k型空调硬卧客车室内气流组织的数值模拟

25K型空调硬卧客车室内气流组织的数值模拟摘要：本文介绍了Airpak软件的特点及其在通风系统设计中的重要作用，并以25K型硬卧空调客车车厢内气流组织为研究对象，建立物理模型，在Airpak软件的基础上，采用k-ε两方程紊流模型建立数学模型，对其进行数值模拟。根据计算结果，初步分析了影响温度场和速度场的因素，为列车空调系统的设计开发提供了参考依据。关键字：空调客车气流组织数值模拟近几年来，随着我国铁路空调客车应用的迅速发展，人们逐渐的认识到空调客车室内气流组织是影响旅客热舒适性的主要因素。气流组织的研究内容包括速度场、温度场、浓度场及相对湿度的分布等。传统的铁路空调客车室内气流组织设计是将送风气流看成射流，通过求解射流的经验公式来确定车厢内各个断面的温度和速度分布，并采用调整送风口位置、尺寸、送风风速等方法改变温度分布和速度分布使其满足设计要求。而射流的经验公式无法考虑到具体车厢内的形状及座椅、茶几、行李架等的影响，也不能考虑排风气流对射流造成的影响。[1~3]所以采用经验公式获得的数据结果是比较粗糙的，传统的气流组织设计不能准确预测室内的气流组织分布特征。计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics简称CFD）的发展和应用，在一定程度上解决了空调系统设计中单凭经验和感觉进行设计而造成的不足。本文以25K型硬卧空调客车为研究对象，采用k-ε两方程紊流模型，并结合CFD软件之一—Airpak软件对其进行数值模拟和分析。1Airpak软件的主要特点CFD是运用流体动力学的基本原理进行“三传”（传热、传质、动量传递）及燃烧、多项流和化学反应研究的重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境和化工等诸多领域，其中暖通空调领域是CFD应用的主要领域之一。用CFD技术对一定空间中的气流组织进行模拟，通过建立数学物理模型，根据提供的合理的边界条件和参数，可以对空调区域内空气流动形成的温度场、速度场和浓度场等进行模拟，直观的显示其设计结果，并根据设计结果对其可行性和合理性进行分析研究，不断优化设计方案，寻找有规律性的知识，更好的指导工程设计。Airpak软件是在FLUENT（CFD技术的一个软件包）基础上发展起来的一个工具软件。主要是针对通风系统的空气品质、热舒适性、空气调节及污染控制进行气流组织的模拟。Airpak提供了强大的物理模型创建功能和快捷全面的网格处理能力。将通风系统中常见的各种物理模型如墙、人、散流器和桌椅等以形象的实体模型表示，并提供了各种材料的物性数据库，满足不同系统设计的需求。Airpak在进行传热、传质以及流体流动的计算时将调用FLUENT软件的处理器。该处理器使网格可以有多种形状。对二维流动可以生成三角形和矩形网格；对于三维流动可以生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算还可以生成混合网格；其自适应功能能对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。处理器的数学模型是以N-S方程组为主体，再加上一些在主体方程组上补充附加源项、附加输运方程与关系式的附加模型。采用有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都优于传统编程中使用的有限差分法。采用压力校正法作为低速不可压流动计算方法，而可压缩流动采用耦合法。最后，Airpak根据计算结果进行后处理，其后处理模块具有三维显示功能来展现各种流动特性，还能以动画功能演示非定常过程。2研究对象的物理模型本文以25K型空调硬卧客车内部气流组织作为数值模拟计算对象。计算区域不包括车厢两端的乘务员室、配电室和洗手间，只选择车厢的中部即长为18865mm，宽为3105mm，高为2790mm的空间，车厢一侧有22组卧铺共66个铺位。送风方式采取顶部散流器送风，共有11个散流器。回风口设在车厢两端面的门上。[6~7]2.1边界条件入口边界条件：送风温度为18度，送风方式采用速度为u=0，w=v及u=0，w=-v的散流器两面送风方式，k=0.002，ε=0.00008；出口边界条件：回风压力为环境压力，k、ε为自由滑动；壁面边界条件：车内两端墙取为绝热面，地板也视为绝热面。车顶及两侧的壁面边界条件取为第三类边界条件，并取车体的综合传热系数K=1.16W/m2.K。客车内热负荷：人体散热量按每人115W计算，在模型中假设该热量均匀分布在卧铺的表面。车内机电设备散热量为22个功率均为60W的灯管散热量。2.2网格的划分由于车厢内结构复杂，为了更准确的反映车内的气流组织，在划分网格时对有物体的地方，如卧铺、茶几、电灯、散流器等处网格相对其他地方更细密。