（车辆工程专业论文）铁路空调客车内流场数值分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国铁路建设的发展以及人们对物质生活要求的日益提高，高速、 舒适的现代化列车将成为铁路客车发展的方向和主流，车内环境舒适性将成 为客车设计所追求的重要指标。空调客车因其可以随气候变化调节车内环境 而得到越来越多的应用。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，车厢内的气流分布和温度分布无法精确设计。本文以空调客车各 车型为研究对象，利用流体流动和传热动力学方程为基础的数值计算方法对 车厢内部空气流动和传热状况进行了分析。 本文的工作是根据某客车厂空调客车内部流场分析课题所展开的。文中 利用数值计算方法对不同气流组织下空调客车车厢内部的速度场与温度场的 分布进行了模拟。计算中流动控制方程为n s 方程，紊流模型使用扣两方 程湍流模型，采用有限体积法离散计算区域，近壁区采用壁面函数法考虑墙 壁边界条件，并使用迎风差分格式，速度一压力耦合采用s i m p l e 算法。计算 中采用了多种壁面散热条件，综合考虑了车体壁面传热、太阳辐射、人体散 热等多种传热过程，并考虑了由于温度差引起的浮升力的影响。根据计算结 果，得到了各项气流组织评价指标：用不均匀系数t ，来评价温度与速度分布 的均匀性，用有效温度差( 么e t ) 与空气分布特性指标( a d p i ) 来评价热舒适度， 用投入能量利用系数卵来评价经济性。 文中详细分析了三种车型数值计算的结果，得出了温度场和速度场的分 布特征，并总结得到流场分布的规律及其主要影响因素，从而提出有针对性 的改进工况，初步优化的效果明显。研究发现：硬座车厢目前普遍使用的车 顶条缝及格栅送风方式都是较好的送风方式。通过选择送风温度和送风速度 组合，可以满足热舒适性与经济性的要求。硬卧车厢目前使用的车顶格栅送 风方式受车厢结构与送风方式的影响，制冷效果差。改为行李架侧送风方式 后，气流组织有明显改善，各项指标均达到要求。软卧车厢的孔板式送风方 式能保证满足热舒适性要求，是较好的送风方式，但能量利用效率较差。而 新型的车顶贴附送风方式在保证热舒适性的基础上能进一步改善流场的均匀 分布。 通过本课题的研究发现，使用数值模拟方法来分析和评价车厢内气流组 织是可行的。文中对气流组织提出的合理建议，有利于空调客车的舒适度提 高与节能控制。研究结果为铁路空调客车车厢内气流组织的合理设计提供了 西南交通大学硕士研究生学位论文第| | 页 有价值的参考依据。 关键词： 铁路客车；空气调节；气流组织；数值模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第| | 页 有价值的参考依据。 关键词： 铁路客车；空气调节；气流组织；数值模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章数值模拟方法 本文的工作主要是通过流体流动和传热方程的数值计算来对空调客车车 厢内部的气流组织形式进行研究。在实际应用中针对具体模型，选用的计算 方法是否可行，边界条件设置是否正确以及如何在不对计算结果产生较大影 响的前提下台理地简化计算模型，需要一定程度的流体力学和数值模拟理论 基础。为此，本章对数值模拟的理论做简单介绍。 2 1 流动与传热问题的控制方程 流动与传热现象大量地出现在自然界及各个工程领域，所有的这些流 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m m ，这些守恒定律的数学表达式偏微分方程， 通常被称为控制方程( g o v e i n l n ge q u a t i o n ) m 】。 2 1 1 连续性方程( 质量守惺方程) 质量守衡定律可表示为m 1 3 3 1 ：单位时间内微元体中流体质量的增加等 于同时间间隔内流入该微元体的净质量。根据质量守恒我们可以得到以下 的连续性方程： 塑+ 巫也+ 亟盟+ 旦她：o( z 一1 ) 甜缸 砂 弛 上式中：“、v 、w 分别为流体在x 、y 、z 三个坐标方向上的速度分量 p 为流体的密度 上式中的后三项是质量流密度的散度，可以用散度符号表示： 竖- d i v ( p 功= 0( 2 2 ) 甜 对于不可压缩流体，其流体密度为常数，连续性方程可简化为： 对于不可压缩流体，其流体密度为常数，连续性方程可简化为： d i v ( p 曲= o( 2 3 ) 西南交通太茔硕研究生学博论文鬓 ! 里 砸s 副滴；羹蓁；蓁鋈8 羹彭；薹；蓁蒌l 蓁；鬻錾i 薹j 冀霾驯毳姜巽i静 “骷嗣m立嚣譬蠢零| 萼薹! 雾童i 驻iil；耋i霎也是篱孵毙髫转摊拦舷醵剿糙吊斟；赢蒙；程鹈明貅 葙茸。臼酸薪鼙奉确满荫l；萋。型。良娶#。晕箍巍。昂运备车的气囊长蟠 业骑蠹裂参；犟赢坌篙捌噪t 鬻二；! ! 基黉；| i ；鼋l 薛 空调 装置一般不设在车顶a 为 射塑斧彰面积赢藏手# 剖彭墅塾刖弘掣瞽莉勤二砸孵鞠鼬瞻鹭麴要瓤星簿 辞气流缉鍪季糕霎。褐羚嚏雪i 蚓辇枣。，爨晴誊班别刘琴2噜蔼秀掣博 受，瓮希塔蒸理荟堪墨氆禹嚣攀銮望忑銎j 要备螽餮羹黎雾| 篓錾荔薹蚕 霎! 薹妻夔薹菱羹藿雾二蔓善纂究墓雾薹糯濂潮矧 酾t 一鍪婪嚣酿| ! 