合理的气流组织方式

合理地气流组织方式

车辆工程126班xxx

空调客车除了要有合适的空气温度和相对湿度外，对空气的温度和风度的均匀程度，即对室内温度场，速度场也有一定的要求，而室内的温度场，速度场受气流流动和分布的影响很大。例如在夏季送人车内的空气温度要比室内温度低，如果送风温差较大，冷空气直接吹到旅客居留区内，人体会感到不适，这就要求将送入车内的空气限于室内空气适当混合，再送到居留区。通常我们把这种对室内气流流动和分布的控制称为气流组织。显然，室内要满足空调的要求，必须妥善处理好气流组织的问题。气流组织合理与否，与送风口和回风口的位置，形式大小送风气流的流态和运动参数送风温差可是结构等诸多因素有关，其中，送风口的形式和结构对室内气流组织影响较大，因此，合理的气流组织方式也为科学研究的重要课题。

1.1 课题研究背景及意义

随着国民经济的持续发展和城市化进程的加快，城市交通拥挤、交通阻塞现象日趋严重，“乘车难、行车难”已经成为大中城市普遍存在的社会问题，根据国外经验，发展铁路是解决城市交通拥挤的有效措施之一，铁路运输佐为现代化交通工具，具有运量大、速度高、低污染、少占资源、低能耗、乘坐方便、安全舒适等特点，属于绿色环保交通体系，符合可持续发展的原则。铁路的迅速发展对地铁车厢内的舒适状况和空气品质的要求越来越高，列车空调通风系统作为为乘客提高舒适的乘车环境的必要硬件设备，合理的空调通风方案能有效地改善乘客的乘车舒适性。分析空调、通风系统的布置对车厢内空气品质和热舒适状况的影响，研究空调客车内温度场与速度场的分布特点，提出相应的改进措施，对指导铁路客车调通风系统的设计将有理论价值和现实意义。近几年计算机技术的发展，计算流体动力学技术（CFD）受到人们的青睐，这种方法也广泛用在暖通空调领域。传统的铁路车通风风道设计主要是采用经验的设计方法，然后通过试验对风道的性能进行考察，设计周期长，试验费用高，风道内部流场复杂，三维流场的测试非常昂贵。利用计算流体力学方法对空调通风风道内部流场流动特性进行分析，同时对室内空气流动的速度场、温度场等进行模拟和预测，从而得到室内速度、温度等物理量的详细分布情况，这对改进和优化风道设计，提高车室内环境的舒适性有着十分重要的理论价值和现实意义。

1.2 铁路客车通风系统研究现状

1.2.1 铁路车辆空调送风风道形式我国早期修建的铁路车辆内未安装空调，主要依靠通风系统进行客室内通风换气，随着铁路客运展，多数车辆都安装空调系统，为乘客提供更舒适的乘车环境。客室内的舒适性很大程度上取决于客室内温度场均匀稳定、流速大小控制合理的气流组织，能够在客室内形成一个稳定均匀的温度场和速度场。客室内气流组织的优劣主要取决于送风风道的送风均匀性。目前我国已建成的铁路车辆送风风道主要有以下三种形式[5]，即大截面准静压送风风道、圆管式车辆空调送风和条缝式静压送风风道。对现有文献进行分析表明，对于客车送风风道研究目前主要为铁路客车空调送风风道的实验

研究，对于引起分离、回流等现象的内部结构复杂通道的湍流计算研究不多。张吉光，杨晚生，史自强等人[6-12]对铁路客车用等截面静压送风风道的送风机理进行研究分析，通过对不同送风工况下所测得的静压值与对应送风工况下所确定的理论静压计算值的比较，分析主风道内静压分布的特点、送风均匀性和阻力损失，并提出在风道入口后的一定距离加设挡板，消除了负压区的出现，提高静压风道的送风均匀性，以及提出静压主送风风道应为变截面风道，使静压箱内的静压分布比较均匀，可适合于各种需要均匀送风的场合。谈越明[13]对铁路客车装车用的静压风道送风性能进行了对比试验，提出考虑在主风道内加阻力板的作用，研制适合于铁路客车软卧、硬卧车的空调送风道系统。邓建强，靳谊勇等人对铁路空调客车内风道湍流场进行研究，模拟复杂结构风道内空气三位流场及其送风口送风特性，对风道结构进行了优化，隔板及导流板的高度及位置对风道送风均匀性的影响。上述学者对铁路客车用静压式送风风道的流动特性进行了试验和数值模拟研究，获得了许多有价值的结论，但有关城轨地铁车辆用空调风道的研究未见相关报告。城轨地铁客车空调送风风道的设计主要参照铁路客车设计规范，缺少设计经验，本文在分析这类流动共性的基础上，对城轨地铁客车空调通风风道流动的一些特性的内容进行研究，如通道中的分离、回流等现象，这些特性数值模拟研究不但有很强的工程背景，而且能得到特性的研究规律，预测可能的流动特性，为今后铁路车辆空调风道的设计提供理论依据。

