（工程热物理专业论文）轨道车辆排风系统流动特性研究.pdf

摘要 摘要 轨道车辆排风系统是整个车辆空调系统的重要组成部分之一，主要由排风 风道、排风风帽或废排装置等组成。排风系统的流动特性直接影响排风系统的 排风能力，当排风能力不足时，客室内空气流通不畅，客室正压升高。 对于采用塞拉门的轨道车辆来说，客室正压过高会导致塞拉门关闭阻力剧 增，塞拉门关闭困难甚至不能关上，不能保证车辆的安全运行。因此，排风系 统流动特性的研究，成为轨道车辆研究中的重要内容之一。本文采用实验和数 值模拟方法对排风系统及组成部分如排风风帽的流动特性进行了较为系统和深 入的研究，为排风系统的工程化设计提供参考。 本文首先采用实验方法研究了排风风帽的流动特性。排风风帽的进口压力 直接影响着排风风帽的排风能力及流动特性。当排风量在2 5 0 m 3 h - - - 5 5 0m 3 h 时， 有导风环的排风风帽进口压力要比无导风环的排风风帽低约1 0 ；排风风帽的阻 力系数与风帽排风量几乎无关，有导风环的阻力系数要比无导风环的阻力系数 小约1 4 。 其次，由于c f d 方法中湍流模型的适用性，分别采用标准k - e 湍流模型和 r e a l i z a b l e 加湍流模型对排风风帽的流动特性进行了模拟研究，两种湍流模型的 模拟结果很相近，相差不到2 。用实验结果对模拟结果进行了验证，证明了模 拟结果的准确性，模拟结果可信。因此本文采用标准h 湍流模型。 再次，对改进设计的排风风帽的流动特性进行了数值模拟研究。改进设计 的风帽中，在排风量为2 5 0m 3 h - - 一5 5 0 m 3 h 且轨道车辆静止时，排风风帽进口压 力按高低顺序为：风筒增大型风帽，方孔型风帽，增开圆孔型风帽，跑道型风 帽，喇叭型风帽。排风风帽的阻力系数的大小顺序为：风筒增大型风帽，方孔 型风帽，增开圆孔型风帽，跑道型风帽，喇叭型风帽。 对排风风帽在列车运行时的流动特性做了模拟研究。风帽排风量一定时， 风帽进口压力随列车运行速度的增加而升高。在排风量为4 0 0 m 3 h 时，方孔型风 帽，喇叭型风帽和增开圆孔型风帽中，方孔型风帽进口压力受列车运行速度的 影响最大，喇叭型风帽进口压力受列车运行速度的影响最小。 从排风系统的模拟研究中发现，车项分散安装8 个喇叭型风帽，当客室回风 摘要 口条缝宽度从1 6 m m 增大到6 4 m m 时，客室正压从3 2 7 p a 下降到2 9 1 p a ，降低 了1 1 。若排风道截面积增大3 ，当客室回风口条缝宽度从1 6 m m 增大到6 4 m m 时，客室正压从3 0 7 p a 下降到2 8 8 p a ，降低了9 。 若排风风道截面面积增大3 ，车项增加4 个风帽即车项安装1 2 个喇叭型排 风风帽，当回风口条缝宽度为1 6 m m 时，客室正压为2 5 4 p a ，低于车顶分散安 装8 个喇叭型排风风帽时的3 0 7 p a ，车内正压降低1 7 3 ；要比排风道截面不 变，车顶中间安装8 个方孔型风帽时的客室正压3 5 5 p a ，降低2 8 5 。 最后对今后进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：轨道车辆，排风系统，流动特性，排风风帽 a b s t r a c t t h ee x h a u s ts y s t e mw h i c hi sm a i n l yc o m p o s e do ft h ee x h a u s td u c t , e x h a u s t h o o d so re x h a u s te q u i p m e n t si so n ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h er a i lv e h i c l e a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m t h ea i r f l o wc h a r a c t e r i s t i co ft h ee x h a u s ts y s t e ma f f e c t st h e e x h a u s tc a p a c i t yo ft h ee x h a u s ts y s t e m t h ep o s i t i v ep r e s s u r eo ft h ep a s s e n g e r c o m p a r t m e n tw i l li n c r e a s ef f t h ee x h a u s ts y s t e mh a sl o w e r e x h a u s tc a p a c i t y w h e nt h ep o s i t i v ep r e s s u r eo ft h ep a s s e n g e rc o m p a r t m e n ti st o oh i g h ，t h es i d e p u l ld o o ri sh a r dt oc l o s eo re