躺 辞融懿薮鲥鞋憩鲥弱翻；蕈一管窘矿引墓莹l ! g 二鬈写合理组织是空调客车设计的重要 内容。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 速度和进风温度对车内流场的影响。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，气流组织设计也是参照建筑物的室内气流组织而设 计的。通常将送风气流看成射流，通过求解射流的经验公式来确杓埔彩遣握战锏氖夷谄髯橹 计的。通常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x 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 引入b 。u s s i n e s q 假设，即 矿一p 瓦) 他睁卦弘 2 5 假定流场具有高紊流r e y n 0 1 d s 数，即流场中 a 。；2 妇) ，o ( 2 2 2 ) 这样，流体的紊流粘度具有各向同性，可作为标量处理： 6 由于气体流动为低速不可压缩流动，因而可忽略由流体粘性力做功所 引起的耗散热。 在以上几点假设和简化的基础上，可得七方程的最终形式如下： p 詈+ 膨，毒。毒+ 尝，善，+ 鸬銎詈+ 伊。薏2 去+ 告，毒，+ 半“誊c 詈+ 詈，t p 譬( 2 2 4 瑚塌灌澧一臻稍斟吲降量氆；薰相互瑟蚕腿：鬻篓纂垂羹；i ； 当币点鏊銎截f融净锴渤灌霄葱溪毳矧罱；魏跗拦管粟，去上怪击显肇； 箱瑶路鼹。犀籀翟崔臻攀。嚣殁冬锚筵ll一自ii；鼎龇斟捌斟要昼兽跳雾近连 续变化，在各个节点上离散方程的解将足够地接近微分方程精确解的值。偏 微分方程的数值求解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 ，fv m ) 、有限元法( f i n i t e elementm e t h o d ，f e m ) 、有限差分法( f i n i t edi f f e r e n c e m e t h o d ，f d m ) 、有限分析法( f i n i t ea n a l y t i cm e t h o d ，f a m ) 等 ，区别在于区域的离散方式、方程的离散方式及代数方程求解的方法这三个环节。有限体积法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格式。由于用有限体积法导 出的离散方程可以保证守恒特性，而且离散方程系数的物理意义明确，目前 流行的大多数大型商业化c f d 软件( s t a r c d ，p h o e n i c s 、f l u e n t 、c f x 、fl o w 一3 d ) 都采用了有限体积法“”。2 3 1 有限体积法【2j有限体积法是有限体积法中建立离散方程的主要方法】。该方法推导过程 物理概念清晰直观，其特点是：所得到的结果在任何一组控制容积内，当然 也就是在整个计算区域内，诸如质量、动量等一些满足守恒律的物理量的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第3 章模型建立与评价指标 上一章所阐述的是数值计算方法的核心理论，实际计算过程中要先对研 究对象进行实体建模，然后定义边界条件，再选择合适的计算方法、湍流模 型及差分格式，最后再进行计算。 在计算得到车内流场分布后，需要对客车车厢内部气流组织及送风方式 性能的优劣进行客观、科学的评价。对以人体为主要服务对象的舒适性空调 来说，气流组织是否合理，不仅直接影响室内的空调效果，而且也影响空调 系统的能耗量。因此，应从热舒适性和经济性两个方面对气流组织进行评价。 3 1数值计算方法讨论与验证 一般情况下，使用c f d 数值计算方法，能加快设计开发速度，缩短开发 周期。对于物理现象比较清晰的问题，使用c f d 方法能更快解决，且在某种 意义上比理论和试验对流体的运动过程认识的更深刻，更为细致。研究者通 过方便灵活地改变初始条件、边界条件以及几何边界条件，可以获得整个流 场任意点处的详细信息，从而使得研究清楚流动机理变得可行。 本文采用s t a r c d 软件作数值计算，它是基于有限体积法的一个功能强 大的通用流体分析软件。在差分格式方面，包含了u d 、c d 、q u i c k 以及混合 格式：s i m p l e 及p i s 0 等算法的应用，使其在处理压力和速度的耦合问题等 方面具有更大的灵活性；在湍流模型方面，纳入了目前应用最广泛的扣s 湍 流模型；再加上对压力、周期性边界、辐射等复杂边界条件的处理，使其在 稳态与非稳态的流动与传热问题的数值分析中都得到了极其广泛的应用1 4 b 】。 目前许多大型商业化通用c f d 软件已经能够很好地解决精度问题，计算 误差降到了5 以内。在使用专用软件对具体问题进行研究时，建模过程中 网格的质量与数量对计算结果的影响非常大。同时，能否根据所研究对象的 特点选择合适的求解模型、设定恰当的边界条件也是影响计算精度的关键。 本文将通过实验、对比、讨论，对上述三个影响计算精度的关键因素进行研 究，并进行正确的选择与设定。 