1、地铁空调送风风道出风均匀性数值模拟与优化华中科技大学 谢军龙 马银红 舒朝晖 陶红歌摘 要： 用 fluent 软件对地铁空调送风风道内流场进行数值模拟，详细分析了静压送风风道内，静压挡板尺寸及位置对风道送风风量均匀性的影响及改善，及添加不同形式的 挡风板对风道送风前端出风风量的提高及改善，为地铁空调系统送 风风道的优化设计提供参考。关键词：地铁空调送风风道 数值模拟 出风风量均匀性1 前言随着地铁交通在各大城市的逐渐普及，地铁客车客室内的热舒适状况对设计工作来说显得愈发重要。合理的车内气流组织将有效改善客室内的温度场、湿度场、风速场等热舒适性能指标，而地铁空调送风系统中送风风道的出风均匀性直
2、接决定了车内气流组织的好坏，风道出风的均匀性又与其内部结构形状密切相关 1，因此，探讨风道内部结构优化及其对出风均匀性的影响具有十分重要的现实意义。2 计算模型2.1 物理模型风道模型外观如图 1 所示，整个风道长约6000mm，宽 1300mm，高 110mm；风道两端为气流入口，底部出风口接送风短管，短管高90mm。风道两端为气流入口，底部出风口接送风短管。 图 1 风道模型外观图风道中间有 3 个小支柱，沿风道长度方向上，出风口断开处为车厢顶部的横梁位置处。 2.2 计算及边界条件本文计算模型采用 双方程湍流模型 2，并作如下简化：k(1) 流体定为 17时的空气，常物性，不可压缩；流动
3、为稳态湍流；忽略重力影响。（2）以气流入口为计算入口边界，设为速度入口，大小为 3.23m/s，方向垂直于入口边界面。（3）以风道底部送风短管的出口为计算出口边界，设为压力出口，0pa，外界压强为一个标准大气压。（4）整个风道内壁附隔热保温材料，因此可将风道各个壁面视为绝热，计算过程中不考虑换热。此外，近壁面处采用标准壁面函数 3。（5）风道底部出风口为孔板送风，因送风孔尺寸较小，考虑到建模、网格生成及其造成的计算上的困难，本文将其设为多孔介质阶跃内部边界条件，孔隙率定为 50%。3 计算结果及分析3.1 静压挡板的高度对风道出风风量均匀性的影响根据静压均匀送风原理 4，在沿风道长度方向上的两
4、侧各添加一块静压挡板，见图 2，将风道隔开为中间的主风道及两侧的静压风道。气流进入风道后，沿主风道流动过程中，经静压挡板上方的缝隙进入静压风道，因流向改变，风速急剧下降。理想 图 2 风道截面示意图状况下，可认为静压风道内动压几近为 0，全部转换为静压，如此，静压风道近似静压箱的作用，出风口处送风孔板各处送风静压相等，从而保证出风风量各处相等。固定挡板位置，将挡板高度分别设为 90mm、95mm、100mm，见表 1，比较其模拟结果：表 1 挡板高度尺寸设定及其造成的风道阻力静压挡板 高度（mm） 位置（相对出风口） （mm） 风道阻力（pa）1 90 30 192 95 30 353 100
5、 30 71车厢顶部的横梁将风道出风口截为三部分，从左至右依次为出口 1、出口 2、出口 3，再将各个出口平均分成 10 份，定为各个出口的 110 位置。图 3、图 4、图 5 分别为出口 1、2、3 各个出风位置的出风风量曲线图。出 口 1风 出 风 曲 线 图-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.0250.030.0351 2 3 4 5 6 7 8 9 10出 口 位 置风量(m3/s) 出 口 1理 论 出 风 量未 加 静 压 挡 板挡 板 90， 30挡 板 95， 30挡 板 100， 30出 口 2出 风 曲 线 图
6、-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.0250.030.0350.041 2 3 4 5 6 7 8 9 10出 口 位 置出风量(m3/s)出 口 2理 论 出 风 量未 加 静 压 挡 板挡 板 90， 30挡 板 95， 30挡 板 100， 30图 3 出口 1 出风风量曲线图 图 4 出口 2 出风风量曲线图比较各个出口的理论出风量、未加静压挡板及当静压挡板为以上三种高度尺寸时风道的出风风量值可知，添加静压挡板之后，风道出风风量的均匀性明显优于未加静压挡板时；在距出风口 30mm 位置处，静压挡板高 90mm、95mm、100mm 的出风风量均匀性依次升高，
7、但其风道阻力值亦依次增加；特别是静压挡板高 100mm 时，风道出风风量均匀性最好，除送风前端外基本已接近理论值，但其风道阻力已达 71pa，如此若图 5 出口 3 出风风量曲线图 加上后续的为改善前端送风而添加的挡风板等措施，风道阻力将超过 100pa，考虑到风道阻力过大将引起的能耗及噪声问题等，认为此挡板高度不可取。三种静压挡板高度尺寸中，取高度 95mm 最优。3.2 静压挡板的位置对风道出风风量的影响取静压挡板高度为 95mm，将静压挡板距出风口位置分别定为 30mm、90mm，见表 2，比较其模拟结果：出 口 3出 风 曲 线 图-0.015-0.01-0.00500.0050.01
8、0.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0651 2 3 4 5 6 7 8 9 10出 口 位 置出风量(m3/s)出 口 3理 论 出 风 量未 加 静 压 挡 板挡 板 90， 30挡 板 95， 30挡 板 100， 30表 2 挡板位置尺寸设定及其造成的风道阻力静压挡板 高度（mm） 位置（相对出风口） （mm） 风道阻力（pa）4 95 30 355 95 90 36出 口 1出 风 曲 线 图-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.0250.030.0350.041 2 3 4 5