v e nc a nn o tc l o s e ，a n dt h er a i lv e h i c l ec a nn o tn l n t h e s t u d ya b o u tt h ea i l 咀o wc h a r a c t e r i s t i co ft h ee x h a u s ts y s t e mi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h e s t u d yo nr a i lv e h i c l e t h ea i l n o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x h a u s ts y s t e ma n de x h a u s t h o o d sr r es t u d i e di nt h ep a p e rb ye x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d f i r s t l y , t h ei n l e tp r e s s u r ed n - e c f l ya f f e c t st h ee x h a u s tc a p a c i t ya n da i r f l o w c h a r a c t e r i s t i co ft h ee x l l a ：u s th o o d t h ea i r f l o wc h a r a c t e r i s t i co ft h ee x h a u s t e dh o o di s s t u d i e db ye x p e r i m e n t a lm e t h o d w h e nt h ee x h a u s tf l o wm t ei s 丘o m2 5 0 m 3 ht o 5 5 0 m 3 h , t h ei n l e tp r e s s u r eo ft h ee k h 踟s th o o dw i t ht h ea i rg u i d er i n gi s1 0 l o w e r t h a nt h a tw i t h o u ti t t h ed r a gc o e f f i c i e n to f t h ee x h a u s th o o di sa l m o s ti n d e p e n d e n to f t h ee x h a u s tf l o wr a t e ；t h ed r a gc o e f f i c i e n to ft h ee x h a u s th o o d 、析lt h ea i rg u i d er i n g i s1 4 l o w e rt h a nt h a tw i t h o u ti t s e c o n d l y , t h ea i r f l o wc h a r a c t e r i s t i co ft h ee x h a u s th o o di sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d b yt h e s t a n d a r dk - et u r b u l e n tm o d e la n dt h er e a l i z a b l eb t u r b u l e n tm o d e l r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t sa r em u c hc l o s et oe a c ho t h e r t h ed i f f e r e n c ei sl e s st h a n2 t h er e s u l t sv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta r er e l i a b l e t h es t a n d a r dht u r b u l e n t m o d e li su s e di nt h i sp a p e r t h i r d l y , t h eb i l l o wc h a r a c t e r i s t i co ft h ei m p r o v e de x h a u s th o o di sa l s os t u d i e d b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w h e nt h ee x h a u s tf l o wr a t ei sf r o m2 5 0 m 3 ht o5 5 0 m 3 h a n dt h er a i lv e h i c l ei si ns t i l l ，t h e “e tp r e s s u r e so ft h ee x h a u