下面根据已有的两个算例来进一步证明使用数值计算方法进行课题研究 的可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 算例一 算例l 的研究对象为一办公室，其几何尺寸为：长宽高= 5 1 6 m 3 6 5 m x2 4 3 m 。室内有计算机、人员、灯光等热源，还有桌子和壁橱等家具， 如图3 1 所示。热源情况见表3 1 。方型散流器尺寸为o 3 m 0 3 m ，有效面 积系数r ，。= 0 1 7 8 。送风口中心线与顶板中心线重合，送风量o 0 7 6 8 k g s ， 送风温度为1 4 5 ，回风口为o 4 3 l l i o 4 3 m 的方形回风口，中心线与西墙 中心线重合，下缘距地面0 0 2 m ，回风温度为2 4 1 。用于对比的实测值为 房间过送、回风口的对称面上沿长度方向3 个不同位置处，沿高度方向分布 的速度和温度值。对应图3 1 中的坐标系，即z = 1 8 2 5 m 处，x = 0 8 m 、2 5 1 m 、 4 3 6 m 处沿y 轴的速度、温度分布。测点布置位置编号为1 3 ，见图3 2 。 y 整簧 x 寻，托：7 ” 匿一：才乙末 i 7 ： 赢 图3 1 某办公室空调送风示意图图3 2 实验测点布置示意图 表3 1 莱办公室热源分布情况 热源项目热源大小( w ) 人 7 5 术2 计算机 1 0 8 + 1 7 3 灯3 4 4 外墙传热 1 5 8 合计7 2 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 ( a ) 位置l ( b ) 位置2 ( c ) 位置3 图3 3 模拟结果和实验值对比 利用s t a r c d 软件作数值计算时，采用卜s 两方程湍流模型，速度一压 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 力耦合采用s i m p l e 算法。 模拟结果和实测值的对比示于图3 3 ，图中均用无量纲高度( 各点高度 与房间高度的比值) y h ，无量纲速度( 各点速度与风口出风速度的比值) u u n ，无量纲温度( 各点温度与送风温度差值和送回风温差的比值) 口= c r l ) ( l 。一瓦) 进行比较。由图可见，模拟所得速度和温度分布与实测 值吻合的很好。其中，局部位置速度有一定差别，但其绝对值在o 1 m s 以下， 这样的差别从测量误差和工程应用的角度而言都是合理的；而温度计算值和 实测值吻合得较好，各点计算所得温度和实测值相差均小于1 ，相对误差 在l o 以下，可以认为数值模拟计算值是可靠的。 此算例采用s r e b r i c 所做的办公室空调测试作为验证对比对象，这也是 a s h r a e ( 美国供暖、制冷和空调工程师协会) 用于验证数值计算结果的报告 中的算例1 3 9 l 。 由于现有算例大多是跟建筑空间有关的，为进一步验证在本课题数值计 算的可行性，再选取一个关于硬卧车厢内部气流分布数值计算与测定的算例 进行验证。 算例二1 4 9 l 以某型空调硬卧车为物理模型，其内部结构为：车宽2 9 0 0 m m ，净高2 7 5 0 m m ：车厢一侧设“个卧铺单元，每个卧铺单元有尺寸为6 0 0 姗19 5 0 帅 的横向3 层铺位相对排列，通道上部设有行李架( 宽4 8 0 m m ) ；通风方式为顶部 送风，即在车厢顶部设有1 1 个百叶送风口( 尺寸3 0 0 m m x 4 8 0 咖) ，每个风口负 责一个卧铺单元的送风；回风方式为侧回风，即在车厢两端利用车门回风( 尺 寸8 8 0 唧2 0 7 0 响) ，然后经百叶回风口( 尺寸6 0 0 m m 4 8 0 啪) 将车厢内回风 送至空调机组。由于车厢内每个卧铺单元的布置及送风方式都相同，基本上 可认为每个单元的通风条件是相同的，因此取其中的5 个单元作为计算对象， 其计算模型如图1 所示。车厢内乘客按满员即6 6 人计算，乘客的散热量按 1 1 6 3w 人计算，将这些热量作为能量方程的附加源项，均匀分布在床铺上 方控制容积的网格节点上。模拟空调硬卧车内太阳透射辐射传递过程时，只 考虑太阳从床铺侧玻璃窗对车厢内的辐射传热。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 图3 42 5 k 型空调硬卧车厢计算模型图 实测试验取2 个典型测试断面，图3 5 中j = 4 3m 断面为送风口断面，图 3 6 中z = 4 8m 断面为床铺区断面，每个断面布置1 5 个测点，m 、陀、 船断面离车地板的距离分别为o 7m 、1 6m 、2 2 m ，这些测点能较全面地反 映车厢内气流速度和温度分布情况。车厢内采用百叶送风口送风，送风速度 为1 5m s 。试验环境条件为：车外空气温度3 6 2 ，车内乘客仰卧在铺位 上，车内无人走动，床铺侧玻璃窗有较强的阳光照射。 ；，夸：_ 备 l i 1 垂 卜 ijf1悻 图3 5x = 4 3 m 断面测点分布图图3 6x = 4 8 m 断面测点分布图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 数值计算结果和实验结果的对比见图3 7 。x = 4 3 m 断面处速度相对误差 平均值为6 7 ，最大值为1 2 5 ，温度相对误差平均值为1 2 ，最大值为2 1 ：j = 4 ，8 m 断面处速度相对误差平均值为8 5 ，最大值为1 4 o ，温度相 对误差平均值为1 4 ，最大值为2 7 。 