（动力机械及工程专业论文）高速列车车内压力波动特性仿真研究.pdf

中文摘要 中文摘要中文捅要 摘要： 近年来，我国高速铁路技术发展迅速，高速列车的运行速度不断提高。高速 运行的列车在会车或者进隧道时，其车体表面将会产生较大的压力波动，这就导 致列车通风系统进出风口处空气流量不平衡，从而引起车厢内空气压力发生变化， 使旅客感到不适，严重时还会对其身体造成伤害。我国铁道部规定列车车厢内压 力波动最大值不超过1 0 0 0 p a ，压力变化率不超过2 0 0 p a s 。目前我国列车空调设备 及其技术与世界发达国家相比尚有差距，空调通风装置还需要不断改进和创新， 以满足旅客对客车车内空气品质及舒适度的要求。 本文借助于商业软件f l o w m a s t e r ，开发了一个能够模拟高速列车通风系 统工作过程的一维仿真平台。首先以c r h 3 8 0 b l 型高速列车通风系统作为研究对 象，基于f l o w m a s t e r 搭建了高速列车通风系统一维仿真模型，并利用模型进 行稳态计算和动态仿真。在设计工况下进行稳态仿真，计算结果与设计标准相匹 配，经校核计算得列车通风系统满足设计要求，验证了模型的正确性，说明可以 利用f l o w m a s t e r 软件建立高速列车通风系统的仿真平台。动态仿真分析了列 车明线行驶、侧风环境下行驶、列车交会以及过隧道等不同工况下车厢内压力波 动的形成规律。仿真计算得到列车明线行驶及在侧风环境下行驶时，车厢内压力 低于一个大气压，并保持在一个稳定值。列车交会以及过隧道时，车厢内压力有 一定程度的波动，分析了车内压力波动特性，得到了压力波动幅值、压力变化率 幅值与车速的关系，分析了列车不同工况下运行对乘坐舒适度的影响。最后，以 减小车厢内压力波动为优化目标，对通风系统控制策略进行研究。 通过研究发现：用一维仿真软件分析和评价高速列车通风系统压力波动情况 是可行的，并通过对非稳态工况下通风系统的运行情况的研究，得出车内压力波 动特性，为今后通风系统的优化研究奠定了基础。 关键词：高速列车；通风系统；压力波动；仿真； f l o w m a s t e r 分类号：u 2 7 0 3 8 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n a sh i g h - s p e e dr a i l t e c h n o l o g y , h i g h - s p e e d t r a i n s s p e e dr i s i n gc o n t i n u o u s l y w h e nh i g h - s p e e d t r a i n s p a s s i n ge a c ho t h e ro re n t e r i n gt u n n e l s ，a i rp r e s s u r ep u l s ew i l lb ec r e a t e d ，w h i c hw i l l m a k ep a s s e n g e r sf e e ld i s c o m f o r t c h i n a sm i n i s t r yo fr a i l w a y sr u l e st h a tp r e s s u r e f l u c t u a t i o ni n s i d eh i g hs p e e dt r a i ns h o u l db eb e l o wl0 0 0 p a ，a n dp r e s s u r ec h a n g er a t e c a nn o te x c e e d2 0 0 p a s i n a d d i t i o n ，c o m p a r e dw i t ht h ed e v e l o p e dc o u n t r y , o u r c o u n t r y st r a i na i 卜c o n d i t i o n i n ge q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g yi ss t i l lr e l a t i v e l yb a c k w a r d ， s oa i rc o n d i t i o n i n ga n dv e n t i l a t i o nd e v i c en e e dt oi m p r o v ea n di n n o v a t e ao n e - - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no fh i g h - s p e e dt r a i nv e n t i l a t i o n s y s t e m w a s d e v e l o p e d i nt h i s p a p e rb a s e d ，o n t h e p l a t f o r m o ft h ec o m m e r c i a ls o f t w a r e f l o w m a s t e r f i r s t l yt h ec o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ev