s th o o d sa r ei nt h eo r d e r o f t h ei n l e td u c te n l a r g e m e n te x h a u s th o o d ，t h es q u a r e - h o l ee x h a u s th o o d ，t h ea d d e d c i r c l e - h o l ee x h a u s th o o d , t h er u n w a ye x h a u s th o o da n dt h eb e l le x h a u s th o o d a m o n g w h i c ht h ed u e te n l a r g e m e n te x h a u s th o o di so f t h eh i g h e s ti i l l e tp r e s s u r e h i a b s t r a e t w h e nt h ee x h a u s tf l o wr a t ei s4 0 0 m 3 h ，t h ei n l e tp r e s s u r eo ft h ee x h a u s th o o d r i s e sw i t ht h ei n c r e a s e dr a i lv e h i c l es p e e d a m o n gt h es q u a r e - h o l ee x h a u s th o o d ，t h e a d d e dc i r c l e h o l ee x h a u s th o o da n dt h eb e l le x h a u s th o o d ，t h ei n l e tp r e s s u r eo ft h e s q u a r e h o l ee x h a u s th o o di sm o s ta f f e c t e db yt h er a i lv e h i c l es p e e da n dt h eb e l l e x h a u s th o o di sl e a s ta f f e c t e d t h e r ea r c8b e l le x h a u s th o o d sd i s p e r s e d l yf i x e do nt h et o po ft h er a i lv e h i c l e - 1 1 l ea i rr e t u mo p e n i n gi sw i d e n e df r o m16 m mt o6 4 m m ，t h ep o s i t i v ep r e s s u r eo ft h e p a s s e n g e rc o m p a r t m e n td e c r e a s e sf r o m3 2 7 p at o2 9 1 p 钆w h i c h i sa b o u t11 r e d u c t i o n i f t h ec r o s ss e c t i o n a la r e ao f t h ee x h a u s td u e ti si n c r e a s e d3 a n da i rr e t u r n o p e n i n gi sw i d e n e df i o m1 6 r a mt o6 4 r a m ，t h ep o s i t i v ep r e s s u r eo ft h ep a s s e n g e r c o m p a r t m e n td e c r e a s e sf r o m3 0 7 p at o2 8 s p a , w h i c hi sa b o u t9 9 6r e d u c t i o n i ft h ec 1 0 5 5s e c t i o n a la r e ao ft h ee x h a u s td u e ti si n c r e a s e d3 - a n da n o t h e r4b e l l e x h a u s th o o d sa r cf i x e do nt h et o po f t h er a i lv e h i c l e ，t h a ti st os a y , t h e r ea l e1 2h o o d s 硼他a i rr e t u r no p e n i n gw i d t hi s16 m m ；t h ep o s i t i v ep r e s s u r eo ft h ep a s s e n g e r c o m p a r t m e n ti s2 5 4 p 乱w h i c hi s17 3 9 6l o w e rt h a n3 0 7 p af o rt h a tt h e r ea r e8b e l l e x h a u s th o o d sd i s p e r s e d l yf i