1.2.2 客室内气流组织的研究现状

目前，对气流组织的研究主要为空调房间内的空气流场、温度场及污染物浓度场的研究，车室内的气流组织的研究主要为空调汽车室内的流场，关于铁道空调客车内气流组织的相关研究也相继展开，但对城轨地铁空调客车内气流组织的研究则鲜见文献。对空调房间室内气流组织的研究，以往主要是通过模型试验或是通过求解射流的经验求解，随着计算机技术的迅速发展，CDF 技术逐渐成为研究手段之一。1974 年，丹麦的P.V.Nielsen 首次将CFD 技术应用于空调工程，模拟室内空气流动情况，利用流函数和涡旋公式求解封闭二维流动方程，采用流体湍流模型进行模拟，计算所得的房间某些断面速度分布和射流轴心速度的衰减与实验数据对比表明，数值计算的结果是可信的；随后CFD 技术在暖通空调领域得到了迅速发展。1997 年，Lu W Z 等人对有对流热源的空调室内的流场和温度场进行了预测；Hee-Jin Park h 和Dale Holland 研究人员同样用数值模拟方法计算了有对流热源的置换通风空调室内流场、温度场、以及污染物浓度场，并分析了流场分布的特点；1999 年，K.C.Chung 等人对有隔墙的空调房间的三维流场和浓度场进行了数值模拟，研究了通风方式对空气和浓度分布的影响；Yang Bin 和S.C.Sekhar 学者用数值模拟方法对回风和新风相混合的送风形式进行模拟分析，得出优于传统混合送风方式的新型节能送风方式；Abanto Juan，Barrero Daniel 等人对计算机房建立实体模型，采用四种不同送风散流器下的气流组织进行数值模拟，对比分析得出较优的气流组织形式；Jelena Srebric，Vladimir Vukovic 等学者为改善房间内空气品质，用数值模拟方法对某空调房间的三维流场和污染物浓度场进行了研究，提出了确定边界条件的方法；对于空调室内气流分布的模拟研究，魏学孟等人利用有限单元法对矢流洁净室和气幕流洁净室流场进行了数值模拟并将计算结果与实验进行了对照；邓启红等人对SIMPLE 算法中压力修正方程边界条件的确定进行了新的探讨，并提出了自适应松弛因子对湍流k-ε 模型方程加速求解作用。对

空调客车客室内气流组织的研究，国外较少，国内学者进行相关的研究。Mearhab A，Bouzidi M 研究人员采用有限差分方法对客车内乘客的舒适性建立数学模型，考虑了太阳辐射、车体颜色及车体材料的放射特性等；Zhang Z，Chen X 等人采用数值模拟和实验研究相结合的方法，对空调通风系统采用混合通风方式的波音767 商务客机客舱内的流场、温度场和二氧化碳浓度场进行研究，并推断此种通风方式可保证客舱内空气品质。Tian-Tian，Yu-Hua 等人对北京地铁客车客室在Li Bai安装空调和未安装情况下，空调室内污染物分布的变化进行实验研究。上海交通大学相关研究人员对轿车和中型客车车室内的三维速度场和温度场进行了数值研究与实验研究；陈焕新教授等人对铁路客车室内速度场及温度场进行研究；靳谊勇等人对铁路客室内的气流组织进行数值模拟，得到了有车内热负荷存在时的车内温度场、速度场分布模拟；包涛等人对客车空调回风系统进行了改进，分析回风口位置对客室内温度场的影响。国内外对城轨地铁空调客室内的气流组织的研究较少，藏运春等人利用FLUNET 软件对北京地铁空调客车客室内的温度场和流场进行数值模拟，得到满足人体舒适性要求的送风工况。以上这些研究对城轨地铁客车空调的研究都是很有参考价值的，综上所述，可以发现：（1）车室内气流组织优化的研究主要是研究送风不同送风形式及送风参数对客室内温度场、速度场的影响，本文充分考虑送风及回风口不同情况对室内温度场、气流场及乘客舒适性的影响；（2）壁面温度边界条件简化为第一类边界条件，未考虑车体传热与车室内的速度场、温度场的耦合传热，本文考虑耦合传热的作用，采用第三类温度边界条件；（3）充分考虑铁路车辆车室内传热与流动的特点，对车室内人体负荷进行合理简化处理。

