Airpak 与客车空调通风系统的仿真
王东屏、 兆文忠、 孙彦彬 刘爱伶
大连铁道学院车辆工程CAD/CAE技术中心 唐山机车车辆厂设计处
摘 要
铁路车辆设计过程中,空调通风系统是重要一环,采用CFD手段辅助设计,具有重要的工程意义与创新价值。本文采用计算流体力学(CFD)软件Airpak(1.0)对摆式客车一等座车空调通风系统进行CFD仿真计算。对空调风道的静压腔中是否加隔板、隔板如何安放、风道出风口大小及位置进行了优化计算，为空调通风系统设计提供了极有价值的数值仿真结果。
前 言
计算流体力学（CFD）是利用高速计算机求解流体流动的偏微分方程组，其目的是为了定性和定量的描述流体流动的物理现象。
国外准高速/高速车空调通风系统，如ICE、TGV，均借助于CFD技术进行计算乃至优化设计，从而有力地支持了市场竞争中抢占最高点。与国外相比，我们的空调通风及风道设计，基本上仍按照铁标中规定的铁路客车热工计算方法及相关的客车技术条件要求只能做一些简单的计算，因而存在以下问题：
1)首先，不能精确计算风道内的阻力，从而导致风道（管路）的性能曲线与风机的性能曲线最佳工作点不一致，其后果是：不仅噪音大，而且能量耗损也大。
2)其次，不能准确定量地进行风量分配，从而导致客车纵向断面和横向断面温度、风量分布不均匀，满足不了高水平的舒适性设计要求。甚至对旅客的健康产生威胁。
3)由于不能进行精确计算，还导致包括断面在内的空调通风系统的最优设计困难重重，当前的大致估算、经验设计，严重地制约了准高速/高速车整体设计水平的提高。
4)更重要的是：上述问题如果仅靠实验解决，其周期太长，代价太大。
本文针对上述温度及风量分布不均问题，利用计算流体力学（CFD）数值计算技术，对唐山机车车辆厂新设计的摆式客车一等座车空调通风系统进行了CFD仿真计算。文章不仅介绍了算法原理,而且还给出了有价值的改进意见。
1 CFD软件与计算模型
计算所用的CFD软件是美国Fluent公司的Airpak (1.0) 。Airpak 是一个专用的空调通风系统软件, 它功能强大、快速、易于使用。它以Fluent技术为内核，利用Fluent求解器进行流场计算,可计算超复杂空间模型的流场情况。它采用目前应用最广泛又较成熟的有限体积法的数值计算方法,提供设计者快速建立模型及划分网格的能力。同时, Airpak 也提供形象逼真、可视化的后处理结果。它使用ISO7330标准通过综合考查空间环境中的空气温度、速度、相对湿度、辐射等指数，对人体的热舒适度、健康和安全水平进行评估，对有空气调节、污染控制和改善空气质量要求的通风系统进行仿真计算。实践表明，Airpak对铁路客车空调通风系统的仿真计算是很合适的。
计算模型取自唐山机车车辆厂设计的摆式客车一等座车。车内有两套空调系统,两个风道沿车顶部位对称设置。风道采用主风道与静压腔配合的形式,在送风风道的内侧面开条缝形风口,自上而下送风。一等车定员49人。风道静压腔内装有隔板,隔板上开有100×100的小孔。同时还从风道前端分别引出两个导管往乘务室及配电室送入少部分冷风。总之，该车对空调通风系统的设计提出了很多的要求。
2 算法
模型的雷诺数大约为216749,所以是一个紊流的三维稳定流场流动问题。
Airpak 求解连续方程、动量方程、能量守恒方程以及紊流模型方程,同时还可以计算辐射的影响。
由于控制方程是非线性的,所以在达到收敛精度之前,需进行迭代求解。
类似于有限元法，Airpak 利用有限体积法,把计算区域划分为离散的控制体积网格,在每个控制体积上积分控制方程,形成计算变量的代数方程。
迭代步骤如下:
1)计算结果是在目前的基础上不断更新。开始时,计算变量以初始流场为基础开始更新。
2)利用目前的压力值和表面质量流量,依次求解三个速度分量u、v、w 的动量方程,以获得新的速度流场。
3)由于新获得的速度流场可能不满足连续方程,这时求解由连续方程和动量方程线性化而推导出来的压力纠正方程,从而对压力、速度场和表面质量流量产生必要的纠正,以满足连续方程。
4)利用其他变量更新的数值结果求解紊流模型方程及辐射方程。
5)检查方程的收敛精度是否满足要求。如果不满足收敛精度,迭代重新开始，直到满足收敛精度。
3 工程计算