x e d a n di ti sa l s o2 8 5 l o w e rt h a nt h a tw h e nt h e r ea l e8 s q u a r e h o l ee x h a u s th o o d sa l lf i x e di nt h em i d d l eo f t h ev e h i c l et o p ，w h i c hi s3 5 5 p a f i n a l l y ，f u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o ni sd i s c u s s e db r i e f l y k e y w o r d s ：r a i lv e h i c l e ，e x h a u s ts y s t e m , a i r f l o wc h a r a c t e r i s t i c ，e x h a u s th o o d i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：；宝嘏 叫年弓月，7e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 翟 沙7 年弓月一7 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 轨道车辆排风系统概述 1 1 1 排风系统的组成及作用 轨道车辆通风系统n 名3 1 主要由送风系统、回风系统，新风系统和排风系统等 组成，它的作用是将车外新鲜空气吸入并与车内再循环空气混合，在滤清灰尘 和杂质后，再送入到车内，同时排出车内多余的污浊空气，以保证车内空气的 含氧量、洁净度以及合理的流动速度和气流组织。送风系统主要由主、辅送风 风道，送风机，送风口等组成；新风系统主要由气水分离装置，空气过滤装置， 新风风道，新风门等组成。 排风系统是通风系统的重要组成部分之一，主要有两种形式，一种是通风 器( 如排风风帽或废排装置) 排风系统，另一种是风机与通风器串联工作的排 风系统。对于轨道车辆来说，主要是通风器自然排风系统，主要由排风道，排 风风帽或废排装置等组成。图1 1 是某国产轨道车辆的排风系统图。 对轨道车辆来说，当通过车门开闭和门窗缝隙不能完全置换客室内空气时， 一般需要设置排风口或排风装置，将客室内的多余空气排出车外。轨道车辆上 设置排风装置有如下优点： ( 1 ) 直接将拥挤人群所散发的热量通过废排装置排出，减少上涌热气流与 空调系统送入的有效空气的干扰。 ( 2 ) 在冬季有利于热气流下沉。 ( 3 ) 排除废气，提高客室内空气新鲜度，使其达到国家卫生标准要求，满 足乘客和车上工作人员的生理要求和舒适度要求。 第1 章引言 图1 1 某国产轨道车辆排风系统图 1 1 2 轨道车辆排风系统对客室正压的影响 通常轨道车辆内乘客较多，客室内要求全面送风。通过通风系统送入车内 的空气中通常含有新鲜空气和部分再循环空气，其通风量为新鲜空气量和再循 环空气量之和。当排风量略小于或等于新风量，一般为新风量的9 0 , - 一9 5 时， 客室压力才能保持平衡，维持客室内一定的正压璐1 。客室内保持正压，可有效防 止外界未经处理的空气及灰尘渗入客室内。 由于轨道车辆内的乘客较多，所需要的新风量大，需要的排风量也很大， 当排风系统排风能力不足时，会使客室内的正压值增大。对于采用塞拉门的轨 道车辆来说，客室压力过大，会使塞拉门关闭阻力剧增，塞拉门关闭困难甚至 不能关闭，不能保证轨道车辆的正常运行。而客车空调设计参数要求的客室正 压值范围为9 8 p a - - 一2 9 4 p a 6 j 。 1 2 轨道车辆排风情况的发展历程 轨道车辆的排风情况大致经历了三个阶段阢射，其分别如下： ( 1 ) 初级阶段自然通风 轨道车辆上没有空调装置，车顶装有自然通风器，客室内顶板上装有格栅， 2 第1 章引言 通过格栅及自然通风器与客室相连。这种轨道车辆的密封性、保温性很差。通 常这种轨道车辆在春夏秋三季靠开窗通风换气，在冬季换气量不足，客室内空 气品质低劣。轨道车辆上一般不设排风装置，主要利用轨道车辆运行或自然通 风的空气流动将客室内污浊的空气直接排出车外。 ( 2 ) 中级阶段普通空调客车 在七十年代后期，轨道车辆开始安装空调，车辆通风也随之发展。这时的 轨道车辆也配置了自然通风器，轨道车辆的密封性能得到提高，但车内的空气 品质仍然很差，只能满足乘客的一般要求。 空调系统将车内回风和室外新风以一定的比例混合，经过滤、冷却或加热 后送入主风道，再通过各送风口将处理后的空气送入客室和其它用风的地方( 如 厕所、乘务员室等) ，客室内的一部分空气经废排装置排出车外，另一部分供 循环使用。车内排风不是强迫排风，仅依靠车内正压排出多余空气。表1 1 是 我国部分轨道车辆的排风情况。 表1 1 我国部分轨道车辆的排风情况 车型排风情况 硬座正压自然排风 硬卧正压自然排风和废排风机排风 软座废排风机排风 软卧正压自然排风和废排风机排风 ( 3 ) 高级阶段高速空调客车 在高速列车通风方面，日本，法国和德国这三个国家的技术较为先进。