e n t i l a t i o n s y s t e mo ft h ec r h 3 8 0 b le m uw a si n t r o d u c e d ，a n dt h e nt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n d t e c h n i c a l p a r a m e t e r so ft h e a i rd u c tw e r ew o r k e do u t s e c o n d l y , t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h ev e n t i l a t i o ns y s t e mw a sm a d e t h ep r e s s u r ew a v ei nt h ev e n t i l a t i o n s y s t e mw e r ea n a l y z e dt od i s c u s st h ep a r a m e t e r so ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h e v e n t i l a t i o ns y s t e md u c ta n dt h ep r e s s u r ec h a n g e si n s i d ea n dg o tal o to fm e a n i n g f u l c o n c l u s i o n s t h i r d l y , m a d es o m eu n s t e a d y - s t a t es i m u l a t i o n so ft h ev e n t i l a t i o ns y s t e m ， a n da n a l y z e df l u c t u a t i o nr u l e so fp r e s s u r eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h ec h a r a c t e r i s t i c o fp r e s s u r ef l u c t u a t i o ni n s i d eh i g hs p e e dt r a i ni sa n a l y z e d t h er e l a t i o n sb e t w e e n p r e s s u r ef l u c t u a t i o n ，p r e s s u r ec h a n g er a t e s h o w n ，t h ei n f l u e n c eo fr u n n i n gc o n d i t i o n s r e s e a r c hv e n t i l a t i o ns y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y a n dr u n n i n gs p e e do fh i 曲s p e e dt r a i ni s o nt h ec o m f o r t a b l e n e s si sa n a l y z e d f i n a l l y , f o u n d ：i ti sa p r a c t i c a lw a y t h a tu s i n go n e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o ns o f tw a r et oa n a l y z e a n de v a l u a t eh i 曲一s p e e dt r a i n sv e n t i l a t i o ns y s t e mp r e s s u r ef l u c t u a t i o n s ，a n dt h r o u g ht h e s t u d yo fu n s t e a d ys t a t ec o n d i t i o n s ，s o m em e a n i n g f u lc o n c l u s i o n sw e r es h o w n ，w h a t s m o r e ，t h es t u d yl a i daf o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r eo p t i m i z a t i o no ft h eh j i g hs p e e dt r a i n v e n t i l a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：h i g h s p e e dt r a i n ；v e n t i l a t i o ns y s t e m ；p r e s s u r ef l u c t u a t i o n ；s i m u l a t i o n ； f l o w m a s t e r c i a s s n o ：i j 2 7 0 3 8 l 致谢 本论文的工作是在我的导师徐宇工教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、 方案论证、研究内容和方法的确立，直到论文结构编排的整个过程，都倾注了导 师大量的心血。