpak軟件是在FLUENT（CFD技術(shù)的一個軟件包）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個工具軟件。主要是針對通風(fēng)系統(tǒng)的空氣品質(zhì)、熱舒適性、空氣調(diào)節(jié)及污染控制進(jìn)行氣流組織的模擬。Airpak提供了強(qiáng)大的物理模型創(chuàng)建功能和快捷全面的網(wǎng)格處理能力。將通風(fēng)系統(tǒng)中常見的各種物理模型如墻、人、散流器和桌椅等以形象的實體模型表示，并提供了各種材料的物性數(shù)據(jù)庫，滿足不同系統(tǒng)設(shè)計的需求。Airpak在進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)以及流體流動的計算時將調(diào)用FLUENT軟件的處理器。該處理器使網(wǎng)格可以有多種形狀。對二維流動可以生成三角形和矩形網(wǎng)格；對于三維流動可以生成四面體、六面體、三角柱和金字塔等網(wǎng)格；結(jié)合具體計算還可以生成混合網(wǎng)格；其自適應(yīng)功能能對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分或粗化，或生成不連續(xù)網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和滑動網(wǎng)格。處理器的數(shù)學(xué)模型是以N-S方程組為主體，再加上一些在主體方程組上補(bǔ)充附加源項、附加輸運方程與關(guān)系式的附加模型。采用有限體積法離散方程，其計算精度和穩(wěn)定性都優(yōu)于傳統(tǒng)編程中使用的有限差分法。采用壓力校正法作為低速不可壓流動計算方法，而可壓縮流動采用耦合法。最后，Airpak根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行后處理，其后處理模塊具有三維顯示功能來展現(xiàn)各種流動特性，還能以動畫功能演示非定常過程。2研究對象的物理模型本文以25K型空調(diào)硬臥客車內(nèi)部氣流組織作為數(shù)值模擬計算對象。計算區(qū)域不包括車廂兩端的乘務(wù)員室、配電室和洗手間，只選擇車廂的中部即長為18865mm，寬為3105mm，高為2790mm的空間，車廂一側(cè)有22組臥鋪共66個鋪位。送風(fēng)方式采取頂部散流器送風(fēng)，共有11個散流器?；仫L(fēng)口設(shè)在車廂兩端面的門上。[6~7]2.1邊界條件入口邊界條件：送風(fēng)溫度為18度，送風(fēng)方式采用速度為u=0，w=v及u=0，w=-v的散流器兩面送風(fēng)方式，k=0.002，ε=0.00008；出口邊界條件：回風(fēng)壓力為環(huán)境壓力，k、ε為自由滑動；壁面邊界條件：車內(nèi)兩端墻取為絕熱面，地板也視為絕熱面。車頂及兩側(cè)的壁面邊界條件取為第三類邊界條件，并取車體的綜合傳熱系數(shù)K=1.16W/m2.K。客車內(nèi)熱負(fù)荷：人體散熱量按每人115W計算，在模型中假設(shè)該熱量均勻分布在臥鋪的表面。車內(nèi)機(jī)電設(shè)備散熱量為22個功率均為60W的燈管散熱量。2.2網(wǎng)格的劃分由于車廂內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了更準(zhǔn)確的反映車內(nèi)的氣流組織，在劃分網(wǎng)格時對有物體的地方，如臥鋪、茶幾、電燈、散流器等處網(wǎng)格相對其他地方更細(xì)密。3數(shù)學(xué)模型在不考慮列車運行影響的情況下，可以將客室內(nèi)空氣流動視為一般室內(nèi)氣流組織的模型進(jìn)行研究。3.1對于該紊流流動模型，采用k-ε兩方程紊流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，假設(shè)條件為：（1）客車室內(nèi)氣體為不可壓縮流體，且滿足Boussinesq假設(shè)：認(rèn)為流體密度的變化僅對浮升力產(chǎn)生影響；曠（毫2皺）流動為曉紊態(tài)流動榆；隆（訓(xùn)3浪）假定流她場具有高提的紊顛流臟R億e奸數(shù)，流體窯的紊流粘貿(mào)性具有各槍向同性；奉（楊4條）氣流為盤低速流動蟲，可忽略進(jìn)由流體粘村性力作功年所引起的撐耗散熱；沖（臥5社）不考慮奮漏風(fēng)的影稅響，認(rèn)為扮車廂內(nèi)除齒了在兩個鉛車門處的思排風(fēng)口外掛，車內(nèi)氣值密性良好累。爽3.2紡經(jīng)控制方程蟲對于不可菊壓縮、定提常的流動久，根據(jù)以孟上的假設(shè)洗，該模型皆的控制方卷程可用如路下的通用鍋形式：槍[8]董（結(jié)1坦）拖式含中鬧洗為通用變竄量，代狠表真u越、呼v搬、踢w謊等求解變庫量閘；您青為擴(kuò)散系意數(shù)；翁為源項。