为 保证旅客旅行的舒适，客车空调的排风技术显得非常重要。表1 2 是部分国外 轨道车辆的排风情况。 表1 2 部分国外轨道车辆的排风情况 国别车型排风情况 日 2 1 0 0 系列正压自然排风和废排风机排风 本 2 0 0 系列废排风机排风 3 0 0 系列废排风机排风 e l 电动车正压自然排风和废排风机排风 德 l c e l 和i c e 2 正压自然排风和废排风机排风 国 i c b 3 正压自然排风和废排风机排风 法国t 1 2 0 0 0 时，可按下列公式计算： c i ：0 9 9 8 6 一下7 0 0 6 + 1 3 4 6 1 2 ( 2 6 ) 当喷嘴喉部的雷诺 ( 2 7 ) 第2 章排风风帽流动阻力特性的实验研究 喷嘴前后静压差觑，用倾斜式压力计测定，其压差计算公式为( 2 8 ) 姐= 9 8 1 x 0 2 x l ( 2 8 ) ( 其中9 8 1 是l m m 水柱的的压力系数，0 2 是倾斜式微压计的系数，三是 倾斜式微压计酒精柱长度，m m ) 。 ( 4 ) 变频器和调速风机 风量由变频器和调速风机调节，以确保不同实验工况下的流量，便于分析。 为了能任意调节风量，实现无级调速，选用了f r - e 5 0 0 ( 三菱) 变频器，调 速风机为w 9 1 9 型3 6 a 离心通风机，标牌名义最大风量为8 0 0 m 3 h ，最大压 力为2 8 0 0 p a 。 通过变频器调节风机的转速，实验中测量了排风量在2 5 0 m 3 h - - ，5 0 0 m 3 h 之 间共6 个工况下风帽的流动特性。 ( 5 ) 测试所用仪器仪表 测试所用仪器仪表如表2 1 所示。 表2 1 测试所用仪器仪表 序号名称 准确度 数量 1 s y t - - 2 0 0 0 型数字式微压计l l 2 z b y 2 1 5 - - - 8 4 空盒式气压表 0 11 3 二级标准水银温度计 0 11 4 y y t - - 2 0 0 b 倾斜式压力计11 2 4 实验内容 2 4 1 实验内容 本实验测量内容： ( 1 ) 排风风帽排风量的测量； ( 2 ) 排风风帽进口压力的测量。 2 4 2 实验步骤 ( 1 ) 按照测量装置图连接好各仪器仪表； 1 3 第2 章排风风帽流动阻力特性的实验研究 ( 2 ) 检查倾斜式微压计是否调零； ( 3 ) 开启电机，调节变频器频率，待系统稳定后，读取流量测量装置上倾 斜式微压计的读数厶得到进入风帽的风量q ； ( 4 ) 读取静压测量装置上的风帽进口压力局； ( 5 ) 调节变频器的频率，调节进入风帽的风量，重复步骤( 3 ) 。 2 5 实验数据及处理 有导风环和无导风环时的风帽实验数据及处理结果分别见表2 2 和表2 3 。 表2 2 有导风环时风帽的实验数据及处理结果 空气流量空气流量风帼进口进口 测量装置测量装置排风量速度压力 进出口 阻力系数 压差却 占 压力计读数工 压差觑q 口 死 ( p a ) ( m m h 2 0 ) ( p a )( m 3 h )( m s )( p a ) 3 1 56 1 72 5 01 8 31 8 01 6 57 9 4 5 68 9 43 0 12 2 02 6 12 3 97 9 6 1 91 2 1 33 5 12 5 73 7 53 4 58 4 8 0 81 5 8 44 0 12 9 34 4 7 4 0 8 7 6 1 0 2 52 0 0 94 5 13 3 05 9 55 4 58 o 1 2 ( 3 42 4 7 75 0 13 6 67 6 47 0 38 4 1 5 3 02 9 9 95 5 14 0 39 3 68 6 28 5 表2 3 无导风环时风帽的实验数据及处理结果 空气流量空气流量风帽进口进口 测量装置测量装置排风量速度压力 进出口 阻力系数 压差a p 占 压力懒z压差奶 q 口 乃 ( p a ) ( m m h 2 0 ) ( p a ) ( m 3 b _ )( m s ) ( p a ) 3 1 26 1 22 4 21 7 71 9 51 8 19 2 4 6 09 0 22 9 52 1 63 0 52 8 49 8 6 1 91 2 1 33 4 32 5 13 9 83 7 09 5 8 1 0 1 5 8 8 3 9 3 2 8 7 5 1 - 9 4 8 29 4 1 0 2 92 0 1 74 4 33 2 46 5 86 1 19 3 1 2 6 22 4 7 44 9 13 5 97 9 87 4 09 2 1 5 2 12 9 8 15 3 93 9 49 7 49 0 49 3 1 4 第2 章排风风帽流动阻力特性的实验研究 对表2 2 和表2 3 的进口压力和阻力系数进行最小二乘法进行非线性拟合， 在对数坐标系中，以排风量为横坐标轴，风帽进口压力为纵坐标轴，风帽在有、 无导风环时，进e l 压力随排风量的变化如图2 6 所示；以对应排风量q 下的雷 诺数胎为横坐标，以对应雷诺数下的风帽阻力系数s 为纵坐标，可以得到风帽 的阻力系数与排风量的关系，如图2 7 所示。 