徐宇工老师不辞劳苦，对学生循循善诱、诲人不倦，恩师渊博丰 厚的学识、严谨科学的治学态度、启发式的指导方式以及对人、对事极负责任的 态度，都使作者终生受益。为人师表，以身作则，从徐老师身上，作者不仅学到 了丰富的专业知识，而且学会了如何思考和解决问题，如何开展科研工作，如何 做人。在本次毕业设计中，徐宇工老师对作者提出了殷切的期望和严格的要求， 悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关 心和帮助，在此向徐宇工老师表示衷心的谢意。 宁智教授对于我的科研工作和论文提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的 感谢。感谢李国岫教授、姜志康老师、潘显钟老师在我开题答辩期间对我的理解、 支持和大力帮助。 在实验室工作及撰写论文期间，李苗倩师姐、朱一妃师姐在课题思路上给予 我很大启迪，并在f l o w m a s t e r 软件的学习以及通风系统研究方面给予了热情 帮助，刘奕江师兄、张永昌同学在软件的使用过程中给予了大力的支持，刘威师 弟、费天翔师弟、关靓茹师妹和作者一起在实验室营造了良好的学术氛围。在与 他们的每一次交流中，都使作者受益匪浅，在此向他们表达我的感激之情。 感谢实验室的师兄师姐师弟师妹，感谢机电硕1 0 0 2 班全体同学，特别是同宿 舍的闰丽敏同学和同课题组的张永昌同学，他们和作者共同营造了良好的学习和 生活环境，在学习、生活等各方面都曾给予作者极大的帮助和支持。作者向他们 表示由衷的感谢和美好祝愿。 最后，感谢我的家人，他们一直以来对我的教育、关心和期望，使我能够不 断战胜困难，努力进取，得以顺利完成学业。作者将永怀感恩，常思效报。 第一章引言 1 1研究背景及意义 1 引言 铁路运输作为中长距离、大运量、快捷、安全、低耗、环保的运输形式，是 我国交通运输体系的重要组成部分，在国民经济中占有重要的地位。1 9 6 4 年日本 首次成功开行高速动车组以来，世界各国争相规划和建设高速铁路。2 0 0 7 年4 月， 随着我国实施第六次大提速，我国研制的高速动车组也正式投入运营，铁路客运 速度普遍达到2 0 0k m h 。2 0 0 8 年，】2 0k m 的京津城际铁路开通，以及2 0 1 1 年， 全长1 3 1 8k m 京沪高速铁路的投入运营，标志着我国已步入国际高速铁路领域的 领先行列。高速铁路涉及很多高新技术问题，作为铁路运输装备的高速动车组就 是这些高新技术的综合和具体体现。 高速列车以时速2 0 0k m 或者以上速度运行时，其外表面的空气压力将随车速 及运行环境而发生波动，列车周围空气动力学影响受到了广泛的关注。列车周围 流场的分布不仅影响列车正常行驶的能量消耗，而且也会很大程度上影响列车运 行的安全性和舒适性。 目前，空气动力学研究有计算机仿真、比例模型风洞试验和实车线路测试等 方法。程亚军、刘风华等人建立了某型高速动车组交会模型，并将仿真分析结果 与试验数据进行了对比分析，验证了仿真分析结果的准确性【lj 。尤其是当两列列车 会车或者单列车进隧道时会产生强烈的压力波动，这种波动会通过空调通风系统 的进、排风口影响到车内，从而引起车内的压力波动导致车内人员产生不愉快的 刺耳感觉。消除这种不舒适感就需要良好的通风系统。空调列车的通风系统由送 风、回风和排风三部分组成。空气的送入、回流和排出，必然会引起车内空气的 流动，影响车内的温度和人体的热舒适感觉【2 】。我们可以从通风系统入手，来研究 列车在进出隧道或者是会车时的压力波动情况，从而能更加深入地了解压力波动 是如何通过车外影响到车内的。 对现有的京沪高速列车的通风系统在3 5 0 k m h 及以上速度下运行时的压力进 行分析，看其是否在车内人员的所能承受压力范围之内，有研究学者认为减缓这 种刺耳的技术措施之一就是提高列车车辆的气密性【3 1 。提高列车的气密性必须对其 影响因素进行具体分析，考虑n y d 车通风系统是连接车厢内外的气流通道，在列 车运行时通风系统一直运行，实现车厢内外的换气使车内达到舒适水平。而当车 外产生较大压力波动时，通风系统进、出风i s l 处的流量随之变化，这就导致车厢 北京交通大学硕士学位论文 内压力的变化，因此，从对列车在进出隧道或者会车时的通风系统的压力波动着 手研究，能够更好地了解压力波动的变化，从而对列车的气密性研究提供一定参 考，并对通风系统的改进提供一些参考性建议。 另一方面，我国引进了国外高速列车技术，形成了c r h 系列动车组，但我国 与国外高速线路具有不同的线路特征f 4 】，随着我国高铁技术的不断发展，不断追求 向高速化方向迈进，这就对高速列车的安全性和舒适性提出了更高的要求。作为 为旅客提供舒适旅行环境的重要设施，列车空调系统的性能和运行工况将直接关 系到整个列车车厢内的舒适度。高速客车的运行速度一般都在2 0 0k m h 以上，在 这样高速运行环境下其空气调节系统的运行工况将发生很大的改变【5 】，这些变化最 终会反映到车厢内热环境的改变。