实验数据和数值计算结果的变化趋势基本相同，表明本文采用的数值计 算方法模拟空调客车车内气流组织是可行的。 a ) x = 4 3 日断面温度计算值和测量值的对比 b ) x = 4 3 m 断面速度计算值和测量值的对比 c ) x 2 48 m 断面温度计算值和测量值的对比 d ) x = 48 m 断面速度计算值和测量值的对比 图3 7 各断面计算值与测量值的对比 通过对两个典型算例的验算，可见：采用数值模拟计算方法对车厢内部 气流分布进行数值模拟时，能保证计算值和实验测试值吻合较好，满足工程 精度的要求a 故本文的数值模拟计算方法和所选择的流体分析软件可以应用 到铁路空调客车内流场数值分析的研究中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 3 2 模型建立 3 2 。1 技术路线的选择 考虑到作为课题研究对象的列车车厢外形虽然比较复杂，但是基本上是 具有一定规则的多边形的组合所以，不必要选用p r o e 和i c e m c f d 等功能 强大但比较费时的工具软件 g a m b i t 几何造型功能强大，使用灵活，能方便的生成质量较高的网格。 据此，选定g a m b i t 作为主要的前处理工具，进行几何造型和网格生成此外， 选用s t a r c d 作为核心解算器与后处理工具，选用m a t l a b 和e x c e l 对结果数 据进行处理与统计。 3 2 2 计算区域的确定和简化 本文以2 5 型空调客车的硬座，硬卧及软卧车厢为研究对象。 2 5 k 型空调硬座车内部结构为：车宽2 9 0 0 唧，净高2 5 0 0 m m ，车厢左右两侧 各设2 4 排座椅，车厢上侧左右对称各设一排行李架，通风方式为顶部送风。车 顶格栅送风方式设有1 2 个格栅送风口( 尺寸1 5 0 咖4 4 0 册) ，车顶条缝送风 取车顶条缝宽度为b = 2 5 m m l 2 4 1 ，回风方式为侧回风，即在车厢两端利用车门回 风( 尺寸8 5 0 姗2 0 0 0 m ) ，由于车厢内部的布置及送风方式前后一致，因此取 车厢座位区的一半作为计算对象。 2 5k 型空调硬卧车内部结构为：车宽29 0 0 l 【l l ，净高2 7 5 0m m ：车厢一侧 设1 1 个卧铺单元，每个卧铺单元有尺寸为6 0 0 m m 1 9 5 0 m m 的横向3 层铺位相对 排列，通道上部设有行李架( 宽4 8 0 m m ) ：通风方式为顶部送风，即在车厢顶部 设有1 1 个格栅送风口( 尺寸3 2 0 m 4 7 0 咖) ，每个风口负责一个卧铺单元的送 风：回风方式为侧回风，即在车厢两端利用车门回风( 尺寸8 8 0 m m 2 0 7 0m m ) 。 由于车厢内每个卧铺单元的布置及送风方式都相同，基本上可认为每个单元 的通风条件基本相同，因此取车厢铺位区的一半作为计算对象。 2 5 k 型空调软卧车由于车厢内每个卧铺单元的布置及送风方式都相同， 当包问房门关闭时，基本上可认为每个单元的通风条件是相同的。因此，可 单独取出一个卧铺包间作为计算对象。其内部结构为：包间室内长宽均为 1 9 9 0 珊，净高2 5 0 0 m m ：每个软卧包间有两侧各有两个尺寸为7 0 0m m 1 9 9 0 姗 的铺位，通道上部的行李架空间( 尺寸1 9 9 0m m 6 0 0m m 4 0 0 咖) 亦考虑在内： 通风方式为顶部孔板式送风，每个风口负责一个卧铺单元的送风；回风方式 为包间门下部的百叶窗，将包间内回风送至通道。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 在车厢内有较多诸如坐椅及行李架等占据流场的固体障碍物。它们对流 场的速度和温度分布有一定的影响。因此在建立模型时，把床铺、座位、行 李架和小桌的影响考虑在内。各个车型的几何模型见下图： 图3 8 空调硬痊车厢几何模型( 条缝送风) 图3 9 空调硬卧车厢几何模型( 格棚送风) 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 4 1 1 车顶条缝送风方式的数值计算与结果分析 车顶条缝送风取车顶条缝宽度为b = 0 0 2 5 m l ，车厢内回风为两侧端门回 风。送风方向为垂直向下，下图为送风方式示意图。 ( a ) 侧视圈( b ) 斜视图 图4 1 硬座车顶条缝送风方式示意图 原始参数工况1 的送风速度与温度为：f 。= 1 9 ，v 。= 2 7 肼5 由于车厢两端处端门是回风口且座椅的布置不同，可能会使得车厢两端 处与车厢中部的流场分布有所差异 叫。为此，取出端门附近的三个座位单元 进行计算，研究端门回风对车厢整体流场分布的影响。 图4 2 至图4 6 是原始参数工况1 在各个截面上的计算结果。 图4 2 与图4 3 是车厢长度方向上座位区域的速度与温度分布图。从速度 分布图可以看出由于受到座位与小桌的阻挡，送风气流在座位上方区域形成 旋涡，气流运动强烈，气流的混合起到交换热量和调节温度的作用。而对比 发现：靠近端门的座位单元上方的气流运动特征，明显不同于其他两处。越 靠近端门，座位单元上方的气流旋涡越无规律；而越靠近车厢中部远离端门， 气流运动越有规律，单元内部气流分布左右对称。