3数学模型在不考虑列车运行影响的情况下，可以将客室内空气流动视为一般室内气流组织的模型进行研究。3.1对于该紊流流动模型，采用k-ε两方程紊流模型进行数值模拟，假设条件为：（1）客车室内气体为不可压缩流体，且满足Boussinesq假设：认为流体密度的变化仅对浮升力产生影响；旷（毫2皱）流动为晓紊态流动榆；隆（训3浪）假定流她场具有高提的紊颠流脏R亿e奸数，流体窑的紊流粘贸性具有各枪向同性；奉（杨4条）气流为盘低速流动虫，可忽略进由流体粘村性力作功年所引起的撑耗散热；冲（卧5社）不考虑奋漏风的影税响，认为扮车厢内除齿了在两个铅车门处的思排风口外挂，车内气值密性良好累。爽3.2纺经控制方程虫对于不可菊压缩、定提常的流动久，根据以孟上的假设洗，该模型皆的控制方卷程可用如路下的通用锅形式：枪[8]董（结1坦）拖式含中闹洗为通用变窜量，代狠表真u越、呼v搬、踢w谎等求解变库量闸；您青为扩散系意数；翁为源项。裹该控制方保程的具体忠形式以张路量的形式做表示为：戚（像1盛）连续性销方程忧i茎，渔j=1,登2,3爱（冒2项）能量方辈程糕i=1,视2,3战(3敬)宇紊流动能亏方传程适(赔k推方俊程绣)耕i舞，泊j=1,竹2,3膊(4仅)景紊流动能娃耗散率方架程甚(歉ε园方悠程锄)尼i肿，振j=1,凶2,3察紊流粘性苍系数的表咱达青式钟:式中：询、裳、借、押、辽、缠、猪、乒为经验常亿数誉[8]惠；挎为空气定客压比热；哈g揭为重力加街速度；津k迅为流体紊右流动能；妹P楚为时均压亦力；树为热源强罪度；腥P喜r蜻为充分紊随流时的普密朗特数；霞T砍为流体温辅度；害T划0殃为参考温箩度；且U欠i骡为速度分扛量，怪当颂i=债1悼、贼2肺、躬3跪时分别代熄表丽X枪、犬Y饼、给Z景方向；炊ε退为紊流能专量耗散率典；模和姓分别为层刺流和紊流霞的动力粘薄性系数；借ρ驻为流体密相度；教β司为流体体堵积膨胀系醒数。勉4捧计算结果狡分析串（高1辜）采用车股顶送风的跪上送风方仇式，客室厕上铺由于沙距离车顶位较近，该先区域内的危风速比较刚大，上铺物的旅客会溉有明显的寸吹风感，矩舒适性比航中、下铺窜差。堡（屡2背）由于采列用了散流肾器两面送帮风，从吹映风口吹进源的气流在校客室内形粘成良好的狐回流，卧加铺靠近车胸窗一端的向气流流动忙加强，客策室走道的御气流也更冈加通畅。铜且每两组丰卧铺之间碌的过道上荡风速比铺远位区域的经风速大的挎多，铺位慎区域的风翠速能得到剑较好的控古制，可以逢通过调整提送风口的字位置和风诞速来改善丰客室内的锐气流组织爆，使其达化到理想的穿设计要求伍。逃（屯3伞）分25区K跌型列车采妨用的是全狐封闭式，部回风口设锈在车厢两苍头的走道得内，客室巩内气流的洋回风只能透通过客室境两端车门竭上的百叶课式回风口钻回风，造誉成客室两爸端的气流拐组织明显兼优于客室半中部的气疮流组织，眠中部气流益的流动性株相对较差览。亩（归4各）当送风牛速度在一连定范围内怪改变时，芦送风速度滤对客室内幕的气流组霞织影响不涛大，但各厉截面上的椅气流速度远将随之而足改变。客属室上部区觉域流速较唯大，温度改较低，下奏部区域速打度减小，帮气流流动废慢，温度高相对较高岭，一定程熟度影响了陆旅客的舒费适感。幸（领5像）客室内拍人体的散钱热以及外杂界太阳辐并射等对客府室内流场影的影响不弓大，但对匆温度场有当较大的影践响，因为希在模型中度假设人体该的散热量掘均匀分布省在各卧铺齐的上表面饼，使得在即距离卧铺阿一定距离凉的上表面晃区域温度焰较高，而策车窗附件笑受太阳辐膏射的影响是温度也比盐中部区域嫂高。学（屯6锹）车厢内葬的卧铺、羡茶几、行楼李架等对折客室内的伏温度场和坦速度场影威响较大。5结论庆1牲）采铜用介k池-愚ε钩两方程紊猜流模型，越结雨合粘Airp夏a脾k针软件乡对导25惰K邀型硬卧空暮调客车车圈厢内气流狮组织进行寿数值模拟拴，可根据惜已知的外东界条件和笔所要达到湖的要求，决对车厢内竭的温度场货和速度场插进行模拟得计算，为攀空调设计室提供参考始并进行改描进和优化尝，节约了齿大量的时提间和大量贞的人力、铃物力。纪2缺）姐25澡K炊型硬座客敏车空调系争统采用车家顶中部孔饮板下送风急的送风方雅式，使旅芽客座位都数处于气流塞旋涡中，鲁有利于旅品客对空气历流动的需密求，但由串于排风口念设在车厢衡两端，造念成车厢中叼部区域的怒空气流动大差，影响廉了旅客的落舒适性。参考文献溉[1]逝Chow零WK币稍．寄App录lied嘉Ene焦rgy猛尤，醋2001水(68牙)姐：墨135萄-159书[2]工尊靳谊勇，珍郁永章．洪制冷学报府，益2002原(2猾)嫩：禁30-3崇4倚[3]面绪张登春，刮陈焕新，责舒信伟等帅．铁道学负报量，首200覆2盘，御.24孟弟（交6畏）芝：天39-4矩3茅[4]偷Beij皮ing谋Hi-k拴eyTe弹chno狸logy言Cor证pora躲tion坡Ltd谁.A厅irpa考k2.1晓Tut俭oria比lGui纺