因此在开展列车空调通风系统的相关研究时， 应针对高速客车的实际运行特性进行分析，才能更加有针对性地提出改善措施， 以满足旅客对客车车内空气品质及舒适度的要求。故进行压力波动的研究是很必 要的。 1 2高速列车空气动力学相关研究的国内外概况 随着列车运行速度的提高，空气动力学问题变得越来越突出，此问题对列车 的安全运行及旅客乘座的舒适感产生不利影响。下面主要介绍现阶段国内外高速 列车车内压力方面的研究以及通风系统的相关研究。 1 2 1高速列车车内空气压力波动问题研究 目前，国内外对高速列车压力波动的研究主要是采用试验和计算的方法。 1 ) 高速列车进隧道以及会车时时车内压力波动研究概况 当高速列车进入隧道时，在车头和车尾处要产生压缩波和膨胀波，列车外表 面会产生比较大的压力波动，从而引起车内的压力波动。日本及许多西方国家对 此做了大量研究，其研究范围主要集中在如下四个方面： ( 1 ) 压力波的变化梯度及对乘客舒适度影响的研究； ( 2 ) 压力波和微压波的形成和传播机理及其计算方法的研究； ( 3 ) 削减压缩波和微压波的各种方案研究； ( 4 ) 实验方法研究【6 1 。 国内主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 隧道内空气压力波动规律； ( 2 ) 瞬变压力向车内传递规律； 2 第一章引言 ( 3 ) 高速列车进入隧道产生的微气压波实验研究； ( 4 ) 空气动力学的试验研究； ( 5 ) 压力波的数值模拟、实车实验等。 在压力波的研究方面国内外差别不是太大，都是进行机理的研究进而寻求解 决的办法，这些研究都是基于试验或者是数值计算进行的。 ( 1 ) 一维数值计算的研究主要有： k l a v e rec 和k a s s i e se 从管内流动的角度建立了一种用压力和时间来反映车 辆气密性参数的车内压力计算模型，简称流动模型【7 】。模型中的车辆气密性参数是 与时间量纲有关的量，用它们来表t - 一j i ：车辆的气密性物理意义不是很明确。 梅元贵、周朝晖认为实际的列车并不是完全密封的。在车厢内外空气压差的 作用下，会出现车厢内外空气质量传递的现象，其影响取决于列车车厢的密封程 度。在假定列车车体为均匀多孔车体的基础上，根据一维可压缩、非定常、不等 熵流动理论研制除了列车过隧道时诱发车厢内外空气瞬变压力耦合的计算方法和 计算程序【8 1 。为准确合理地计算高速列车通过隧道时诱发车厢内瞬变压力提供了可 靠的分析工具。但是计算方法和真实情况比起来还是有一定差距。而且理论分析 还有和实际情况有差别。车辆气密性和车内压力波动存在什么样的关系还有待进 一步考证。 张光鹏，雷波探讨了现有的车内压力波动计算模型的优劣性，并运用热力学 基础知识，建立了一种计算高速列车通过隧道时车内压力变化的热力学模型，列 车车辆气密性采用当量漏气面积来表示。在相同的计算条件下，将其与现有能够 计算车内压力的两种模型经验模型和流动模型进行了车内压力计算。并进行 对比分析【9 1 ，结果表明，热力学模型可以用于高速列车车内压力的计算。 国外也有学者在考虑气体密闭性的情况下，根据一维可压缩流动理论耦合计 算出车外压力波动和车内压力波动的特性【l 。 ( 2 ) 相关实验的研究主要有： 赵文成等人通过有限体积法求解三维可压缩n a v i e r - s t o k e s 方程，对高速列车 突入隧道所引起的瞬变压力场进行数值模拟【1 1 1 。采用将“挖洞技术”【1 2 】，数据交 换树技术【1 3 】和三线性插值相结合的分区重叠网格及滑移网格技术，解决了运动物 体和区域耦合问题。 中南大学硕士研究生胡哲龙为了研究车体气密性、侧墙刚度与车内外压力变 化关系而研建了一套交变压力模拟实验装置，制作了一批不同气密性、不同刚度 的车体模型【1 4 】。并通过模型试验与数值模拟计算相结合的方法研究了外界气压变 化环境下，车内压力变化率与车体气密性( 泄压时间) 、车外压力变化幅值之间的 定量关系，外界气压变化环境下，车内压力变化率与车体侧墙刚度、车外压力变 北京交通大学硕士学位论文 化幅值之间的定量关系，外界气压变化环境下，车体气密性( 泄压时间) 、车体侧 墙刚度、车内压力变化率及车外压力变化幅值四者之间的定量关系但是该实验装 置并没有考虑车外压力波动向车内的传播机理。 ( 3 ) 车外流场研究方法： 国外研究高速列车通过隧道的实验方法主要有水槽式、发射式及小型列车模 型实验等 1 5 - 1 6 。西南交通大学试验中心建立了以压缩空气为动力的发射式列车模 型发射系统。对列车进入隧道所形成的压缩波、微压波传播规律进行测试并分析， 并得出列车通过隧道过程中，在列车车头形成压缩波，车尾进入隧道后形成车尾 膨胀波。压缩波到达隧道出口后，一部分转变为膨胀波，另一部分则向隧道出口 辐射，成为微压波等结论【1 6 】。西南交通大学赵文成等人通过对模型试验中列车通 过隧道时隧道内压力变化的全过程进行分析，明确压力上升最快和最高的点均出 现在列车头部进入隧道的过程中【1 7 】。 m a m ew i l l i a m l o u i s 、c l a u d et o u m i e r 关于列车进入隧道的压力波动采用了一 种新的研究方法t w s ( t r a i nw a v es i g n a t u r e ) 。