气流运动的差异在温度分 布图上也有相应的反映：靠近端门的座位单元上方的温度分布比较无规律： 而靠近车厢中部的座位单元的温度有规律地对称分布。图4 4 是车厢走廊区域 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 图3 1 3 空调软卧车厢网格模型( 孔板送风) 3 2 4 边界条件的确定 ( 1 ) 入口及出口边界： 送风口：= 砜，u = v = 0 1 t = o 0 5 言p 进。，。o 0 0 8 回风口：竺；堕；0 a nd n 给定入口的平均速度值，即给定了相应的入口质量流量。将出口处的压 力设置为压力参考点。对于能量方程，要给定入口气流的平均温度值。对于 k 方程，当入口处的k 值无实测值可依据时，可取入口平均动能的某个百分 数，一般为o 5 一o 0 1 5 ，本文取k = o 0 0 2 ，= o 0 0 8 】1 5 0 l 。 本文根据现有车型( r w 。，y z 。，y w 。) 的送风口所在位置及其尺寸大 小。再根据设计的送风量范围，选择合适的送风速度、送风方向及送风温度。 在开门情况下，软卧包厢把包厢门，硬座硬卧车厢把端门视为回风口。在关 门情况下则将门下端的百叶窗视为回风口。具体计算工况见下一节。 ( 2 ) 壁面边界： 流场分析时，固体表面边界一般按无滑移条件处理，车顶及车两侧壁面、 车室地板、内端墙、行李架取无滑移边界条件，萨f 胪= 忙s = o 。 在考虑传热问题温度场分析时，使用第三类边界条件，通过同时设定外 部环境温度与壁面的传热系数来模拟车体壁面的传热。为更精确地得到重要 区域的温度场分布，采用了多区域壁砸传热并考虑了太阳辐射和人体散热的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 影响。人体散热是根据人体全热、车厢内集群系数1 5 1 】等算出单位时间散热量， 取定座位区或铺位区特殊壁面为热流边界条件来实现的。对于外界的太阳辐 射热，则将其热作用考虑到综合外界环境温度中去。 1 ) 车体传热系数k 值的确定邢3 l 列车车顶，车底与车体侧壁由于室内外温差的作用，对车内产生作用， 形成热负荷。根据车体综合平均传热系数( 静止条件下) 为k = 1 1 6 w m 2 ， 并参考文献 1 ，可得到修正后车体各个部位的传热系数如下表所示： 表3 2 修正后的各车体壁面传热系数 壁面位置车顶l车底侧壁 i 传热系数k ( w r ) o 7 8 8o 6 2 71 9 2 6 又因为列车时速取= 1 6 0 砌 时，车体总的传热系数k 值比静止状态 下增长9 0 ，则此时车顶、车底、侧壁的k 值分别为1 4 9 7 、1 1 9 1 、3 6 5 9w m zk 。 2 ) 太阳辐射热效应的确定 对于一般列车，由于太阳辐射的热作用所消耗的冷量占输送的制冷量的 1 0 1 5 4 】，丽对于有大面积的空调客车，因太阳辐射而消耗的冷量就更大了。 因此，本文将进一步把太阳辐射的作用考虑到综合外界温度中去，以更真实 地模拟出实际的车内热环境。 根据中华人民共和国铁道部标准t b l 9 5 卜8 7 客车空调设计参数提供的 数据，作用在车顶、侧墙、地板外表面的太阳辐射温度，推荐按武汉( 取较 恶劣外界热环境) 太阳辐射强度值计算。以向北行驶在中午1 2 时的列车为例， 计算综合外界温度： 式中 ( 3 1 ) f ，一综合外界环境温度，； f 。一室外气体温度，取3 5 ； 0 一太阳辐射的当量温度，即与太阳辐射等效的温度值，。 p 一车体外表面的吸收系数 深色油漆表面取0 7 ；浅色油漆表面取0 5 ；本文取o 5 ； j 一外表面的总辐射强度( 见附表) ，w m 2 ： 口。一隔热壁外表面的换热系数，w m 2k ； 一 + f i d f+ f ； f 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 影响。人体散热是根据人体全热、车厢内集群系数1 5 1 】等算出单位时间散热量， 取定座位区或铺位区特殊壁面为热流边界条件来实现的。对于外界的太阳辐 射热，则将其热作用考虑到综合外界环境温度中去。 1 ) 车体传热系数k 值的确定邢3 l 列车车顶，车底与车体侧壁由于室内外温差的作用，对车内产生作用， 形成热负荷。根据车体综合平均传热系数( 静止条件下) 为k = 1 1 6 w m 2 ， 并参考文献 1 ，可得到修正后车体各个部位的传热系数如下表所示： 表3 2 修正后的各车体壁面传热系数 壁面位置车顶l车底侧壁 i 传热系数k ( w r ) o 7 8 8o 6 2 71 9 2 6 又因为列车时速取= 1 6 0 砌 时，车体总的传热系数k 值比静止状态 下增长9 0 ，则此时车顶、车底、侧壁的k 值分别为1 4 9 7 、1 1 9 1 、3 6 5 9w m zk 。 2 ) 太阳辐射热效应的确定 对于一般列车，由于太阳辐射的热作用所消耗的冷量占输送的制冷量的 1 0 1 5 4 】，丽对于有大面积的空调客车，因太阳辐射而消耗的冷量就更大了。 因此，本文将进一步把太阳辐射的作用考虑到综合外界温度中去，以更真实 地模拟出实际的车内热环境。 