计算主要由三部分内容组成：首先，对工厂第一次提供的原始模型的三种方案进行了详细的计算。这三种方案分别是在风道中的静压腔内不设隔板（以下简称方案A）、在静压腔的前半部分等距设置隔板（以下简称方案B）及在静压腔中全部等距设置隔板（以下简称方案C）。其次，对根据上述结果的修改模型（以下简称方案D）进行了优化计算，得到了优化模型（以下简称方案E）。最后，对模型中风道前端往乘务室及配电室输送少量冷风的模型（以下简称方案F）又进行了计算分析。
3.1 初始模型的三种方案（方案A、B、C）计算后的结果
首先对方案A进行了计算。当在静压腔中未设置隔板时,风口处速度分布显示:前三个风口不出风,反而回风。图四为方案A前几个风口的速度分布。从中可以看出方案A前几个风口不仅不排风反而吸风。
当在静压腔中加隔板后,计算表明回风现象消失了,这是因为主风道入口部位的风速较高,主风道的静压较低, 从而引起静压腔中的压力较低而导致回风现象。在静压腔中加设隔板,加大了空气流动的阻力,使主风道及静压腔中的压力增加,抑制了回风现象,使风口均匀出风。风口回风现象在一些工厂早先设计的产品中出现过,这个信息从侧面验证了CFD计算的重要意义。
3.2 改进模型（方案D）风道静压腔中的隔板及风口的位置优化结果
在静压腔中加隔板无疑是合理的,但隔板应如何设置才能使出风更加均匀呢?本次计算对在静压腔中设置隔板及风口的情况结合车体自身结构进行了优化设计，结果表明: 风道静压腔中的隔板及风口的位置是很重要的。
为了比较，计算了多个模型,最后方案的温度分布是比较均匀的。
3.3 对模型风道前端加设导管往乘务室及配电室输送少量冷风模型（方案F）的计算结果
4．结论
经过大量的方案比较，摆式客车一等座车的空调通风系统设计得到了明显的改善：风道的设计更加合理，风口的出风量比较均匀，车厢内的温度分布也比较均匀。
事实表明，CFD技术的应用不仅缩短了设计周期，降低了设计成本，而且明显地提高了设计质量，这项新技术的应用应当受到我们的高度重视。
参考文献
[1] 王承尧，王正华，杨晓辉. 计算流体力学及其并行算法 . 长沙市 : 国防科技大学出版社,2000 .
[2] FLUENT INCORPORATED . Airpak User’s Guide , 2000 .
[3] 腾兆武,王刚 . 车辆制冷与空调 . 北京大学 : 中国铁道出版社, 1996 .
Icepak资料下载: FLUENT第一届中国用户大会论文集33-40.pdf
Airpak and Simulation the Air Conditioner Vent System of Passenger Train
WANG Dong-ping, ZHAO Wen-zhong, SUN Yan-bin LIU Ai-ling
Rolling Stock Engineering CAD/CAE Technical Center, Design Department, Tang Shan
Dalian Railway Institute,Dalian Locmotive & Rolling Stock Works
116028 ,P.R,China TangShan 063065, P.R.China
Abstract
How to design its air conditioner vent system in passenger car is a very important problem.In this area,CFD Simulation could pay an important role in both of engineering and innovating. Based on the Airpak(1.0),famous one of CFD softwares,the air conditioner vent system of the first class pendulum passenger car is redesigned and calculated in this paper.Its calculating and valuable results include:how many baffle plates are reasonably put into the air duct; how to reasonably allocate the all baffle plates in it; how about the open size for each air cabin.
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