裹該控制方保程的具體忠形式以張路量的形式做表示為：戚（像1盛）連續(xù)性銷方程憂i莖，漁j=1,登2,3愛（冒2項）能量方輩程糕i=1,視2,3戰(zhàn)(3敬)宇紊流動能虧方傳程適(賠k推方俊程繡)耕i舞，泊j=1,竹2,3膊(4僅)景紊流動能娃耗散率方架程甚(歉ε園方悠程鋤)尼i腫，振j=1,兇2,3察紊流粘性蒼系數(shù)的表咱達(dá)青式鐘:式中：詢、裳、借、押、遼、纏、豬、乒為經(jīng)驗常億數(shù)譽[8]惠；挎為空氣定客壓比熱；哈g揭為重力加街速度；津k迅為流體紊右流動能；妹P楚為時均壓亦力；樹為熱源強(qiáng)罪度；腥P喜r蜻為充分紊隨流時的普密朗特數(shù)；霞T砍為流體溫輔度；害T劃0殃為參考溫籮度；且U欠i騾為速度分扛量，怪當(dāng)頌i=債1悼、賊2肺、躬3跪時分別代熄表麗X槍、犬Y餅、給Z景方向；炊ε退為紊流能專量耗散率典；模和姓分別為層刺流和紊流霞的動力粘薄性系數(shù)；借ρ駐為流體密相度；教β司為流體體堵積膨脹系醒數(shù)。勉4捧計算結(jié)果狡分析串（高1辜）采用車股頂送風(fēng)的跪上送風(fēng)方仇式，客室?guī)箱佊捎谏尘嚯x車頂位較近，該先區(qū)域內(nèi)的危風(fēng)速比較剛大，上鋪物的旅客會溉有明顯的寸吹風(fēng)感，矩舒適性比航中、下鋪竄差。堡（屢2背）由于采列用了散流腎器兩面送幫風(fēng)，從吹映風(fēng)口吹進(jìn)源的氣流在?？褪覂?nèi)形粘成良好的狐回流，臥加鋪靠近車胸窗一端的向氣流流動忙加強(qiáng)，客策室走道的御氣流也更岡加通暢。銅且每兩組豐臥鋪之間碌的過道上蕩風(fēng)速比鋪遠(yuǎn)位區(qū)域的經(jīng)風(fēng)速大的挎多，鋪位慎區(qū)域的風(fēng)翠速能得到劍較好的控古制，可以逢通過調(diào)整提送風(fēng)口的字位置和風(fēng)誕速來改善豐客室內(nèi)的銳氣流組織爆，使其達(dá)化到理想的穿設(shè)計要求伍。逃（屯3傘）分25區(qū)K跌型列車采妨用的是全狐封閉式，部回風(fēng)口設(shè)銹在車廂兩蒼頭的走道得內(nèi)，客室鞏內(nèi)氣流的洋回風(fēng)只能透通過客室境兩端車門竭上的百葉課式回風(fēng)口鉆回風(fēng)，造譽成客室兩爸端的氣流拐組織明顯兼優(yōu)于客室半中部的氣瘡流組織，眠中部氣流益的流動性株相對較差覽。畝（歸4各）當(dāng)送風(fēng)牛速度在一連定范圍內(nèi)怪改變時，蘆送風(fēng)速度濾對客室內(nèi)幕的氣流組霞織影響不濤大，但各厲截面上的椅氣流速度遠(yuǎn)將隨之而足改變?？蛯偈疑喜繀^(qū)覺域流速較唯大，溫度改較低，下奏部區(qū)域速打度減小，幫氣流流動廢慢，溫度高相對較高嶺，一定程熟度影響了陸旅客的舒費適感。幸（領(lǐng)5像）客室內(nèi)拍人體的散錢熱以及外雜界太陽輻并射等對客府室內(nèi)流場影的影響不弓大，但對匆溫度場有當(dāng)較大的影踐響，因為希在模型中度假設(shè)人體該的散熱量掘均勻分布省在各臥鋪齊的上表面餅，使得在即距離臥鋪阿一定距離涼的上表面晃區(qū)域溫度焰較高，而策車窗附件笑受太陽輻膏射的影響是溫度也比鹽中部區(qū)域嫂高。學(xué)（屯6鍬）車廂內(nèi)葬的臥鋪、羨茶幾、行樓李架等對折客室內(nèi)的伏溫度場和坦速度場影威響較大。5結(jié)論慶1牲）采銅用介k池-愚ε鉤兩方程紊猜流模型，越結(jié)雨合粘Airp夏a脾k針軟件鄉(xiāng)對導(dǎo)25惰K邀型硬臥空暮調(diào)客車車圈廂內(nèi)氣流獅組織進(jìn)行壽數(shù)值模擬拴，可根據(jù)惜已知的外東界條件和筆所要達(dá)到湖的要求，決對車廂內(nèi)竭的溫度場貨和速度場插進(jìn)行模擬得計算，為攀空調(diào)設(shè)計室提供參考始并進(jìn)行改描進(jìn)和優(yōu)化嘗，節(jié)約了齒大量的時提間和大量貞的人力、鈴物力。紀(jì)2缺）姐25澡K炊型硬座客敏車空調(diào)系爭統(tǒng)采用車家頂中部孔飲板下送風(fēng)急的送風(fēng)方雅式，使旅芽客座位都數(shù)處于氣流塞旋渦中，魯有利于旅品客對空氣歷流動的需密求，但由串于排風(fēng)口念設(shè)在車廂衡兩端，造念成車廂中叼部區(qū)域的怒空氣流動大差，影響廉了旅客的落舒適性。參考文獻(xiàn)溉[1]逝Chow零WK幣稍．寄App錄lied嘉Ene焦rgy猛尤，醋2001水(68牙)姐：墨135萄-159書[2]工尊靳誼勇，珍郁永章．洪制冷學(xué)報府，益2002原(2猾)嫩：禁30-3崇4倚[3]面緒張登春，刮陳煥新，責(zé)舒信偉等帥．鐵道學(xué)負(fù)報量，首200覆2盤，御.24孟弟（交6畏）芝：天39-4矩3茅[4]偷Beij皮ing謀Hi-k拴eyTe彈chno貍logy言Cor證pora躲tion坡Ltd誰.A廳irpa考k2.1曉Tut儉oria比lGui紡