（工程热物理专业论文）空调列车气流组织的数值分析.pdf

北京交通大学硕士论文中文摘要 中文摘要 随着我国铁路第六次提速，旅客对空调列车的舒适性提出了更高的要求。但 当前空调列车的空气品质与旅客的期望值仍有差距，主要表现在关键部位空气龄 较长，p m v 不达标，影响了旅客的舒适性，因此对改进列车空调系统的呼声愈来 愈高。由于不同的通风方式及送排风口位置会产生不同的气流组织，因此本文选 取顶置混合通风、孔板送风、下送上排通风( 准置换通风) 进行仿真研究，以便 对目前列车空调系统的改进提出理论依据。在模拟中突出了以人为本的研究理念， 根据铁标规定选取旅客坐姿、睡姿、站姿的高度进行气流组织研究。 由于美国f l u e n t 公司专门用于暖通空调领域的a i r p a k 软件具有快速地建模功 能，强大的求解器及后处理显示功能，又限于实验条件，因此本文采用该软件对 2 5 t 型软卧空调车的不同通风方式进行数值模拟。首先对模型进行简化，然后通过 文献的实验数据和相同条件下a i r p a k 模拟结果进行对比，验证a i r p a k 模拟方法的 正确性。以此为基础，对软卧车混合通风、孔板通风、准置换通风方式建模，并 进行了多种送风参数的模拟计算，对各种送风参数典型截面的p m v 值及平均空气 龄值进行了对比分析，找出了较理想的送风参数。最后，将三种通风方式在温度 分布、速度分布、空气品质及节能方面进行了比较分析，得出了很多有益的结论。 通过研究发现：用数值模拟的方法分析和评价车厢内气流组织是可行的；本 文对三种通风方式分别计算了不同送风参数组合，得到了每种送风方式的最佳参 数组合；在达到相同舒适度的准置换通风比混合通风方式具有送风温度高，空气 品质好，节能等优点；准置换通风在0 5 m 处空气龄值最小，刚好对应于下铺旅客 睡姿位置，对旅客的最佳睡姿给出建议。 关键词：数值模拟；：混合通风；孔板通风；准置换通风：空气品质 北京交通人学硕士论文a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h es i x t ht i m eo fc h i n e s er a i l w a ys p e e du p ，t h ep a s s e n g e r sb r i n gf o r w a r d h i g h e rr e q u e s tt ot h ec o m f o r to fr i d i n gi nt h ea i r - c o n d i t i o n i n gt r a i n b u tt h e r es t i l lh a v ea g a pb e t w e e na i rq u a l i t ya n dp e o p l e se x p e c t e dv a l u e ，m o s t l yi nl o n ga i ra g e ，b a d p m v , a f f e c tt h ec o m f o r to fp a s s e n g e r s b e c a u s ed i f f e r e n tv e n t i l a t i o nm o d ea n dp o s i t o no f g i v e e j e c td r a u g h tc a nc a u s ed i f f e r e n ta i rd i s t r i b u t i o n ，s ot h et h e s i su s es i m u l a t e d m e t h o dt os t u d yt h eh y b r i d ，p e r f o r a t e d - p a n e l ，d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o nu s i n gi nt h et r a i n ， a i m i n ga tp r o v i d ear e f e r e n c et ot h ei m p r o v e m e n to ft h ep r e s e n tt r a i n sa i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e m t h e t h e s i sc h o o s ep a s s e n g e r s e a t ，s l e e p i n ga n ds t a n d i n gp o s t u r e t o s t u d y a c c o r d i n gt ot h er a i l w a ys t a n d a r d ，r e f l e tt h ep e o p l e o r i e n t e dd e s i g ni d e a o w i n g t ot h es o f t w a r ea i 印a 1 ( h a ss p e e d i l ym o d e lb u i l df u n c t i o n , p o w e r f u ls o l v e r , p o s t - p r o c e s s i n gd e m o n s t r a t ef u n c t i o na n ds h o r to fe x p e r i m e n tc o n d i t i o n ，s ot h et h e s i s u s et h i ss o f t w a r et od os i m u l a t i o no nd i f f e r e n tv e n t i l a t i o no f2 5 ts o f ts l e e p i n gc a r f i r s t l y , p r e d i g e s tt h em o d e l ；a f t e rt h a t ，q u o t i n gt h ed o c u m e n t i n ge x p e r i m e n td a t at ot e s tt h e r e l i a b i l i t yo fs i m u l a t i n gm e t h o d a b o v et h eb a s i s ，m a k en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nh y b r i d ， p e r f o r a t e d p a n e la n dd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o no ft h ec a r , c h a n g et h eg i v e nw i n d s t e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yt os t u d y , o nt h es a n l et i m e ，a n a l y z ea n dc o n t r a s tt h ep m v v a l u e a n dt h em e a na i ra g ev a l u eo ft h et y p i c a ls e c t i o n sw i t hd i f f e r e n tv e n t i l a t i o n p a r a m e t e r s ，f i n do u tt h ee x c e l l e n tp a r a m e t e r so fa i rs u p p l y i nt h ee n d ，c o m p a r et h et h r e e v e n t i l a t i o n si nt h ew a yo ft e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n , t h ei n d o o ra i rq u a l i t y a n de n e r g ys a v i n g , o b t a i nm a n yb e n e f i c i a lc o n c l u s i o n s i t i sf e a s i b l et h a tu s en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt o a n a l y z ea n de v a l u a t et h ea i r d i s t r i b u t i o ni nt h eh i g h s p e e dt r a i n t h i st h e s i sc a l c u l a t ed i f f e r e n tg i v e nw i n d s p a r a m e t e r s o ft h r e ev e n t i l a t i o n s ，o b t a i nt h eo p t i m a lp a r a m e t e r s c o m p a r et o h y b r i d v e n t i l a t i o n ，t h ed i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o nh a v et h em e r i to fh i g hg i v i n gw i n dt e m p e r a t u r e ， g o o da i rq u a l i t ya n dl e s se n e r g yc o n s u m e d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o nh a st h em i n i m u ma i r a g ev a l u ea tt h eh e i g h to f0 5 m j u s tc o r r e s p o n d i n gt ot h ed o w nb u n kp a s s e n g e r s s l e e p i n gl o c a t i o n , a n dg i v eo u ts u