1.3 通风空调空间气流组织的研究方法

空调客车内除了要求有合适的空气温度和相对湿度外，对空气温度与风速的均匀程度，即对室内温度场和速度场也有一定的要求，室内的温度场、速度场受室内气流流动和分布的影响很大。为了使送入的空气合理分布，有效地控制既定区域内的参数，研究空调空间的气流组织的基本规律以及影响气流组织的主要因素，国内外专家提出了不同的气流组织研究方法，运用这些方法，得到更好的气流组织，制定出最佳的通风空调方案，满足乘客舒适性要求。早在20 世纪40 年代，众多学者对机械通风房间送风口的射流流动特性进行研究，而后建立了一系列射流公式，预测室内空气分布的特点；1970 年，有学者提出Zonal Model，对自然通风的通风量、温度分布等进行预测，后又有人指出该方法经改进后可用于机械通风[37-39]；1974 年，丹麦的P. V. Nilsen 首次利用计算流体力学方法对室内空气流动进行了数值模拟；理论的研究结果需要用模型试验的方法来验证，借助相似理论，在等比例或者缩小比例的模型中通过测量手段来预测室内空气分布，是最为可靠的预测方法，但是其耗费高，周期长。以上四种气流组织的研究方法对比发现，CFD 具有模拟设备简单、投资低、计算速度快、计算空间不受限制、资料获取完整, 并且可以模拟各种工况。随着经济发展、科技进步，CFD 技术已成为现代建筑领域一个重要的研究课题。借助CFD 可以预测仿真通风空调空间的气流分布详细情况[40-44]。气流数值分析能够考虑室内各种可能的内扰、边界条件和初始条件, 因而它能全面地反映室内的气流分布情况，从而便于发现最优的气流分布方案, 进而指导设计使其达到良好的通风空调效果。

1.4 数值模拟的研究气流组织方式

以某地铁续建项目空调通风系统为研究对象，采用数值模拟为主的研究方法，结合一定的实验数据进行分析，对空调通风系统的风道流场以及客室内流场、温度场进行了研究，提出了风道内部结构优化方案以及客车内较优的送风方式。本文的主要工作包括以下几个方面：（1）本文以流体动动力学和传热学为理论基础，对空调通风系统建立相应的数学模型。（2）对空调通风风道内空气流场进行数值模拟，研究其内部气流组织的特点，将模拟结果与实验数据对比，分析出风口送风不均匀的主要区域及原因。（3）分析风道内部结构对风道送风均匀性的影响，并对风道内部结构进行优化设计，使风道送风均匀。（4）空调客车客室内采用不同的送风方式，对空调客车车室内热环境进行数值模拟计算，得到车内的气流组织、空气速度场和温度场的分布情况，对比分析得出较优的客室内气流组织形式。

2.1送风风道送风均匀性对车内气流组织的影响

对于以乘客为主服务对象的车辆空调通风系统，其舒适性在很大程度上取决于客室内温度场均匀稳定、流速大小控制合理的气流组织,亦即在车辆内形成一个稳定且均匀的温度场和速度场。本文以某地铁续建项目空调通风系统的风道为研究对象，送风风道是空调系统的一个重要组成部分，风道送风是否均匀，直接影响客室内温度均匀性，对客室内的舒适性有很大的影响。传统的研制风道的方法是通过试验测得的送风局部测点来调整风道内部结构尺寸，风道内空气流动整体情况未知，本文将数值计算和实验研究相结合，通过数值计算的方法研究风道内部流场，提出风道优化方案，减少了反复试验。本章采用k-ε 两方程湍流模型对客车空调送风风道内部的空气流动进行数值计算，得到了风道内部的流场和送风口的送风速度分布情况，将送风风速与试验结果相对比，在误差允许的范围内，验证了用数值模拟的方法对风道内流场进行研究是可行的。综合分析数值模拟结果和试验所得数据，对风道内部结构进行优化设计，分析风道内导流板及挡板的安装位置对送风均匀性的影响，提出风道内部结构优化方案。