1 0 0 8 0 6 0 誊4 0 簧 蹬 墨 栽 3 0 03 5 04 0 04 5 05 0 05 5 0 柞风锨口( m ) 图2 6 有无导风环时风帽的进口压力与排风量关系图 1 5 第2 章排风风帽流动阻力特性的实验研究 q 豢 骚 文 速 雷游数鼢 图2 7 有无导风环时风帽的阻力系数与雷诺数关系图 由风帽的进口压力与排风量的关系即图2 6 可知，风帽排风量一定时，导 风环的存在对风帽进口压力影响较大。无导风环时风帽的进口压力要比有导风 环时的高约1 7 。这是因为当风帽结构一定时，导风环对风帽内部的空气流动起 到导流作用，让风帽内部的空气有效地排出。 由阻力系数与雷诺数的关系如图2 7 可知，风帽的阻力系数几乎不随雷诺 数的变化而变化，即阻力系数与风帽的排风量的大小几乎无关。无导风环的风 帽阻力系数要比有导风环大，无导风环的风帽阻力系数为9 4 ，有导风环的风帽 阻力系数为8 1 ，无导风环的风帽阻力系数要比有导风环的大1 4 。 由阻力系数和进口压力与排风量的关系可知，风帽导风环可以有效的降低 风帽进口压力和阻力系数，提高风帽的排风能力。 2 。6 小结 通过对某国产轨道车辆上的排风风帽的流动特性的实验研究，可得到如下 结论： 1 6 第2 章排风风帽流动阻力特性的实验研究 ( 1 ) 排风风帽进口压力随排风量的增加而增大，风帽排风量在2 5 0 m 3 h 5 5 0 m 3 h 时，无导风环的风帽进口压力比有导风环的高约1 7 。 ( 2 ) 排风风帽的阻力系数几乎不随雷诺数的变化而变化，风帽排风量在 2 5 0 m 3 h - - - 5 5 0 m 3 h 时，无导风环的风帽阻力系数为9 4 ；有导风环的风帽阻力系 数为8 1 ，无导风环的风帽阻力系数要比有导风环的高约1 4 。 1 7 第3 章数值模拟方法及适用性研究 第3 章数值模拟方法及适用性研究 3 1 数值模拟方法介绍 3 1 1 数值模拟的特点 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y r m m i c s ，即计算流体动力学) 是进行“三传 ( 传热、传质、动量传递) 及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术， 广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工等诸多工程领域， 暖通空调制冷行业也是c f d 技术应用的重要领域之一。 在暖通空调制冷工程设计与产品研发及其它行业中，一般只能依靠经验和 实验以及简单的理论分析来完成工程设计及产品研发工作。在传统的设计与研 发过程中，由于牵涉的环节很多，产品的开发周期长，费用高。而计算流体动 力学即c f d 的应用则改变了传统的设计过程。由于c f d 软件可以相对准确地给 出流体流动的细节，如速度场、压力场、温度场或浓度场等的时变特性，因此 c f d 软件不仅可以准确预测产品的整体性能，而且很容易从对流场的分析中发 现产品或工程设计中的问题，据此提出的改进方案只需重新计算就可以判断、 评估改进是否有效，并容易得到某些规律性的知识。计算流体动力学研究相对 于实验研究具有以下优点b 瓦蚓： ( 1 ) 成本低 在大多数实际应用中，计算机运算的成本要比相应的实验研究成本低好几 个数量级。在进行实验的同时，用计算机模拟结果来补充实验资料也很有价值。 ( 2 ) 速度快 数值模拟可以使研究者在很短的时间内研究数百种不同的方案，并从中选 择出最佳方案，而实验方法往往要花费较长的时间。 ( 3 ) 资料完备 使用数值模拟方法，可以降低诸如由传感器等引起的流场扰动在测量上的 误差，且在模拟中几乎没有达不到的位置。 ( 4 ) 具有模拟真实条件的能力 数值模拟中可以很容易地模拟真实条件，不需要采用缩小或放大的模型。 1 8 第3 章数值模拟方法及适用性研究 ( 5 ) 具有模拟理想条件的能力 理想条件在实验中无论采取什么方法都难以达到，而在数值模拟中可以很 方便的达到。 3 1 2o f d 数值模拟方法 c f d 数值模拟方法主要有：有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f 江) ；有 限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ；有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ， f d m ) 等。它们的区别在于区域的离散方式、方程的离散方式及代数方程的求 解方法这三个环节。有限体积法是将所计算的区域划分为一系列的控制容积， 每个控制容积都有一个节点作代表，通过将守恒型的控制方程对控制容积作积 分来导出离散方程。在导出过程中，需对界面上的被求函数本身及其一阶导数 的构成做出假定，这种构成方式就是有限体积法中的离散方式。由于用有限体 积法导出的离散方程可以保持原微分方程的守恒特性，而且离散方程中系数的 物理意义明确，目前大多数大型商业化c f d 软件都采用了有限体积法。本文采 用基于有限体积法的数值模拟方法。 