g g e s t i o nt op a s s e n g e r ss l e e pp o s t u r e k e y w o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；h y b r i d v e n t i l a t i o n ；p e r f o r a t e d - p a n e lv e n t i l a t i o n ； d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n ；q u a l i t yo fa i r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留，使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：劫1 碑 签字日期： 研年4 月研日 导师签名：磷善 签字日期：二矽口驴年争月矽日 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：矧辫 签字日期：j 。哟年隼月增日 致谢 本论文的工作是在导师钱兴华教授的悉心指导下完成的。钱兴华教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在此衷心感谢三年来钱兴 华老师对我的关心和指导。 宁智教授，徐宇工教授对于我的科研工作和论文的后期制作提出了许多宝贵 意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，申伟、王伟涛等同学对我论文中的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人对我的一贯支持，他们的理解和教诲使我能够在学校专心完 成我的学业。 第1 章绪论 1 1 研究目的及意义 第1 章绪论 伴随着2 0 0 7 年4 月1 8 同开始的我国铁路第六次提速，国内主要干线的时速 已经提至2 0 0 公里，同时空调列车已经成为客运的主流车型。由于列车速度的提 高，旅客已不满足于现今列车的旅行环境、服务质量、管理水平、方便程度等并 提出新的要求，而对空调列车气流组织的要求更为明显。气流组织是指合理地组 织车厢内空气的流动，使车厢内空气的温度、湿度、流速等能更好地满足工艺要 求和符合人体的舒适感。旅客对气流组织的新要求主要表现为： ( 1 ) 对新风量的要求 新风量不足，将不能有效地稀释和带走车内产生的污染物，将导致车内空气 品质变差。目前以混合通风为主的空调列车普遍存在新风量不足，二氧化碳浓度 高，空气污浊等问题，影响了旅客乘车的舒适性。由于空调列车密封性好，就要 求空调送风系统必须提供足够的新风量。 ( 2 ) 对气流组织，噪声的新要求 铁路空调客车必须满足旅客的热舒适性要求。除去车辆振动、照明、客室内 夏季制冷和冬季采暖效果等影响因素外，客室内的微风速、速度场、温度场、空 气品质、噪声等也是至关重要的参数。旅客对空调列车室内的微风速、温差、空 气龄等问题提出更高要求，而现有铁路标准能否满足旅客对列车舒适度的要求已 经成为一个亟待解决的问题。这些参数主要取决于客车空调及通风系统设计的好 坏。 ( 3 ) 新的舒适度评价指标 当前我国铁路空调列车仅以车内温度为主要控制对象，已不能满足现代空调 列车发展的需要，而现今国际标准i s 0 7 7 3 0 中规定用p m v 、p p d 、p d 等指标来对 舒适度进行描述和评价( 其中p m v 指标代表同一环境下大多数人的冷热感觉，p p d 指标用来表示人们对热环境不满意的百分数，p d 定义为由空气流动而造成的人体 所不希望的局部冷却) 。铁道部客车空调标准( t b l 9 5 1 8 7 ) 仍以温度为控制指标 显然不能与国际标准接轨，旅客希望高档车有高等级的舒适度标准。 因此必须合理组织车厢内部气体流动和传热，以满足旅客的舒适度要求。由 于车厢内气流速度和温度分布状况是车内环境舒适度评价的基础，因此设计过程 中应全面考虑车厢进、出风口的大小、位置、进风质量、进风速度及温度对车内 北京交通人学硕+ 论文 流场的影响。但传统的客车空调设计一般只考虑总体送风量和总体热交换量，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截面的温度分布 和速度分布，再视该温度分布和速度分布是否满足设计要求来调整送风口位置、 尺寸及送风速度等参到1 】【2 1 。由于射流经验公式无法考虑到车厢形状及座椅等影响 因素，也无法考虑排风气流对射流形成的影响，因此采用射流经验公式获得的结 果是比较粗糙的。按照传统的设计方法，车厢内气流组织的分布无法准确控制， 从而造成车厢内旅客活动区的舒适度不能满足要求。 据一项调查【3 5 1 ( 表1 1 ) 表明，目前我国空调客车舒适程度有待提高，这都是气 流组织分布不合理造成的。由于不同的空调通风系统会产生不同的气流组织，因 此对目前空调列车通风系统进行研究很有必要。 ，表1 1 热舒适主观感受调查结果 t a b l e1 - lt h ei n v e s t i g a t i o no ft h e r m a lc o m f o r t 调查项目 调查结果( 人数) 满意6 5一般1 1 4不满意3 6 4 对车厢内热舒适度是否满意 不满意的原因 温度高7 0湿度人3 2夜间感觉冷4 4 1 由于空调列车的通风形式多种多样，本文选取软卧客车目前较常见的顶置混 合通风，孔板送风及作者提出的下送上排方式进行研究。通过对以上三种通风方 式的研究，旨在找出各自方式的优缺点，送风参数及送排风口位置的变化对车厢 内气流组织的影响，从而对目前列车空调系统的改进提出理论依据。 目前对空调列车通风系统的研究分三种方式：1 ) 射流计算。采用以往空调列 车通风系统的设计方法，即按照民用建筑室内通风空调的射流计算方法，预测和 分析空调列车室内的气流组织。由于空调列车具有空间狭小、室内障碍物复杂、 同时伴随着复杂的传热方式等特点，因此这种方法预测空调列车室内气流组织的 分布会有较大误差；2 ) 试验方法。优点是能够检测出某些测试点的真实值，但试 验成本高、周期长；3 ) 数值计算法。此方法可以避开试验成本高，周期长的限制， 充分发挥数值计算速度快、成本低、资料全等优点，在设计初期计算阶段即可很 方便的调整送风参数和送风位置、回风位置和其它边界条件等，使其达到预期目 的。 本课题采用数值模拟方法对长春轨道客车股份有限公司既有2 5 t 型软卧车进 行仿真研究。通过本课题的研究，旨对目前送风方式存在的问题提出解决方案， 并为列车空调系统的设计提供理论依据。 2 第1 章绪论 1 2 铁路客车空调通风系统的研究现状 铁路客车空调系统包括通风系统、空气冷却系统、空气加热系统、空气加湿 系统和自动控制系统等五部分组成。其中通风系统是空调系统中唯一不分季节而 常年运转的系统，它的作用是：空气过滤，空气输送和空气分配。因此它的质量 状态直接影响到旅客的舒适性和空调系统的经济性： 1 2 ，1 国内铁路客车通风发展情、兄【6 ，7 】 我国铁路客车空调的研制起步较晚。解放前几乎没有独立的铁路客车制造工 业。上世纪6 0 年代，我国开始自行研制空调客车，1 9 6 6 年由青岛四方厂设计制造 了r z 2 4 型空调软座车，并编组成列车组用于广深线，作为当时该线接待外宾、港 澳同胞、归国华侨的专用列车。8 0 年代末至9 0 年代初，空调客车的数量猛增，到 1 9 9 0 年底，已有空调客车1 5 0 0 余辆。今后随着铁路的跨越式发展，空调列车的数 量更是不可胜数。 建国初期，我国铁路客车通风采用自然通风器，1 9 5 5 年前为格兰德式( 仿日本) 以后为切斯诺柯夫式( 仿苏联) 。自然通风器置于车顶，换气量小，在春夏秋季节主 要借助开窗通风换气；在冬季，换气量明显不足，特别是客车超员时，车内空气 品质恶劣。 七十年代后期，我国铁路客车开始小批量安装空调，客车通风也随之发展。 当时在硬座、软座、软卧及餐车上普遍采用车顶中央风道，沿长度方向均匀设置 1 0 - 1 2 个风量可调节的送风口；硬卧和双层客车由于受空间限制，采用高速诱导 通风，诱导器布置在车窗下方，紧靠侧墙。到8 0 年代后期，空调客车超过千辆， 送风形式较多，主要是等截面车顶中央空调上送式及车项中央双风道上送式，有 些列车因结构限制亦采用地板两侧风道上送式( 如1 9 8 9 年南京浦镇车辆厂生产的 双客) 。 送风口的形式也是多种多样，主要是散流器和多孔板。经试验，采用上述通 风形式时，多数车辆的温度均匀性达不到铁标规定的要求( 3 ) 博j 。设置在风道 内的各送风口风量调节装置，因影响因素较多，在实际调节过程中很难将各送风 口的送风量调节均匀。为解决上述问题。铁道部四方车辆研究所于1 9 8 9 年承担了 中国铁路机车车辆工业总公司下达的空调客车均匀送风道及送风口可行性研究的 课题。以后又研制出条缝式均匀送风风道及送风口。该风道由中央主风道和静压 箱风道组成f 9 , t o j ，其断面形状为矩形，在静压风道的底部或侧部开有纵向条缝式送 风口，该送风形式取消了风量调节装置，风道阻力小，利用静压送风原理，送风 北京交通大学硕十论文 均匀。1 9 9 1 年下半年，曾在南昌车辆段对长春客车厂生产的硬座车进行了装车改 造。经过几年的运用试验，证明该送风形式的送风效果好，达到了均匀送风的目 的。2 0 0 2 年中国开始研究高速列车，目前，第一代产品己通过试验。高速列车的 断面为鼓形，空调部件包在车体轮廓内，满足了高速空气动力学的要求。若采用 单元式机组，车辆端部的各辅助包间无足够的上部空问可供安装，若将该机组置 于车底，则送风形式及风道的布置也相当困难。综合考虑，采用了分体式空调机 组。车上部分为空气处理单元，用于处理车内循环空气及从车外吸入的新风，车 底部分为压缩冷凝单元和废排单元。空气处理单元和压缩冷凝单元之间通过制冷 剂管路连接，可降低车辆重心，提高车辆运行的动力学性能；而车上机组可布置 在二位端平顶之上，提高了空间利用率。 此外，车内空气质量也日益引起人们的重视。随着c f d 数值模拟软件的兴起， 国内很多研究所、院校、企业等对空调列车室内流场进行模拟分析，其中做的比 较早的有青岛四方车辆研究所、西安交通大学等单位，他们主要针对2 5 k 及2 5 g 型车座车及硬卧车等进行过数值研究，但是对2 5 t 型软卧车研究较少。