根据中华人民共和国铁道部标准t b l 9 5 卜8 7 客车空调设计参数提供的 数据，作用在车顶、侧墙、地板外表面的太阳辐射温度，推荐按武汉( 取较 恶劣外界热环境) 太阳辐射强度值计算。以向北行驶在中午1 2 时的列车为例， 计算综合外界温度： 式中 ( 3 1 ) f ，一综合外界环境温度，； f 。一室外气体温度，取3 5 ； 0 一太阳辐射的当量温度，即与太阳辐射等效的温度值，。 p 一车体外表面的吸收系数 深色油漆表面取0 7 ；浅色油漆表面取0 5 ；本文取o 5 ； j 一外表面的总辐射强度( 见附表) ，w m 2 ： 口。一隔热壁外表面的换热系数，w m 2k ； 一 + f i d f+ f ； f 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 当车辆处于运行状态时，外表面换热系数受到车速的影响。按照铁路合 作组织备忘录p 一5 3 8 3 ，换热系数的计算公式为：。= 9 + 3 5 甜“，当时速取 珊= 1 6 0 j 渤 时，得到外表面换热系数为3 0 8 2w rk 。 由上可得综合外界环境温度： 表3 3 改进条件下隔热壁计算参数的确定 壁面位置车顶车底侧壁 辐射强度j ( w 盯) 9 6 22 4 11 3 l 吸收系数p o 5o 5o 5 太阳辐射当量温度( ) 3 0 ，0 67 5 34 0 9 综合外界环境温度t ( ) 6 5 0 6 4 2 5 3 3 9 0 9 3 ) 室内人体热源的确定 人体散热是根据人体全热、车厢内集群系数1 5 1 】等算出单位时间散热量， 取定座位区或铺位区特殊壁面为热流边界条件来实现的。 根据暖通空调常用数据手册，室内人体散热量： q 鲁i 冒n l n 2 ( 3 2 ) g 一不同室温与劳动性质时成年男子的全部散热量，w 人。 m 一室内人数 一集群系数 在室温为2 1 2 5 ，静坐状态下，单个人体散热量取口= 1 08 2w 人，集 群系数嚣，= o 9 3 。 根据模型的差异，把人体散热量均匀地分布到座位或是铺位区域，作为 定热流边界条件。 3 3 计算工况 本文在对空调车厢内部气流组织进行数值分析的步骤如下：先选取各个 车型最常见的送风方式和送风参数的组合为原始参数工况1 进行模拟计算。 在对原始参数工况1 的计算结果进行分析评价后，总结车厢内部结构、送风 方式等影响车内流场分布的规律，找出主要影响因素，进而提出改进方案。 通过选择合适的送风温度与送风速度的组合或是改变送风方式，希望能找到 满足热舒适性与能量经济性的最优的气流组织方式。各个车型的计算工况列 表如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 余热量，送风的耗冷量是否最低。 3 4 1技术指标 1 不均匀系数瞰】 在人员活动区内选择n 个节点，取各点的变量茗( x 可为温度堙建速度“) 求算术平均值为： 均方根偏差为 不均匀系数为 仃r 兰 ( 3 4 ) 七，。s( 3 5 ) x 当z 分别表示温度f 和速度“时，即可得温度不均匀系数七，和速度不均匀 系数。显然t 。，女。愈小，则气流分布的均匀性越好。 此外，在工作区内符合给定的温度和速度条件的节点数了，l 。与节点总数 的比值为符合给定条件节点比例数f ，即 f ；上笠 ( 3 6 ) 挖 f 是工作区中处于设定温度与速度范围内的节点数占总节点数的百分 比，代表了温度场与速度场分布的均匀程度。 2 热舒适性指标m i 叫 舒适即为在此环境中人们表示满意。热舒适被a s h r a e 定义为“主观上对 热环境表示满意的那种状态”。在评价气流组织效果时，需对其环境进行舒适 性评价。 长期处于一定环境中的人体，其热舒适的首要条件是处于热平衡，以使 人体的产热量与散热量相等，但这种情况并不是热舒适的充分条件，另外两 个条件是皮肤平均温度应具有与舒适相应的水平、人体应有最佳的排汗率。 热舒适不是直接可以测量的，而是一种对环境参数的独特生理反应。这种生 驻。 z 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 理反应是由多至1 5 种不同环境参数灌壹用憾二浯嘭! i i _ t 嚣强鲣鞋鬟粥 了均i # i 熏，；“；l j ；3 鞴j ；f ! “ i 一 基辩，# 冀馏姜善垣；毒i ；淄一一塌! 胡罐? i 曼z l 。! ； # ；要i i 女。鹱臼鲤穗。讯： ? i ? 一一剖誊蟊勤鬲鞴! “j 每王巩酾并赞酷；l | ； 瓤强絮型；謦l ； 车顶条缝送风工况5 计算结果表 典型截面截面i截面i i截面i 平均速度( m s ) 0 2 3 2o 2 7 10 2 6 1 速度符合点数8 8 31 1 5 81 1 4 3 平均温度( )2 4 1 72 4 6 42 4 8 0 温度符合点数5 6 28 6 01 0 1 6 总符合点数 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 第4 章空调客车内流场数值计算与结果分析 本章的研究目的为对已有的列车空调送风方式进行评价，同时找出列车 内更舒适的送风方式及送风温度和速度。因此，本章将对所研究的车型分别 选取其在实际运行时常见的送风方式及送风参数，采用第二章及第三章介绍 的数学模型和计算方法分别进行数值模拟，以得到各个工况下车厢内部的速 度场与温度场的分布。