列车刚进入隧道产生的急剧增加的 压力波动、车身进入隧道时和隧道内的空气之间相互作用的压力波动和车的后部 进入隧道时引起的稀疏波，这三个方面的压力波动称为t w s 。这种新的方法被证 明是可行的，可以用来处理几个列车同时过隧道的复杂情况。但是这种方法也有 一定的局限性，它仅能预测压力的变化并不能预测空气温度或者流速的变化，并 且仅适用于简单的隧道( 不包括横截面变化，通风井等) 1 1 8 1 。 2 ) 削减车内压力波动研究方法概述： 高速列车在过隧道和交会时产生的瞬时压力冲击对行车安全及旅客的舒适性 均产生影响。许多学者在如何削减压力波对乘客造成的影响方面做了大量的探讨 和研究。 亢文祥，陈春棉等人针对c r h 2 型动车组的压力保护装置对削减压力波的作 用进行试验研究d g 。采用实车试验的方法对c r h 2 动车组的换气装置的性能进行 研究。安装换气装置目的其一是为解决由于隧道区间增大长期关闭进排气口而引 起换气质量降低的问题，其二是为了防止客室外压力变化影响客室内旅客乘坐舒 适性。通过对车厢内布置压力监测点，分别实车试验了c r h 2 动车组在不同速度 下过隧道时开启换气装置的风机以及不开启风机时车内压力变化。结果证实换气 装置对于抑制车内压力波动具有一定的效果。根据实验结果，在换气装置开启的 状态下，不能完全抑制车厢内的压力波动，得到换气装置还有进一步改进的空间。 李树典，周新喜从车内压力波动及耳鸣产生的机理等方面分析动车组车内压 力波动的原因，对车内压力波动控制方法进行研究【2 0 1 。并提出了2 种空气压力波 动控制方法，通过分析对比，认为随着动车组车速进一步提高，列车进出隧道时 4 第一章引言 压力变化加大，单纯依靠高静压风机已很难保证室内气压波动维持在规定范围以 内。提出了采用主动式与被动式空气压力保护系统相结合的方式可更好地控制车 内压力波动。对今后的通风系统的改进工作具有指导意义。 3 ) 压力波动研究小结 由于高速列车进隧道或者是两列车会车的时候所引起的空气流动情况及其复 杂，一维分析模拟时所做的简化对最后的结果有一定的影响，随着计算机技术的 发展和流体分析仿真软件的成熟应用，人们越来越倾向于采用模拟仿真分析的方 法，从而使得研究结果更贴近实际情况。此外，试验方法由于研究周期较长，花 费较多，而如果先通过采用仿真分析而得出规律性结论，会对试验研究有很大的 指导意义，因此一维仿真分析以及试验研究结合是最好的研究方法。 1 2 2高速列车通风系统的研究 在上述的关于高速列车压力波动研究中，都是对于车内或者是车外的压力波 动进行分析，并没有研究通风系统内压力的变化。当高速列车交会或通过隧道时， 如车体气密性不良，车外气压波动会很快传播到车内，使旅客感觉耳痛难受，因 此，国外高速客车均对车体气密性有较高要求。为取得较好的车体气密性，车体 钢结构采用大块墙板尽量减少焊缝，对门、窗、厕所、排水口、吸排风口均采取 专门结构或措施，具有高气密性的车体配用高压头送风机，使车内维持较高压头 以“抵抗 车外压力波对车内气压的影响。 通风系统是空调系统的重要组成部分，它的作用是将经过处理的空气输送和 分配到客室并加以合理的气流组织，同时还将客室内污浊的空气排出室外，使室 内的空气参数满足设计要求。通风系统是客车空调系统中唯一不分季节而长期运 转的系统，因此，它的质量状态直接影响到旅客的舒适性和空调装置的经济性【2 。 而风道是空调通风系统的重要组成部分，经过空调机组处理后的送风和车内的回 风都要通过风道及其末端设备。若想使客室内的送、回风量达到设计要求，就必 须对风道进行水力计算，得到风道的阻力特性曲线、压力分布，然后选取能够满 足要求的送风机和排风机，使风道阻力特性曲线与风机性能曲线相匹配。 综上所述，空调系统风道的空气动力性能和风口的流动特性是影响室内气流 组织的重要因素之一。同时，对于通风系统的设计是否合理，还将直接影响空调 系统的经济性。 目前对于通风系统的研究基本上是从风道优化设计、风口形式设计、流场模 拟、风道除霜等方面，对于风道、通风系统局部构件的研究大多数都是基于c f d 软件的模拟和实验的研究，对于通风系统这种多管路系统，可采用一维流体系统 北京交通大学硕士学位论文 仿真软件进行分析。 1 ) 国内静压式送风道的研究 为了解决我国的铁路空调客车通风系统出现送风不匀、风道阻力与风机风压 不匹配、送风噪声大以及室内气流组织较差的问题，1 9 9 9 年，中国机车车辆工业 总公司下达了空调客车新型送风系统研究的课题。北京交通大学的硕士研究生谈 越明认为推广一种新型送风风道静压式送风风道，并对静压式送风风道进行 理论分析及相关试验研究【2 2 1 。 青岛建筑工程学院的硕士研究生杨晚生根据流体力学有关知识对所研制的静 压均匀送风道进行了详细的理论分析，对等条缝送风口局部阻力进行了详细的理 论分析，得出了旅客车通风系统在不同送风工况下送风道的静压变化规律、流速 变化规律及主风道总阻力损失的理论计算公式，并理论分析了静压箱内静压和其 条缝出口流速变化规律；最后又在在理论分析的基础上，对静压均匀送风道进行 了实验研究【2 3 1 。在实验研究方面，根据实验数据，得出了静压箱的条缝出口流速 变化规律和静压箱内压力分布规律，拟合出了实验回归公式，并分析了其变化特 性。 