3 2 湍流的数值模拟方法 3 2 1 湍流的数值模拟方法 湍流流动是自然界常见的流动现象，在多数工程问题中，流体的流动往往 处于湍流状态，湍流流动在工程中占有重要的地位。实验表明，当雷诺数小于 某一临界值时，流动是平滑的，相邻的流体层彼此有序地流动。当雷诺数大于 某一临界值时，会出现一系列复杂的变化，最终导致流动本质的变化，流动呈 现无序的混乱状态。 c h e n 和j a w 等m 1 认为湍流是一种高度复杂的三维非稳定、带旋转的不规则 运动。在湍流中流体的各种物理参数，如速度，压力，温度等都随时间和空间 发生随机的变化。从物理结构上说，可以把湍流看成是由各种不同尺度的漩涡 叠合而成的流动，这些漩涡的大小以及旋转轴方向的分布都是随机的。一般认 为，无论湍流运动是多么地复杂，非稳态的n a v i e r = s t o k e s 方程对于湍流的瞬时 1 9 第3 章数值模拟方法及适用性研究 运动仍然是适用的。 目前广泛采用的湍流数值模拟方法大致分为嘶孤捌： ( 1 ) 直接数值模拟( d n s ) 直接数值模拟是直接利用非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程对湍流进行计算，其 优点是无需对湍流流动做任何简化或近似，理论上可以得到相对准确的模拟结 果。但是这种方法对内存空间和计算速度要求非常高，目前还没有真正意义上 的工程计算。 ( 2 ) 大涡模拟( l e s ) 大涡模拟是利用非稳态的n a v i e r - s t o k c s 方程直接模拟湍流中的大尺度涡， 不直接模拟小尺度涡，而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。大涡模拟 方法对计算机内存和速度的要求仍比较高，但远远低于直接数值模拟对计算机 资源的要求，近年来有关的研究和应用日趋广泛。 ( 3 ) 雷诺时均方程法( 砒蝌s ) 雷诺时均方程法是对n a v i e r - s t o k e s 方程进行时均化，将瞬态的脉动量通过 某种模型在时均化的方程中体现出来，核心是求解时均化的雷诺方程，这样可 以避免在直接数值模拟方法中计算量大的问题，而且在工程应用中取得了很好 的效果。雷诺时均方程法是目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法。 根据对雷诺应力做出的假设或处理方式的不同，目前常用的湍流模型有雷 诺应力模型和涡粘模型。其中雷诺应力模型包括雷诺应力方程和代数应力方程。 在涡粘模型中，不直接处理雷诺应力项，而是引入了湍动粘度，然后把湍流应 力表示成湍动粘度的函数。根据湍动粘度的微分方程数目，涡粘模型包括：零 方程模型，一方程模型和两方程模型。目前两方程模型在工程中使用最为广泛， 最基本的两方程模型是标准加模型，即分别引入湍动能后方程和湍动能耗散率 s 方程。此外还有各种改进的h 模型，比较著名的是r n g 加模型和r e a l i z a b l e k - 模型。 3 2 2 弘端流模型 3 2 2 1 控制方程 标准加模型是典型的两方程模型，是目前应用最为广泛的湍流模型，该模 型是由l a u n d e r 和s p a l d i n g 嘲于1 9 7 2 年提出的。该模型由以下的基本控制方程 第3 章数值模拟方法及适用性研究 组成： ( 1 ) 连续性方程 粤+ d i v ( p u ) = o ( 2 ) 动量方程 t o ( p u ) + d i v ( p u u ) = d i v ( g r a d u ) 一罢+ 瓯 了a ( p v ) + d i l ，( p v u ) ：d i v ( v g r a d v ) 一罢+ s a ta v 1 _ a ( p f w ) + d i v ( p w u ) ：d i v ( g r a d w ) 一罢+ & 及玉 。 ( 3 ) 能量方程 o(pr)+div(put)：抓土g，谢+品ot c 。 71 ( 4 ) 湍动能k 方程 塑+掣2孙+钏针q睁psot 瓯 魏 钙吒jq j 6朋 ( 5 ) 湍动耗散率方程 挈+ 掣= 熟+ 刳考卜妻c q 吲屯掣8 2 疋 式中：p 密度，k g m 3 , u - - - 速度矢量； f 时间，s ； 流体动力粘度，n s m 2 ； ，y ，w 速度矢量u 在x ，y ，z 方向上的分量，m s ： p 压力，p a ； 鼠，墨，& 叫，y ，z 方向上的源项； c p 比热，k j k g - k ； r 温度，k ； 昌粘性耗散项； q 由平均速度梯度引起的湍动能k 产生项： 2 1 ) ) ) ) ) ) ) l a b c 3 4 5 勉 髓 既 4 巧 3 3 3 置 孔 文 ( ( ( 第3 章数值模拟方法及适用性研究 q 由浮力引起的湍动能k 产生项； 可压湍流中脉动扩张量： 吼，巳对应的p r a n d t l 数： 最，疋用户定义源项； 置- 2 鸬粘性系数，鸬= 孵等。 其中巴，c l 萱，c 2 f ，以等均为经验常数。根据l 姗d e r 等人的推荐值 及实验验证，经验常数的取值见表3 1 。 