计算结果用e x c e l 软件进行处理，可以得到各个工况 下车厢长度方向的各个截面上的温度、速度的最大值、最小值、平均值、方 差、符合温度舒适度范围( 2 4 2 8 ) 、符合速度舒适度范围( 0 3 5 m s ) 及有效温度差么e t ( 一1 7 + 1 1 ，取r 。= 2 5 时) 舒适度范围内的节点数。 通过对所得到的各项数据进行分析，总结得到流场分布的规律以及主要影响 的因素，有针对性地提出改进工况。再对比改进前后各工况的温度、速度不 均匀系数、符合给定条件节点数比例数f ，以及利用空气分布特征系数a d p i 及投入能量利用系数来评价热舒适性和经济性，能找出最为合理的气流组织 形式。 在考虑热舒适性时，人们所关心的主要是人员活动集中的地方，即“人 员活动区”。本文在评价热舒适性时，剔除人员不常去的区域，如行李架高度 以上区域、座位或铺位以下区域等，把剩下的区域作为“人员活动区”。此外， 为了详细分析车厢内空气速度和温度的空间分布特征及热舒适特性，还将给 出位于小桌与其两侧座位或铺位所在的三个典型断面上速度和温度分布图及 热舒适指数一有效温度差( e t ) 的分布图。下文中将对三种车型的气流组织 分别进行详细的研究。 4 1 硬座车厢气流组织研究 硬座车厢内最常见的送风方式有车顶条缝送风和车顶格栅送风。而这两 种送风方式在不同送风速度和送风温度的条件下，热舒适性与经济性可能会 有较大的差异。因此，下文将通过数值模拟计算，得到不同送风方式在不同 工况下车厢内部的速度、温度场的分布。通过对不同工况的计算结果进行评 价与分析，来指导我们找到更优的气流组织形式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 5 页 图4 4z = 1 4 m 断面速度矢量图 图4 5y = 1 m 断面速度矢量图 图4 6y = 1 m 断面温度分布图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 7 页 ( a ) 截面i ( b ) 截面1 l ( c ) 截面i i i ( a ) 截面i ( b ) 截面i i ( c ) 截面i i i 图4 8 车顶条缒送风原始参数工况1图4 9 车顶条缝送风原始参数工况1 各截面速度矢量图各截面温度分布图 温度或速度舒适度范围的网格单元数) ，总符合点数( 各截面既满足温度又满 足速度舒适度范围的网格单元数) ，平均有效温度差翻e t 、a d p i 及能量利用 系数，7 ，通过对这些参数的分析评价，我们可以对车顶条缝送风的气流组织 状况有个初步的了解。 计算结果见表4 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 9 页 ( c ) 截面i i i 图4 1 0 车顶条缝送风原始参数工况1 各截面e t 分布图 ( 2 ) 工况2 数值计算与结果分析； 针对原始参数工况1 的计算结果，改进送风参数为：f 。= 2 0 ，= 2 7 m j 计算结果见表4 2 ： 表4 2 车顶条缱送风工况2 计算结果表 典型截面 截面1截面截面i 平均速度( m s ) 0 2 2 20 2 7 00 2 4 6 速度符合点数 8 9 11 1 7 81 1 5 7 平均温度( ) 2 41 52 4 6 l2 4 8 2 温度符合点数 6 0 4 7 7 11 0 8 6 总符合点数 5 6 67 2 81 0 1 2 平均e t ( )一1 4 01 3 l一0 9 2 a d p i ( )7 2 2 35 l ，1 67 5 8 5 叩 1 0 0 8 将送风温度提高到2 0 后，速度符合点数几乎不变，但温度符合点数有 很大提高。工况2 的三个典型截面内的平均速度都在o 3 5 m j 的速度上限以 下，而平均温度均处于初始设定的温度范匿内。热舒适性方面，三个截面的 平均d e t 都处于1 7 + 1 1 区间内，a d p i 值有较大改善，但仍不够理想。 从经济性角度考虑，能量利用系数大于1 ，经济性较好。可进一步提高送风 温度。 ( 3 ) 工况3 数值计算与结果分析： 针对工况2 的计算结果，改进送风参数为：f 。= 2 l ，v 。= 2 7 m s 将送风温度提高到2 1 后，从计算结果表4 3 中可看出工况3 的三个典 型截面内的平均速度都在o 3 5 m s 的速度上限以下而平均温度均处于初始 设定的温度范围内。速度符合点数几乎不变，温度符合点数进一步提高。尤 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 2 页 三个典型截面内的平均速度都在0 3 5 m s 的速度上限以下，而平均温度 均低于初始设定的温度范围。热舒适性方面，三个截面的平均4 e t 虽然都处 于一1 7 + 1 1 区间内，但a d p i 与8 0 的期望值相差较大，热舒适性不够 好。从经济性角度考虑，能量利用系数大于于1 ，经济性较好。 以下是对各工况模拟结果的对比列表： 表4 - 6 条缝送风各工况模拟结果对比表1 截工况温度速度不符合给定条件点的比例数( )空气分 面不均均匀系布特征 匀系 数。 