青岛建筑工程学院硕士研究生邢欣利用青岛四方机车车辆股份有限公司研制 的新型高速空调客车实验台，对新研制的静压均匀送风道的空气动力性能进行了 实验研究。新研制的高速列车空调送风道由一个主风道和两侧的主静压箱及小静 压箱组成，此风道设计的主要目的是实现均匀送风及出风口出流角接近9 0 。【2 4 】。 2 ) 国内风道优化方面的研究 2 0 0 4 年哈尔滨工业大学王刚等人对新型列车的风道风口形式进行优化研究， 对于初始设计的风口形式主要从三个方面评价其送风特性：送风速度、送风角度和 送风均匀性。结合原型试验和c f d 模拟，对初始设计中存在的问题提出七种改进 方案，用速度分布曲线应该是近似于梯形对改进方案进行评价。近似于梯形即从 风口边缘开始速度以很大的梯度增加，在中间是速度变化不大的核心区，核心区所 占区域应尽可能大，整个速度曲线呈对称结构。最后找出比较适合的方案，并证明 c f d 模拟开发周期短、耗费低、有良好的复现性、可进行可视化处理的优越性【2 5 1 。 国内对风道优化的研究主要就是利用c f d 数值模拟的方法，对风道出口的流 动特性、各个出口的流量分配、出口段的速度场、压力分布进行分析模拟。对风 道进行适当的改进，从而使风道的风量分配，出口流速等符合技术要求，更能满 足人们舒适性的要求。尤其当列车进隧道或者是会车时，为防止较大的压力变化 造成乘客的不适，除了静压式送风的研究及风道的优化，也进行了一些防护措施 的研究，设置压力防护系统或者是变风量控制系统。 3 ) 风量控制通风系统的研究 6 第一章引言 张吉光，杨晚生，史自强等人【2 6 】对铁路客车用等截面静压送风风道进行了分 析研究，分析了送风道的送风机理，研究了通过对不同送风工况下所测得的静压 值与对应送风工况下所确定的理论静压计算值进行了比较，分析了主风道内静压 分布的特点，以及送风均匀性、探讨了风管的阻力损失，提出静压主送风风道应 为变截面风道，如此的目的是使静压箱内的静压分布比较均匀，并使其适合于各 种需要均匀送风的场合。 谈越明【2 7 】对铁路客车装车用的静压风道送风性能进行了对比试验，提出考虑 在主风道内加阻力板的作用，研制了适合于铁路客车软卧、硬卧车的空调送风道 系统。 邓建强，靳谊勇等人【1 4 】对铁路空调客车内风道湍流场进行了研究，模拟复杂 结构风道内空气三维流场及其送风口送风特性，对风道结构进行了优化，隔板及 导流板的高度及位置对风道送风均匀性的影响。 上述学者对铁路客车用通风系统的送风风道进行了数值模拟和相关试验研 究，得到了很多有参考性的结论。 日本研究了在1 0 0 系、3 0 0 系等车型中应用风量控制式通风系统，己达到减缓 车内人员因压力波动带来的不适感【2 j “。日本客车在通风装置上通常采用板簧式或 微机控制式连续换气系统，进( 排) 气口安装连续换气装置，随车外气压的变化 调节进( 排) 气量，当车外气压绝对值达到相当大的数值时才关闭进( 排) 气口， 而德国和法国大多采用封闭式换气系统【2 8 1 。 国内也有学者研究了风量控制式通风系统，在该通风系统下，采用一维非定 常流动模型模拟了车内压力的波动，理论验证了风量控制式通风系统减缓压力波 动的可行性，并说明了这种通风系统在高速列车上的应用有很好的前景 2 9 1 。 上述这些研究对提高客车空调装置的性能具有重要意义。对于通风系统的研 究将是一个长远的研究，随着高速列车的发展，对通风系统的要求也会越来越高， 再加上人们对于舒适性的要求，研究的意义更加深远。尤其是在高速列车进隧道 或者是会车的时候，对通风系统的要求更高，通过通风系统控制来实现车内人员 的舒适性是很有必要的。对于铁路空调客车的设计，实在选定工况的前提下，也 就是列车静止这种稳态条件。通风系统不仅能在稳态情况下满足人们的舒适性， 也要在非稳态的情况下满足人们的舒适性，所以对通风系统内的压力波动进行系 统的研究非常重要。 1 3 分析软件平台选择 为了论证高速列车车内压力波动是由于通风系统进排气流量不平衡所致，在 7 北京交通大学硕士学位论文 研究车内压力波动时必须考虑通风系统的整体结构以及气流在通风系统中的流动 过程。由于高速列车中应用的通风系统中包含有数量众多的管道、弯头、三通等 流体输运类部件，以及风扇、风机等流体做功类部件，还包含了用于空气调节的 各种设备，对这些部件之间相互作用的准确描述便显得尤为重要。虽然三维c f d 技术应用广泛，但在开展系统级的流体仿真，尤其像通风系统这种结构庞杂的系 统仿真时，却往往力不从心。因此，我们亟需一款高效的系统仿真工具来解决这 个问题，这也是提高设计效率、降低研发成本、改革创新技术的必经之路。 f l o w m a s t e r 作为当前国内外市场上在此领域应用最为广泛、技术最为成 熟的热流体系统仿真软件之一，它在国内外已经被成功地应用在石油、石化、冶 金、制药等行业用户应用于厂房通风系统的设计和研发上，并且取得了非常好的 成绩。f l o w m a s t e r 作为当前应用最广泛的一维流体分析软件，已被广泛应用 于汽车、航空航天、船舶、能源动力、石油和天然气、暖通、流体管网等系统设 计领域【3 0 】。 f l o w m a s t e r 是一维流体系统仿真工具。它不仅仿真计算技术先进，而且 内置的数据库包含丰富的经多次试验得到的可靠的试验数据，因此 f l o w m a s t e r 也是一个集仿真计算工具和试验数据库于一体的软件。