表3 1h 模型中的经验常数取值 巴q fc l吒0 1 0 0 91 4 41 9 21 01 3 3 2 2 2 肛濮型的适用性 通常乜s 模型是针对发展非常充分的湍流流动而建立的，就是针对高雷诺数 的湍流模型。因此，对于雷诺数较低的流动使用加模型进行模拟时就会出现问 题，必须采用特殊的处理方式以解决近壁区内的流动计算问题。如采用壁面函 数法可解决近壁区的流动计算问题。 标准h 模型在科学研究和工程实际中得到了最为广泛的检验和成功应用。 但郭鸿志等“妇对传输过程的数值模拟发现，标准k - s 模型用于强旋流，弯曲壁面 流动或弯曲流线流动时，会产生一定的失真。原因是在标准加模型中，对于雷 诺应力的各个分量，假定粘性系数从是各向相同的标量。而在弯曲流线的情况 下，湍流是各向异性的，粘性系数鸬是个各向异性的张量。v e r s t e e g ，m a l a l a s e k e r a 和m o i l l 呱蜘在各自的研究中发现，标准k - e 模型对时均应变率特别大的情形可能 导致负的正应力。 3 3 壁面函数法 当流体在近壁面区内雷诺数比较低时，湍流发展并不充分，湍流的脉动影 响不如分子粘性的影响大，因此引入了壁面函数法m 1 来求解近壁面区的流动问 题。 第3 章数值模拟方法及适用性研究 壁面函数法就是利用一组半经验公式，用于将壁面上的物理量与湍流核心 区内待求的未知量直接联系起来。基本思想是：对于湍流核心区的流动使用后咕 模型求解，壁面区不进行求解，而直接使用半经验公式将壁面上的物理量与核 心区的求解变量联系起来。这样，不需要对壁面区内的流动进行求解，就可直 接得到与壁面相邻控制体积的节点变量值。 3 3 1 近壁区流动特点 大量的实验表明，对于有固体壁面的充分发展的湍流流动，沿壁面法线不 同距离上，可将流动划分为壁面区和核心区( 或称外区) 。在壁面区，根据流体 流动受到壁面运动条件的影响可以分为： ( 1 ) 粘性底层 粘性底层是一个紧贴壁面的极薄层，其中粘性力在动量和质量交换中起主 要作用，湍流切应力几乎可以忽略，流动几乎为层流。 ( 2 ) 过渡层 位于粘性底层的外面，其中粘性力和切应力的作用相当，流动状况比较复 杂。由于其厚度极小，在工程计算中通常归入对数律层。 ( 3 ) 对数律层 处于最外层，其中粘性力影响不明显，湍流切应力占主要作用，流动处于 充分发展的湍流状态，流速分布接近对数律。 3 3 2 壁面函数法 引入以1 。和y 1 等尢重荆_ 爹裂，分别表不速发利距呙： + 甜 甜= 一 心 y + ：a y p u , ：垒，悔 “ 1 ，vp 式中：砧流体的时均速度，m s ； 咋q 面摩擦溅m s ”序； ( 3 6 ) ( 3 7 ) 第3 章数值模拟方法及适用性研究 勺壁面切应力，p a ； 妙到壁面的距离，m m 。 当y + 5 时，流体流动处于粘性底层，这时速度沿壁面法线方向呈线性分 布，即：“+ = y + o 当6 0 y + 3 0 0 时，流动处于对数律层，这时速度沿壁面法线方向呈对数 律分布，即： 矿= 土m y + + 曰= 三l i l ( 毋+ ) ( 3 8 ) 茁茁 式中：r - k a 咖a n 常数，文献推荐值为r = 0 4 1 8 7 ； 曰，卜与表面粗糙度有关的常数，文献1 推荐值为圆l = 5 5 ，e - - 9 7 9 3 。 m o i n 洲推荐将y + = 1 1 2 2 5 作为粘性底层与对数律层的分界面。 3 4 流场数值模拟算法 目前工程上使用最广泛的流场数值模拟算法是压力修正法。 3 4 1 压力修正法 压力修正法的实质是迭代法。在对动量方程的离散形式进行迭代求解的任 一层次上，先给出压力场的初始猜测值，也可以是假定的或上一层次计算所得 到的，据此求出猜测的速度值。再求解根据连续方程导出的压力修正方程，对 猜测的压力场和速度场进行修正。如此循环往复，直到得到压力场和速度场的 收敛解。 在压力修正法的多种实现方式中，s i m p l e 算法应用最为广泛，也是各种 c i d 软件普遍采用的算法。 3 4 2s i m p l e 算法简介 s i m p l e 算法是是英文s e m i - i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e - l i n k e de q u a t i o n s ( 压力耦合方程组的半隐式方法) 的缩写，是压力修正法中最基本的一种，自 从1 9 7 2 年p a t a n k a r 和s p a l d i n g 啕提出该方法以来，该方法广泛应用于求解不 可压流动( 也可以用于可压流动) 。其核心采用“猜测验证”的过程，在交错网格 第3 章数值模拟方法及适用性研究 的基础上来计算压力场，从而达到求解动量方程的目的。其计算步骤如下： ( 1 ) 假定一个速度分布，用于计算首次迭代时的动量离散方程中的系数项 和常数项； ( 2 ) 假定一个压力场，给定压力猜测值p ； ( 3 ) 根据压力猜测值p ，求解动量离散方程，得到新的速度场； ( 4 ) 求解压力修正值方程，得到新的修正压力值； ( 5 )