近年来， 上海交通大学、西安建筑科技大学等高校也广泛丌始这方面的研究，见参考文献 11 1 7 】。 1 2 2 国外铁路客车通风发展情况 1 8 2 2 】 国外铁路客车通风起步早，发展较快，特别是在铁路技术较先进的国家，如 日本，德国，法国等更是如此。由于列车运行速度高，且整个车厢内的气密性能 又好，因此，为保证旅客旅行舒适，客车空调的通风就显得非常重要。 日本、德国及法国等3 个铁路客车技术发达国家的客车空调系统通风特点如 表1 2 所示： 表l - 2国外铁路客车通风特点 t a b l e1 - 2c h a r a c t e r i s t i co ff o r e i g nt r a i nv e n t i l a t i o n 国 车型通风形式所属空调装置过隧道换最高运行 别气方式速度 ( k m h ) 4 第1 章绪论 车顶分散布置，机组为 2 0 0 0 型车顶中央风道下送风c u l 9 5 型，制冷量 连续换气 1 2 0 电动车 1 3 4 k w ，全车共四台机 组。风机具有调速功能， 2 0 0 1 型车顶中央风道下送风，2车顶集中布置，机组为 电动车列条缝型送风口( 侧门 u c 7 1 g 型，制冷量连续换气 1 3 0 天花板处为3 列条缝) ， 4 2 k w 。 2 个排气口( 废排) 。 车顶中央风道下送风， 间断散流器式送风口， 2 0 0 系 设有新风机和废排风机 车顶集中布置，2 台连续换气 2 6 0 ( 废排设在车下) 。 日 将新风机、废排风机装 本 在一个箱内，与机组紧 靠安装在车下，机组出 风进入设在地板处的长车下安装一台单元式热 连续换 风道，然后将窗间板处 泵型空调机组，采用变气，在给 2 7 0 3 0 0 系的垂直风道送至车顶中频控制，名义制冷量 排气装置 央风道内，通过各送风 5 8 2 k w 。 上设置单 口下送：座椅下设回风 向阀 口，一部分同风返【亓i 机 组，一部分回风至换气 装置排至车外。 采j j 压力 检测装置 5 0 0 系空调机组安装在车下 和微机控 3 5 0 制的连续 换气装置 s 北京交通人学硕士论文 空调机组安装在车下， 为缩短空调送风风道， 全车两台，采用双重冷 减少阻力，冷风从侧墙却循环方式，即：从换气 7 0 0 系板处风道送到行李架下装置进来的新风，在第连续换气 2 7 0 送风主风道内，冷风出一冷却循环过程中被冷 风口设在行李架底部。却后与车内循环空气混 合，在第二冷却循环过 程中再次被冷却。 上下层车顶分别设有2 组主风道与1 、2 号空调 机组4 个送风口交叉连车顶单元式机组两台， e l 系双接，上下层各4 个同风安装在车顶两端，机组 层电车口分别与1 、2 号空调机为a u 8 1 3 型，制冷量连续换气 2 7 5 组交叉连接，使l 号、22 l k w 。 号机组组成一个体系， 能实现上下层客室温度 分别控制。 空调通风风道布置在地 板中间，冷风经侧窗间车下安装集中热泵型空 e 2 系双柱( 垂直风道) 由地板下调机组两台，制冷量连续换气 2 7 5 层电车送风，排风道经座椅下，2 9 0 7 k w ，制热量2 0 k w 。 通过台等通向地板中 德间。 国 车顶中央风道，采用孔分体式空调机组，室外 板送风，回风道设在车机装在车下，室内机安 i c e l内顶两侧，同风口设在装在一位端车内顶上，封闭式 2 8 0 行李架侧梁上方，用支新风机安装在一位车端 风道与回风道连接，采顶部。 用微机控制。 i c e 2同i c e l 基本同i c e1 ，制冷剂改 封闭式2 8 0 用r 1 3 4 a 。 车内顶板上装有带出口 6 第1 章绪论 的冷却通风管，为车顶 下送风式。采暖热风流 经一条独立的车顶风 i c e 3 道，通过车窗间的竖管 空气压缩制冷封闭式3 3 0 流至与地板面相平的出 口送出，一部分废气送 回空调机组进行二次利 用，余者排至车外。 从空气处理箱送出的冷上下层分别装有独立控 t g v 风，经过车下送风道，制的专用空调机组，安 法 d u p l e x车上送风道进入设在车 装在转向架上方的机器封闭式3 0 0 国 窗下的各诱导器，由诱间内。 导器上送风。 t g v 二a 同t g v - d u p l e x 压缩机、冷凝器箱与蒸封闭式3 0 0 发器均吊在乍下。 1 3 课题研究内容及方法 1 3 1 研究内容 本论文针对三种通风方式进行仿真分析，研究内容包括以下四个方面： 1 ) 上送下排通风方式的数值模拟 采用美国f l u e n t 公司开发的专用于室内流场模拟的a i r p a k 软件对软卧既有的 顶置混合通风方式、孔板送风方式进行数值模拟。对研究区域、边界条件及卧铺 包间内障碍物进行适当的简化、建模，然后进行数值模拟，以得到不同送风条件 下包间内速度场和温度场的分布情况。 2 ) 下送上排通风方式的数值模拟 下送上排通风方式相当于建筑空调领域中的置换通风，其研究比较热门，且 已经有一定成果。因软卧列车室内结构、送风条件、热湿环境等与建筑物差异较 大，因此作者把引入到列车空调系统的置换通风定义为准置换通风。