即使是复 杂的流体管网系统，使用者也可以利用f l o w m a s t e r 快速有效的建立精确的系 统模型，并进行完备的分析。f l o w m a s t e r 具备的分析模块不仅可以对流体系 统进行稳态分析，也可以进行非稳态计算，得到动态分析结果，同时 f l o w m a s t e r 也可对不可压缩流体和可压缩流体系统进行分析，另外还可以进 行热传导分析计算等【3 l 】。 我们知道，暖通空调系统是由众多的不同材料的管路、设备等很多元件组成， 它们通过不同的连接方式组合在一起，最终形成一个流体网。在整个网络中，系 统各部分之间相互独立而又相互影响，而且它们各自的物理参数，例如压力、流 量、流速等不能够单独求解得到。这个问题需要利用流体力学和网络的综合知识 来解决。因而在一定的假设条件下，将这种网络分析方法与流体力学的知识结合 起来就形成了能够很好解决上述问题的流体网络分析方法。基于流体网络方法这 一理念，工程师编制了许多流体网络分析软件，而f l o w m a s t e r 就是其中的一 种，它能够很好地模拟计算暖通空调中通风系统内压力波动情况以及空气流量分 配情况。 本文讨论的高速列车通风系统比较复杂，由通风机、风道、进风口和送风口、 车内空气净化设备、空气压力波动控制装置等组成。f l o w m a s t e r 作为一维分 析系统软件，具备丰富的通风系统元件库，例如通气槽道、风机、接头、驻点风 压等，对大型通风系统f l o w m a s t e r 能够轻松的进行建模和模拟，可进行自然 第一章引言 通风和负压通风系统的设计，并可对风机等动力设备进行设备选型，确保通风系 统的合理配置。另外f l o w m a s t e r 也可以进行瞬态分析并得到系统实时动态结 果、实现对系统的动态分析，也可与其他软件进行联合仿真，实现更为高级和复 杂的控制，同时也可与软件f l u e n t 、m m l a b 、e x c e l 均有接口实现联合仿真。因此 本文选用f l o w m a s t e r 软件作为分析软件平台。分析的目的是对系统仿真，讨 论通风系统各部件的参数对于通风风道压力变化的影响，基于一维仿真研究，分 析瞬态的压力波在通风系统的波动规律，对仿真的结果进行分析，得出压力变化 的主要影响因素。从一维分析得出整个通风系统的压力波动情况，为通风系统的 优化提供一定的基础。 f l o w m a s t e r 具有如下功能和特点： 1 ) 模型建立方便快捷 f l o w m a s t e r 软件的模型是基于图形界面的一维流体系统图，管网中的各 个元件用形象的图标表示，通过简单的鼠标托放连接，可以建立各种流体管网的 仿真模型，管网中的各个元件用形象的图标表示【3 2 1 。 2 ) 能够精确地预测压力、流量等物理参数 f l o w m a s t e r 能够精确的计算系统压力分布、流量分布及元件的流动阻力、 流量及流速。对元件进行建模时，用户只要输入能够反映元件流阻特性的相关数 据。f l o w m a s t e r 作为一个开放的仿真平台，除了可以直接利用f l o w m a s t e r 的实验数据库进行直接建模外，工程师还可以自定义元件，对其进行进行几何参 数、实验数据建模。 3 ) 完善的分析类型 f l o w m a s t e r 是一款面向工程的完备的流体系统仿真软件，对于各种复杂 的流体管网系统，不论是稳态还是非稳态、可压缩还是不可压缩分析类型， f l o w m a s t e r 都可以快速有效的建立精确的系统模型，并进行完备的分析。 4 ) 压力波现象捕捉 通过f l o w m a s t e r 对流体系统进行动态过程分析时，能够完全捕捉到系统 内的压力波动，进而观察系统内压力波的压力峰值，通过f l o w m a s t e r 的控件 功能，还可以研究阀门关闭控制过程等控制策略，以期对系统进行优化设计和分 析。 5 ) 元件尺寸分析和复杂管网优化 f l o w m a s t e r 对管道、阀门，节流元件等尺寸、流通面积等进行分析、计 算后提供一个优化范围，以满足系统设计要求；此外，f l o w m a s t e r 可以对复 杂的流体管网有针对性的给定的设计流量自动计算出元件所需的管径、管长、孔 径、损失系数、摩阻系数等参数，如此一来大大提高设计效率。 9 北京交通大学硕士学位论文 6 ) 完备的元件库 在f l o w m a s t e r 的元件库中，总共有近4 0 类元件族，3 0 0 多种元件，几乎 涵盖了目前流体系统需要的所有的标准元件。此外，根据流体系统工程仿真的需 要建立了特有的控制元件库如曲线输入控制器、列表输入控制器、可编程控制器、 p i d 控制器、g a u g e 数据表等，及完备的控制算法。 7 ) 丰富的第三方软件接口 f l o w m a s t e r 作为流体系统仿真软件，具有丰富的第三方专业软件接口： 如m a t l a b l i n k ，c f d l i n k ，e x c e l l i n k ，a d l i n k 等。 