计算流体力学在地铁车辆风道设计中的应用

李鹏 张从慧 王俊杰

摘 要：采用商用CFD软件FLUENT中的标准湍流模型，对某有轨电车空调系统风道进行仿真计算。根据仿真计算结果对风道结构进行优化设计，使风道各出风口送风量满足均匀性要求。对空调机组与风道进行配套试验，并将试验数据与仿真数据进行对比，验证了仿真结果的准确性。

关键词：湍流模型;仿真计算;均匀性要求;试验

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.047

0 引言

有轨电车客室内的舒适性主要通过车辆配置的空调通风系统来维持。其中车辆风道系统的送风均匀性将直接影响客室内乘客的舒适性。通过CFD仿真技术，应用数学模型取代空调风道系统的配套试验，优化风道系统送风口的设计，减少设计周期，为地铁车辆客室内舒适性设计提供工具[1]。

1 客室风道计算模型

1.1 计算模型

以某有轨电车车为研究对象，风道系统采用车顶安装，为静压式风道。风道布置保证了客室内各位置均有送风，且无送风死角，保证了客室内舒适性。

空调机组出风口吹出的冷空气，在主风道内向前推进，靠主风道内静压使冷空气通过静压腔隔板开孔进入静压腔，然后从风道出风口喷射到送風格栅进入客室。

1.2 数学模型

本文中数值模拟采用标准湍流模型，风道内空气流动可用质量守恒、动量守恒两个基本物理规律推导出描述流体流动基本规律的控制方程，即质量守恒方程、动量守恒方程，具体方程见文献[2-3]。

2 网格划分及数值求解方法

本文中应用Hypermesh软件，对计算模型进行非结构化网格划分。应用商用流体仿真软件Fluent进行仿真分析，离散方程采用SIMPLE算法求解，对流项格式选用二阶迎风格式，粘性项格式选用二阶中心差分格式。

3 设计要求

空调机组设计送风量为3500m3/h，各送风口送风量与平均值偏差在±20%以内。

4 计算结果及分析

本文对某有轨电车风道内气流组织进行数值计算，得到风道各出风口的送风量。本文根据风道长度将风道出风口共划分为9段，风道出风口布置如下图所示：

4.1 仿真数据结果

采用FLUENT仿真软件对本项目风道的送风均匀性进行仿真分析，计算收敛后得到仿真数据如下：

4.2 试验测试结果

空调机组与风道进行地面组装，对风道的送风均匀性进行测试，详细测试数据如下：

4.3 测试数据与仿真数据对比

5 结论

本文中采用商用FLUENT仿真软件，在满足车辆送风要求的前提下对风道的送风均匀性进行仿真分析，各送风口的送风量满足整车的送风均匀性要求。

通过仿真数据与测试数据的对比分析，两组数据基本吻合，采用CFD仿真技术可应用于风道结构优化设计，提高设计效率。

参考文献：

[1]刘军朴，陈江平，陈芝久.客车车厢内气流分布及传热数值分析[J].上海：上海交通大学报，2003，37（07）：1108-1101.

[2]高秀峰，冯诗愚，郁永章等.铁路空调客车内三维湍流流动及温度场的实验研究[J].流体机械，2004，32（12）：2.

[3]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004.