在给定条件 下对准置换通风的温度场、速度场、舒适度等进行数值模拟，对准置换通风方式 在列车空调中的应用提出一种可行方案。 3 ) 采用空气龄，p m v 的舒适性评价 计算采用的模拟软件能够提供包间内各截面的平均空气龄、p m v 及p p d 值， 7 北京交通人学硕十论文 通过对典型截面的分析，预测车厢内空气品质的分布情况。 4 ) 不同通风方式的对比 通过三种通风方式模拟的温度场、速度场、p m v 、空气龄的对比，分析这三 种通风方式的优缺点。 1 3 2 研究方法 传统工程开发研究采用的试验方法容易受到各种客观条件的限制，且使用实 物试验进行大规模的参数调试是极为昂贵的。而数值计算的方法不但具有成本低， 速度快，资料完备，操作简单，能模拟复杂工况等优点，还可以减少实验工作量， 得到更多完整的信息，尤其在与流动有关的工程领域，c f d 技术是预测性能随几 何形状与工况变化情况强有力的工具。 图1 1 是c f d 方法求解示意图【2 引。 线性 问题 以当 前值 重建 离散 方程 图1 - 1c f d 方法求解示意图 f i g i 1t h ec h a r to f c f dm e t h o d c f d 方法求解问题的基本思路是：把原来在时间和空间坐标中连续的物理量 第1 章绪论 场( 如速度场，温度场，浓度场等) 用一系列有限个离散点( 称为节点) 上值的 集合来代替，通过一定原则建立起这些离散点上变量值之间的代数方程( 称为离 散方程) ，求解所建立起来的代数方程以获得所求变量的近似值。 本文的研究思路是：首先根据车厢内流场的特点，建立适合于求解客车车厢 内部气流组织空气动力特性的数学、物理模型及相应的数值计算方法；采用上述 数学模型和数值计算方法，模拟文献的典型算例，以验证数学模型和a i r p a k 模拟 方法的正确性；然后针对2 5 t 型软卧客车的顶置混合通风方式，孔板送风方式， 下送上排方式进行研究，在合理的简化假设下建模，利用计算流体力学软件a i r p a k 对空调客车室内夏季运行工况下的气流组织进行模拟研究，得到温度分布图、速 度分布图、空气龄、p m v ；在满足气流组织基本要求的前提下，采用温度不均匀 系数、速度不均匀系数、空气龄、p m v 等指标评价数值计算的结果，为方案的优 化提出理论依据。 北京交通人学硕士论文 第2 章数学模型及模拟方法的实验验证 本文的主要工作是通过a i r p a k 软件对顶置混合通风、孔板送风和准置换通风 进行数值模拟，从而对空调列车车厢内部温度场、速度场、热舒适性进行研究。 在研究过程中针对具体模型所选用的计算方法是否可行，边界条件是否设置正确 以及如何在不对计算结果产生较大影响的前提下合理简化计算模型，需要一定程 度的流体力学和数值模拟理论。为此，本章首先对数值模拟理论作简单介绍，最 后通过文献的实验数据和相同条件下a i r p a k 模拟结果进行对比，验证模拟方法的 正确性。 2 1 流动的数学物理模型 流动与传热现象大量地出现在列车空调室内，这些流动与传热过程都受到三 个基本物理规律的支配：即质量守恒、动量守恒、能量守恒。在数值传热学中， 这三个守恒定律的偏微分方程被称作控制方程。 2 1 1 控制方型2 4 】 质量守恒定律的微分表述为：单位时间内微元体中流体质量的增加等于同一 时间间隔内流入该微元体的净质量。由此可得出质量守恒方程： 望i - 旦逊+ 旦盟+ 皇螋：0( 2 1 ) 8 t瓠 a y 包 上式中：u ，v ，w 分别为流体在x ，y ，z 三个坐标方向上的速度分量，p 为流体密 度。 等式左边的后三项是质量流密度的散度，引入矢量符号后质量守恒方程变为： 竺+ d i y ( ) ：0 ( 2 2 ) 西 。 动量守恒方程是牛顿第二定律在流体流动中的表现形式，其表述为：微元体 中流体动量的增加率等于作用在微元体上各力之和。在三个坐标方向上对流体微 元分别应用牛顿第二定律并引入牛顿切应力公式和斯托克斯表达式，可得三个坐 标方向的动量方程： x 方向动量方程 1 0 第2 章数学模型及模拟方法的实验验证 掣+ 百a ( p u u ) + 亟铲+ 下o ( p w u ) = 一塞+ 去( 劢彬+ 2 叩罢) + 昙m 妻+ 考) +a t瓠卸 a za x 瓠j 。瓠 动孤印 d 07 7 ( i o u + 譬) 】+ p c ( 2 3 ) y 方向动量方程 a ( p - v ) + _ o ( p u v ) i - _ o ( p v v ) + _ o ( p w v ) ：一字+ 昙( 劢j + 2 r l i o v ) + 昙m 祟+ 妻) 】+ 出叙 咖 昆匆砂、 砂。出砂出 _ 【0 刁【i o v + 半) 】+ p a zc 】z o y ( 2 4 ) z 方向动力方程 _ o ( p _ w ) + _ o ( p u w ) 4 - 煎掣+ _ a ( p w w ) ：一挈+ i 0 ，( 瓦t d i v u + 2 r 娑) + 昙【刁( 罢+ 娑) 】+ a e a ) c 卸 a za z 砚 a z j瓠。j8 z孤 _ 【0 刁( i o v + 譬) + 班 ( 2 5 ) 其中叼为流体动力粘度，a 为流体第二分子粘度。 