8 ) 开放式的数据库管理 在f l o w m a s t e r 数据库中，包含7 5 0 多个标准元件数据，可以直接调用， 这些元件的性能数据及特征曲线都能用图形的方式显示。例如，对于一个阀，可 以用图表显示阀芯位置与能量损失系数之间的关系。 9 ) 便捷的二次开发环境系统建模时，若需要模拟特殊的零部件，而这些零部 件没有包含在软件提供的元件数据库中，用户可以通过“外部零件模型”( e c m ) 的功能开发“元件”，扩充到软件的数据库中。 由上可知，f l o w m a s t e r 强大的仿真计算功能能够满足本论文的模拟需求。 本文建模主要用到的f l o w m a s t e r 软件模块简介： 1 ) s s 稳态分析模块。 2 ) s t 瞬态分析模块。 3 ) a c s 空调系统稳态分析模块，提供空调系统稳态分析。 5 ) a c t 空调系统瞬态分析模块，提供空调系统瞬态分析。 1 4课题的研究内容及目的 1 4 1研究内容 为了研究车外压力波动是如何影响车厢内的压力变化的，认为是由于压力波 动导致通风系统进、排气口流量不平衡，从而引起车厢内压力波动。本文的研究 对象为c r h 3 8 0 b l 型高速列车的通风系统。所涉及的通风系统主要由新风口、空 气压力保护装置、新风回风混合箱，空气过滤器、空调机组、通风机、送风道、 回风口、回风道以及排废气口等组成。 通风是空气调节的重要环节。和大多数人想象的不同，虽然高速列车在运行 时几乎是密封的，但列车车厢内的空气在几分钟内就可以被更换一次，如此强劲 的空气循环就归功于列车的通风系统。通风系统是列车空调系统的重要组成部分， 1 0 第一章引言 它的作用是吸入车外新鲜空气并与车内再循环空气混合，在经过过滤装置滤清灰 尘和杂质后，再压送分配到车内，同时排出车内多余的污浊空气，以保证车内空 气的洁净度以及合理的流动速度和气流组织。 列车的通风系统除了可以给乘客提供新鲜空气外，它的另一项功能就是保证 车厢内具有适当的气压，即当车外气压发生明显变化时，通风系统会将车厢内的 气压维持在一个让人感到舒适的水平。这主要是由于当列车高速运行时，特别是 进入隧道或者会车时，列车外表面进排风口处的空气压力会明显不同于静态时的 大气压力，如果不加以控制，车厢内的气压会随之波动，给乘客造成不适感。通 风系统是客车空调系统中唯一不分季节而长期运转的系统，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【3 引。 高速列车车内气压对人体舒适性影响可用车内压力波动偏离标准压力的最大 值和压力变化速度( 压力变化率) 来评价。世界各国对高速列车都有自己的具体 要求：日本要求车内最大压力变化率，新车不超过2 0 0p a s ，旧车不超过3 0 0p a s ； 德国规定压力变化率的范围为：2 0 0 - 。4 0 0p a s 。我国铁道部在高速动车组的招标文 件中对车内气压舒适性作了具体要求：压力变化的最大值不得超过1 0 0 0p a ，压力 变化率不应超过2 0 0p a s 。 本文的研究首先以铁道客车设计标准为依据，根据几何模型以及实车相关参 数，以c r h 3 8 0 b l 端车e c 0 1 为参考模型。确定c r h 3 8 0 b l 型动车组通风系统技 术参数以及几何参数，建立仿真模型，对其进行一维仿真和评价，然后根据仿真 结果对通风系统进行优化可行性研究。 ( 1 ) 高速列车通风系统建模 基于c r h 3 8 0 b l 动车组建立通风系统几何模型。设计参数严格按照铁道客 车设计手册、铁道客车采暖通风设计参数、实用供热空调设计手册、动车 组装备、民用建筑空调设计、环保设备材料手册选取。 c r h 3 8 0 b l 型动车组空调系统为安装在车顶的一体式顶置压缩空气调节系 统。每个车均配有排气装置。在入口区域，循环空气加热器组合安装在端墙内和 门罩板内。每个司机室均配有单独的空调系统，此空调可独立于客室空调单独调 节。通过对该型车通风系统的认真分析和充分理解，筛选出建模所需要的几何参 数和技术参数。为高速列车一维仿真建模奠定了基础。 ( 2 ) 高速列车通风系统压力波动的一维仿真研究 根据设计参数，确定该型列车通风系统的主要结构参数，基于一维仿真软件 对此系统进行一维建模并分析。 首先对通风系统进行稳态分析，通过仿真结果与实车设计之对比，验证模型 的正确性。其次对该型列车通风系统进行一维仿真研究，主要是对单个列车进隧 北京交通大学硕士学位论文 道或者是两列车会车时通风系统的压力波动进行具体的仿真研究。通风系统主要 包括通风机、新风口与新风道、回风口与回风道、送风风道，送风口以及废排风 机与废排风道，空调机组，新风口与回风口处的空气过滤器等设备。 ( 3 ) 基于一维仿真研究，分析瞬态的压力波在通风系统的波动规律，对仿真 的结果进行分析，尤其是风道出口的压力变化结果具体分析，主要从压力变化的 最大值、压力变化率两方面着手分析，得出压力变化的主要影响因素。 ( 4 ) 高速列车通风系统的优化研究 基于一维仿真研究结果，分析影响压力波动的主要因素，讨论压力保护装置 的必要性，通过对通风系统中局部构件的结构参数的修改，对通风系统做相应的 优化研究，使得通风系统的压力变化满足车内人员的舒适性。 1 4 2研究目的 1 ) 分析高速列车车内压力波动的原因，寻求抑制车内压力波动的方法。 采用一维仿真软件f l o