智轨快运风道系统设计与优化

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摘要：摘 要：采用CFD技术，重点采用流线分析的方法，对智轨快运乘客区风道系统进行了数值计算和分析，发现风道系统存在气流分布不均匀、气流短路、换热效率较低等问题。通过在送风管道内增加两块挡板、调整挡板角度和位置、封堵乘客区内部送风条缝、增开乘客区内

　　摘 要：采用CFD技术，重点采用流线分析的方法，对智轨快运乘客区风道系统进行了数值计算和分析，发现风道系统存在气流分布不均匀、“气流短路”、换热效率较低等问题。通过在送风管道内增加两块挡板、调整挡板角度和位置、封堵乘客区内部送风条缝、增开乘客区内部分回风条缝作为回风口等方法，实现了对智轨快运风道系统的优化设计，换热效率提高了21%，显著改善了车厢内乘客热舒适性。

　　关键词：智轨快运;风道;气流短路;优化

　　前言

　　車内热舒适性通常指车内具有良好的空气组织环境及合适的温度分布环境。据调查统计，约65%的乘客会热舒适性出现头晕、困倦等不良身体反应[1]。热舒适性对于改善车内环境，降低能耗，提高市场竞争力具有重要意义。一般通过车载空调和风道系统来实现气流和车内温度的合理分布。向立平等[2]、谢金法[3]等人应用CFD方法研究了车内流场和温度场分布规律，并进行了热舒适性评价，但对风道系统的优化设计相对较少。CFD仿真技术可以实现内部三维流场、温度场等的显示和分析，快速完成优化设计，已在各领域实现了应用[4]。本文采用CFD技术对新研制的智轨快运风道系统进行了数值计算和分析，通过在送风道内增加挡板、调整挡板角度和位置、封堵乘客区内的部分送风条缝、增加乘客区内部分回风口等方法，实现了对智轨快运风道系统的优化设计，显著提升了驾驶区和乘客区内的换热效率，满足了舒适性要求。

　　1 风道系统和CFD建模

　　1.1 智轨快运模型

　　智轨快运由2个MC车(动车)和1个T车组成(拖车)，MC车与T车通过铰接系统连接(图1)。乘客区分别布置一顶置纯电动空调(制冷量34.89KW，最大送风量8000m3/s)。MC车由驾驶区和乘客区组成，T车均为乘客区。乘客区总长度约为长×宽×高=25.0m×1.8m×2.1m。车顶左右两侧各分布7排的尺寸为30mm×8mm的条缝作为乘客区送风口(条缝数量为MC车1260个/车厢，T车1050个/车厢)，每个车厢2个尺寸为0.7m×0.3m的回风口。需要计算和分析风道系统的流场和温度场分布情况，对风道设计、驾驶区内和乘客区内热舒适性影响，并进行优化设计。

　　1.2 人体模型和太阳辐射模型

　　根据相关文献[1]，亚洲成年男子环境温度(如28℃)发热功率约为105W，对应表面积约为1.73m2。据此建立了人体模型和设置热负荷。驾驶室和乘客区人体模型分布为1人和250人。根据气象部门数据确定，株洲地区夏季午后16：00左右太阳光呈45°直射车辆时，车内获得的太阳热负荷最大，约为676W/m2，考虑到车玻璃的透光率为52%，太阳透过玻璃的热流为351.52W/m2。计算中还考虑了太阳的散射效果，热负荷为71.76W/m2，CFD计算中以能量源项形式加入到整体的热平衡分析。

　　1.3 数学模型

　　如图2所示，考虑到几何对称性和计算成本，对1个MC车和1/2T车进行建模。采用CATIA软件进行风道系统实体模型，简化处理了对气流和温度影响较小的因素，例如尺寸较小的安装孔和缝隙等;采用ICEM(17.0)进行非结构四面体网格建模，靠近人体表面等重要区域进行边界层网格建模和网格加密，经网格无关性验证，最后确定的网格模型见表1。采用FLUENT(17.0)进行数值计算和Ensight进行结果后处理。

　　风道内的气流运动可认为是具有粘性的不可压的三维稳态湍流，采用在车辆风道数值计算和应用较多的RNG k-ε湍流模型计算风道系统的流场和温度场分布情况[5]。由于气流速度较小且温差不大，认为空气符合Boussinesq假设，即气流密度不变，但需要考虑因温差而引起的热浮力影响。因此可建立包括连续性方程、动量方程、能量方程、湍动能方程和耗散方程在内的封闭方程组：

　　2 结果分析和优化

　　2.1 送风管道和静压箱计算结果分析和优化

　　如图3所示，送风管道和静压箱最初模型流线分析表明：在A区、B区和C区条缝处的流线几乎没有或者非常稀疏，进而导致这些区域条缝流入乘客区的气流非常少，甚至出现逆流的问题。原因如下：(1)由于存在流入静压箱的气流通道，导致条缝上方空间狭小，因此几乎没有流线流出A区的条缝;(2)大量气流经90°转弯流向断面处的条缝，在转弯处形成一个较大漩涡，几乎没有流线流出漩涡处B区和C区的条缝。

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