能量守恒方程的文字表述为：微元体内热力学能的增加率等于进入微元体的 净热流量加上体积力与表面力对微元体所做的功，再引入傅立叶导热定律，可以 得出用流体比焓h 和温度丁表示的能量方程： o _ ( p - h ) + o ( p i u h ) + o ( p i v h ) + o ( p i w h ) - - p d iv u + d i y ( 2 9 r a d 丁) + + 瓯 8 t8 x巩 a z ( 2 6 ) 其中入为流体的导热系数，瓯为流体的内热源发热率，为由于粘性作用机械能 转换为热能的功率，其计算式如下： = 印 2 ( 罢) 2 + ( 未) 2 + ( 老) 2 】+ ( 詈+ 塞) 2 + ( 学0 2 + 娑o x ) 2 + ( 塞+ 考) 2 ) + 刎，呶o z 鲫 傲o z u y ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中p d i v u 为表面压力对流体微元所做的功，一般可以忽略；另外对于理 想气体、液体和固体的比焓j l = c p r ，c p 为定压比热容，且通常取c ，为常数，并把 耗散函数纳入到源项s r 中，可得： o ( p t ) + d i y ( 丁) ：d i 矿( 2 - - - g r a d t ) + s t ( 2 - 8 ) o t c | p 其中s r = 鼠+ 。 北京交通人学硕士论文 通过流动和换热偏微分方程组配上初始条件和边界条件，理论上可以求出其 精确解。但是直到目前，这些分析解还只能用于少量的简单偏微分方程组，而对 于大量具有工程实际意义的流动与换热问题，通常采用数值计算法。 2 1 2 紊流模型 由于空调列车室内的气流运动一般处于紊流状态，而紊流模型已取得了很大发 展。依据求解紊流粘性系数诈所需微分方程的个数，紊流模型分为零方程模型、 一方程模型和双方程模型。 1 ) 零方程模型和一方程模型 所谓零方程模型是指不需要微分方程而用代数关系式把紊流粘性系数与时均 值联系起来的模型【2 5 1 。零方程模型只用动量方程组和连续性方程组，并把方程组 中的r e y n o l d s 应力假设为平均物理量的某种代数关系，从而使方程组得以封闭，而 无需附加其它的微分方程组，就能结合具体的边界条件求解流场中的各个速度分 量。零方程模型中最著名的是混合长度模型，这是p r a n d t l ( 普朗特) 在1 9 2 5 年借助混 合长度的概念提出的。 吩：1 0 “。：，o l 掣l ( 2 - 9 ) l 缈i 式中：厶一p r a n d t l 混合长度，m ；u o 一脉动速度，m s ，v r 为紊流粘性系数。 式( 2 9 ) 是第一个描述涡旋粘性分布的紊流模型，它相当于用平均流的速度梯度 估计紊流时间尺度。混合长度模型在二维边界层和平面射流问题中应用得十分成 功，但对某些复杂的边界层，很难给出恰当的混合长度，如两个同心圆筒间的流 动、二次流( s e c o n d a r yf l o w ) 、多层剪切层和弯管中的循环流动等【2 6 1 。此时，混合 长度模型将不再适用。 一方程模型是在零方程的基础上发展起来的，它是在原来的方程组中附加一 个紊流动能方程组共同求解，从而构成紊流一方程模型。在混合长度理论中，坼仅 与几何位置及时均速度场有关，而与紊流的特性参数无关。混合长度理论应用的 局限性促使人们将气体分子动理论引入到紊流流动中，认为涡旋粘性应与紊流的 特征长度及脉动的特征速度的乘积有关。分子微团脉动时具有一定的动能，同时 把各个方向脉动速度平方的时均值之和定义为紊流动能： k = 去“：”j = 去( “：2 + t 2 + 叫2 ) ( 2 1 0 ) z二 式中：“，一玉方向的时均速度，m s ； 1 2 第2 章数学模型及模拟方法的实验验证 把特征速度取作尼尼，于是涡旋粘性可写成： 三 v r = c f l 2 ， ( 2 1 1 ) 式中：c 。一经验系数；卜一紊流脉动长度尺度，m 该模型是由 o ，i v 。ro j - ob ( 科尔莫哥洛夫) 在1 9 4 2 年和p r a n d t l 于1 9 4 5 年分别 独立推导得出的。它只能解决一些简单的紊流流动，而对于复杂的流动，又很难 选择出适当的长度尺度，只能由经验确定，这使得一方程模型适应能力较小。 2 ) k 一占双方程模型 在包括列车空调室内热环境数值分析在内的紊流工程计算中，k 一占双方程模 型应用最为广泛。k g 双方程模型在推演过程中，采用了以下几项基本处理：用 紊流动能尼反映特征速度；用紊流动能耗散率占反映特征长度；引进了紊流 粘性假设；利j 羽b o u s s i n e s q 假设进行简化。 标准k 一占双方程的控制方程主要有连续方程、动量方程、能量方程、k 方程和 s 方程组成，如式2 1 2 所示【2 7 2 8 】： o t p u i ) ：0 a 五 p 等一毒+ 专懈，c 考+ 善卅c p 瓦d h = 丢 ( 告+ 鲁) 考】+ q 。 ( 2 - 1 2 ) p 尝= 毒眦+ 丝r r k ) 罢o x j + 所瓦i ，u i 。i o u i + 瓦o u i ) 一声 p 告= 考眦+ 丝o - , ，罢o x j ，+ c - i 6 r 瓦o u i 。