9、 6 7 8 9 10出 口 位 置风量(m3/s)出 口 1理 论 出 风 量未 加 静 压 挡 板挡 板 95， 30挡 板 95， 90出 口 2出 风 曲 线 图-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.0250.030.0350.041 2 3 4 5 6 7 8 9 10出 口 位 置出风量(m3/s)出 口 2理 论 出 风 量未 加 静 压 挡 板挡 板 95， 30挡 板 95， 90图 6 出口 1 出风风量曲线图 图 7 出口 2 出风风量曲线图由出风风量曲线图可以看出，当静压挡板高度为 95mm 时，向主风道中间移动挡板位置，即增大静压风道尺寸，不
10、利于风道出风风量均匀性的改善。此外，从理论上来讲，主风道内平均送风静压越大，进入静压风道的风量相对越均匀，则风道出风风量相对越均匀。为增大主风道内的静压，需降低主风道内的动压，若要均匀降低主风道内的动压，必须增大主风道截面积 4。将挡板位置移至距出风口90mm 的位置明显减图 8 出口 3 出风风量曲线图 少了主风道的截面积，因此，其对出风风量的均匀性无改善作用，静压挡板位置仍定位于距出风口 30mm 处。3.3 改善风道前端送风风量过小的问题分析静压挡板高 95mm，距出口 30mm 时出口送风风量曲线，可知，出口 1 的 1、2、3 位置出风风量较小，1、2 位置尤甚，说明风道左端这些出口
11、所对应的送风前端送风风量过小或为 0 风量；出口 2 出风相对均匀些，风量略大；出口 3 的 9、10 位置出风风量较小，说明风道右端这两个出口所对应的送风前端送风风量亦过小或为 0 风量。为改善风道送风前端风量过小的问题，分别在主风道左右两端相应位置添加人字型挡风孔板或直挡风孔板，如图 9、10 所示。出 口 3出 风 曲 线 图-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0651 2 3 4 5 6 7 8 9 10出 口 位 置出风量(m3/s) 出 口 3理 论 出 风 量
12、未 加 静 压 挡 板挡 板 95， 30， 0pa挡 板 95， 90， 0pa图 9 添加人字型挡风孔板 图 10 添加直挡风孔板以下为主风道内添加挡风孔板后的出风风量曲线图，见图 11、12、13。比较添加挡风孔板前后出风风量曲线，可知，添加挡风孔板之后，前端送风风量提高，出口风量相对增大；比较添加人字型挡风孔板与直孔板这两种措施，发现直孔板的效果优于人字型挡风孔板，添加直孔板不仅增加了前端送风，后续位置的出风风量也相对均匀，而且更接近理论出风风量曲线。出 口 1出 风 曲 线 图-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.0250.030.03
13、51 2 3 4 5 6 7 8 9 10出 口 位 置风量(m3/s)出 口 1理 论 出 风 量未 加 静 压 挡 板挡 板 95， 30挡 板 95， 30， 2人 字 板挡 板 95， 30， 2直 板出 口 2出 风 曲 线 图-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.0250.030.0350.041 2 3 4 5 6 7 8 9 10出 口 位 置出风量(m3/s)出 口 2理 论 出 风 量未 加 静 压 挡 板挡 板 95， 30挡 板 95， 30， 2人 字 板挡 板 95， 30， 2直 板图 11 出口 1 出风风量曲线图 图 12 出口 2
14、出风风量曲线图此外，经多次尝试，发现添加挡风孔板及移动挡风孔板的位置并不能改善出风口 1 的 1 位置及出风口 3 的 10 位置出风量过小的问题，也即风道设计中常见的送风“死角” 5难题，此位置出风量需通过改变 1 位置静压挡板形状及出风口送风短管的内部结构来改善，此处不再讨论。图 13 出口 3 出风风量曲线图4 小结基于静压均匀送风原理的风道内部结构中，静压挡板起非常重要的稳压作用，它使气流沿主风道流动过程中进入静压风道实现动静压转换，从而实现均匀送风。合理的静压挡板尺寸及位置对于在较小的风道阻力下实现均匀送风具有极其重要的意义。主风道中设置一定的挡风孔板可以极大改善风道前端送风风量过小
15、的问题，实现特定位置风量微调的作用，在静压均匀送风风道中，直挡风孔板对于风道出风性能的改善要优于人字型挡风孔板。参考文献1 陈孟湘.汽车空调M.上海：上海交通大学出版社，1997：1-3.2 臧运蕾，陈淑玲，曹建伟.城轨空调客车客室内温度场和流场的数值模拟J.都市快轨交通，2005（6）：42-45.出 口 3出 风 曲 线 图-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0651 2 3 4 5 6 7 8 9 10出 口 位 置出风量(m3/s)出 口 3理 论 出 风 量未 加 静 压 挡 板挡 板 95， 30挡 板 95， 30， 2人 字 板挡 板 95， 30， 2直 板3 计算流体动力学分析-CFD 软件原理与应用M.北京：清华大学出版社，2004：126-130.4 龙静，王书傲.地铁车辆空调系统送风风道分析J. 电力机车与城轨车辆，2004（4）：40-42.5 龙静，王书傲.关于地铁车辆送风方式方案的探讨J.铁道车辆，2004（8）：24-26.