系数 数七 温度速度 总f a d p i ( ) 1 ( 原始参数工况) 0 0 2 4o 4 9 36 88 6 7 5 12 2 3 3 2o 0 2 30 4 9 55 8 68 6 55 4 97 2 2 3 i30 0 2 2o 4 9 79 9 08 6 ，88 6 78 2 0 4 40 0 2 40 4 9 19 8 58 8 28 7 58 1 3 6 50 0 2 40 5 1 55 4 68 5 75 0 56 4 6 6 1 ( 原始参数工况) o 0 9 1o 3 4 31 4 2 78 5 ，21 2 81 3 3 3 20 0 8 80 3 4 45 5 98 5 45 2 85 1 1 6 i i 30 0 8 40 3 4 19 3 68 5 78 0 37 5 1 5 4o 0 7 8o 3 4 09 3 68 7 48 1 57 7 5 4 50 0 7 4o 3 7 16 2 38 3 95 7 95 8 7 7 l ( 原始参数工况) o 0 7 80 3 5 71 4 78 9 o1 2 62 4 1 5 20 0 7 50 3 5 68 3 58 9 07 7 87 5 8 5 3o 0 7 4 o 3 5 79 5 28 9 28 5 18 4 8 5 40 0 7 30 3 5 49 3 99 0 88 6 18 1 5 4 5o 0 7 6o 3 5 97 8 1 8 7 9 7 3 76 8 9 2 表4 7 条缝送风各工况模拟结果对比表2 工况送风温度排风温度 工作区平均温度 投入能量利用系数 1 ( 原始工况) 1 9 2 3 6 62 3 6 51 0 0 2 22 02 4 5 92 4 5 51 0 0 9 32 12 5 5 42 5 3 81 0 3 7 42 l2 6 ，0 62 5 8 51 0 4 3 52 0 2 4 8 12 4 ，6 51 0 3 4 从模拟结果对比表1 可以看出：由于条缝口分布于整个车厢，各个断面 温度、速度分布相似，各断面的f 和a d p i 也相近。对条缝送风方式，各工 况的温度不均匀系数均较小，意味着温度场分布有较好的均匀性。而各个工 况下的速度不均匀系数均较大，意味着速度分布不均匀。尤其是在送风口下 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 3 页 方，速度值较大。但对于工况3 和4 ，典型截面内速度值超过0 3 5j ，l s 上限 的节点的比例数小于2 0 ，且靠近送风口，因此可认为这两个工况下的速度 场分布合理。上述各个工况的投入能量利用系数都大于1 ，经济性良好。热 舒适性方面，工况3 和4 的三个典型截面的平蒹鼙谏蓐薪荫i j | 一异；一 畿孰薹j ； i 趟型蟹稚间的评价与对比，本文选取靠近车厢中部的座位单元为车 厢整体的代表对象，而端门处情况可由中部计算结果修正后近似得到。 取一个座位单元中两排座椅与小桌所在的三个人员活动区断面( 座椅以 上，行李架以下的区域) 为重点分析的典型断面( 如图4 7 所示) 。将这三个 典型断面上的温度与速度值进行统计与处理，可得到各项评价指标值来对设 计方案的优劣进行讨论。 图4 1 3z = o 8 m 断面速度矢量图 图 断面温度分布图 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 5 页 图4 1 5z = 2 o m 断面速度矢量圈 图4 1 6z = 互o m 断面温度分布图 图4 17y = 1 o m 断面速度矢量图 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 6 页 圉4 18y ：1o m 断面温度分布图 ( 1 ) 工况1 数值计算与结果分析 图4 1 9 ，4 2 0 为原始参数工况l 在各个典型截面上的计算结果。从图中可 看出：与车顶条缝送风方式相比，车顶格栅送风方式仅在于两排座椅之间的车 顶处设有风口，且送风口增大，送风速度减小。这使得风口所在的小桌截面 气流速度较大，而座椅所在截面气流速度较小，且速度分布较为混乱而无规 律。格栅送风方式下速度场的特点也影响着温度的分布：在风口所在的小桌 截面，由于此截面上方风口直接供风，中间空气流动强度较小，而两侧空气流 动弱，温度分布与条缝性方式相似。而座椅所在截面没有风口直接进行送风， 所以温度分布的特点是由列车中心向到车厢隔热壁方向逐渐升高，且较均匀。 计算结束以后选取三个典型截面所在的网格单元层，各截面所在网格单 元层所包含的网格数为：截面i 共1 2 4 4 个，截面i i 共1 5 8 3 个，截面m 共1 3 2 6 个。通过后处理功能导出各个单元网格的温度与速度值进行统计与处理后， 可以得到的典型截面内各个评价指标值( 见表4 8 ) 。统计结果包括各个典型 截面内人员活动区内的温度、速度平均值，温度、速度符合点数( 各截面满 足温度或速度舒适度范围的网格单元数) ，总符合点数( 各截面既满足温度又 满足速度舒适度范围的网格单元数) ，平均有效温度差e t 、a d p i 及能量利 用系数竹，通过对这些参数的分析评价，我们可以对车顶格栅送风的气流组 织状况有个初步的了解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 9 页 三个典型截面的速度符台节点数都较多，丽温度符合节点数