, 瓦抛i + 等，一乞p 譬 k 2 队2 c n p _ = 式中：p 一空气密度，k g m 3 ； f 一薯方向的时均速度，州s ；u x ，方向的时均i 速度，m s ；五一直角坐标的三个轴坐标，i = 1 、2 、3 ；p 一空气压力，p a ；e 1 方向的外力；h 一空气的比焓，j ；p r 空气p r a n d t l 数；g 一内热源发热率，w i n 2 ； 一空气层流粘性系数；胁一空气紊流粘性系数；k 为紊流脉动动能，m 2 s 2 ；s 一紊流粘性耗散率，k ( m s ) ；吒一紊流动能的p r a n d t l 数；吒紊流粘性耗散率 的p r a n d t l 数；紊流p r a n d t l 数；c l 、c 、q 一经验系数。 经验系数按表2 1 选取： 1 3 北京交通大学硕士论文 表2 1 标准的模型中的经验系数2 5 6 1 t a b l e2 1c o e 伍c i e n to fs t a n d a r dk 一占m o d e l c u qc 2c 3o k o e听 0 0 91 4 41 9 21 4 41 o1 30 9 1 0 采用k 一占双方程模型求解紊流换热问题时，控制方程包括连续性方程、动量 方程、能量方程、湍动能k 方程及紊流能量耗散占方程，紊流控制方程是从流体力 学基本方程出发，引入时均值及脉动能概念，经过若干假设及简化导出的，最终 演变成适合于紊流粘性的紊流时均方程。 本文在不考虑列车运行影响的前提下，可以将客室内空气流动视为一般室内 气流组织模型进行研究。特做如下假设： 1 ) 车内气体为不可压缩流体，且满足b o u s s i n e s q 假设： 认为流体密度的变化仅对浮升力产生影响： 勺= 一p ( 巧) ( 2 - 1 3 ) 旷p ( 弼) ( 鲁+ 了2 嘲】 ( 2 - o a ：u y ： 3 2 ) 流动为紊态流动； 3 ) 流场具有高紊流雷诺数，流体的紊流粘性具有各向同性； r e = , o k2 ( 掣) 0 4 ) 气流为低速流动，由流体粘性力作功所引起的耗散热忽略不计； 5 ) 车内气密性良好，不考虑漏风的影响。 本课题在紊流主区采用k 一占双方程模型，在壁面附近粘性底层中，采用壁面 函数法。控制方程通用形式为： 式中： 掣+ d i y ( p 却) ：d i y ( r g r a d 矽) + s o t 一通用因变量。 r 一任意变量的扩散系数： s 一任意变量的源项。 1 4 ( 2 - 1 5 ) 第2 章数学模型及模拟方法的实验验证 根据紊流模型的不同，通用控制方程的通用变量按表2 2 选取。 表2 - 2 控制方程的通用形式担射 t a b l e2 - 2c o m m o ns t y l eo fc o n t r o l l i n ge q u a t i o n 变量 由 r 。& 连续 性方 1o0 程 动量 o x i -童x a c 笔- , p b a t 方程 v 耻唾 丝+ 笪 温度 t p r 盯7 _ s t 紊流 + 丝 能量 k 吒 g + g b p 紊流 耗散 e + 丝 1 c , c r g + g b t c a p e 2 室 g g 。 模型中各通用常数依计算经验取： q = 1 4 4c 2 21 9 2巳= o 0 9c r k = 1 0吒= 1 3听= 1 0 p ：= 硅七强t 畸= c p p k j | 嚷：一p g 丝娶 d 7 哕 瓯= 所 2 ( 祟) 2 + ( 字) 2 + ( 警z 】+ ( 豢+ 娑) z + ( 兰+ 祟) 2 + ( 罢+ 罢) 2 ) 出 c r y 睨 d x眈 国 蹶o z ( 2 1 6 ) 其中： 瓯一代表紊流动能源项；g b 一由于浮力作用的紊流动能源项； 仃r 一脉动动能的p r a n d t l 数； 以一s 的p r a n d t l 数： 田一与温度场有关的湍流p r 数； 肼一紊流粘性系数。 北京交通大学硕十论文 2 2 边界条件的确定 2 5 t 型软卧列车主风道采用的是静压式送风道，该送风道在我国列车空调系 统应用中已经日趋成熟，其风道送风阻力低、噪声小，送风均匀。因此，本课题 假定各个包间内送风已达到均匀且互不干扰，送风量大小相等。客室端部( 门与内 侧墙) 因不直接与车外进行热交换，视为绝热边界。 本文以夏季列车运行工况为计算依据，设计总送风量4 5 0 0 m 3 h ，其中新风量 9 0 0 m 3 h ，分配到每个包间的新风量为1 0 0 m 3 h ，折合为0 0 2 7 8 m 3 s 。 1 ) 入口边界： 进风口：a 送风温度乇给定； b 送风速度给定； c 入口截面的k 值( 入口脉动动能) 可取为来流平均动能的0 5 1 5 ，即： k = ( o 5 1 5 ) 去m v 2 0 d 入口截面上的s 值可按下式计算： 事：毒害一o 蔷 协 式中：k 为v o nk a n m a n ( 冯卡门) 常数，一般取为k = 0 4 3 5 ； y 。：离开壁面的距离。 2 ) 出口边界： a 出风口气流温度：乃w = + 嘭么 ( 2 1 8 ) b 出风口