2.11风道的送风理论基础

风管内流动的空气，在管壁的垂直方向受到气流静压作用，在侧壁开孔，由于孔口内部静压差的作用，空气会在在垂直管壁方向从孔口流出。均匀送风管道通常的送风形式有以下三种：

a) 改变出风条缝宽度或者孔口面积，风道的截面面积不变；b) 改变风道的截面面积，出风条缝宽度或者孔口面积不变；c) 风道的截面面积、出风条缝或者孔口面积都不变，根据静压变化，在孔口上

设置不同的阻体来实现均匀送风。工程实践表明，第一种送风风道虽然可以实现均匀送风，但是沿着风道条缝长度或者每个孔口的大小不等，加工工艺复杂；第二种送风风道可保证均匀送风，而且沿风道方向条缝长度或者每个孔口的大小相等，制作工艺较第一种送风风道要简单些；第三种风道制作工艺简单，但是只能实现近似送风，对舒适度比较高的房间，不能很好的满足其温度及微风速的要求。本文所采用均匀送风风道为第二种送风风道方案，即变截面风道，其

风道内部设置挡板及导流板，能更好的实现风道送风均匀。

2.2气流组织形式对车内气流组织的影响

客车空调为乘客提供舒适的内部乘车环境，除考虑送风风道送风均匀性的影响外，要考虑的另外一个重要影响因素是客车车室的气流组织形式。本章对空调客车车室内气流组织进行研究，详细介绍空调客车车室模型的建立、边界条件的选取、选择适当数学模型，设定松弛系数、收敛标准和边界条件，初始化进行数值迭代计算。本文空调系统采用一次回风形式，经空调系统处理的冷空气经送风口送入客室内，冷空气与室内空气相混和，进行热湿交换，经回风口送入空调机组，进行循环。送风冷空气与室内空气存在压力差、速度差、温度差和湿度差，因此会引起车内空气流动，形成一定的气流组织，气流组织的分布影响室内温度场、速度场等的分布。气流组织形式是影响室内空热环境的主要因素，本章结合流体动力学基础，利用

CFD 专业软件FLUNET 软件对室内气流场、温度场分布特性进行研究，采用不同的

气流组织方案进行对比分析，对客车车室内部气流组织方式性能的优劣进行对比分析，从而得到较优气流组织方式。本文空调系统采用一次回风形式，经空调系统处理的冷空气经送风口送入客室内，冷空气与室内空气相混和，进行热湿交换，经回风口送入空调机组，进行循环。送风冷空气与室内空气存在压力差、速度差、温度差和湿度差，因此会引起车内空气流动，形成一定的气流组织，气流组织的分布影响室内温度场、速度场等的分布，气流组织形式是影响室内热环境的主要因素。

3.1内气流组织分布

空调系统气流组织的优劣除考虑温度场之外，还应该考虑室内空气分布特性。车室内空气流动，可以直接或者间接影响乘客的舒适性，空气流动是系统中热量对流转移的直接原因，空气流动的冷却作用，可以直接影响车室内乘客的舒适性。回风口的布置对车室内气流组织有一定的影响，排风口的布置对客室内的气流组织影响较小。三种不同设计方案1-1 截面、2-2 截面、3-3 截面的速度矢量图。可以看出，方案一冷空气从送风口射出，与车室内空气进行热质交换，由于回风口布置在车厢顶部，部分空气经热交换后，经回风口回到空调机组，在车厢的两侧形成两个大涡旋，部分空气经车厢底部两侧的排风口排到室外，在车室底部出现两个小涡旋；方案二车室内气流组织分布与方案一相似，由于此方案排风口布置在车厢两侧顶部，冷空气在客室内进行热质交换的时间长，有较少的能量损失，冷量能得到较好的利用；方案三气流组织分布与方案一有较大的区别，冷空气与客室内气流组织进行热质交换后，经由车厢两侧座椅下方回风口进去空调机组，部分空气由车厢顶部排风口排出，由于车室内送风及回风均布置在车室两侧，因此可能出现冷空气未能与中间位置车室内的空气充分混合。方案一车室内靠近回风口区域，部分送风冷空气在回风口附近风速比较大的影响下，未能与客室内空气充分混合，直接进入回风口，且在客室上方形成两个较小的涡旋，冷量未能得到有效的利用；方案二靠近回风口区域的气流组织分布特性与方案一相似，同样存在部分送风冷空气短路的现象，旋涡区有所减小；

方案三在各个车厢横截面的气流组织分布变化不大。

方案一与方案二在3-3 截面的气流组织分布与图

截面的气流组织分布差别不大，即远离回风口侧的车厢中部与车厢

前端气流组织分布相似，车厢中部的送风气流射流角稍有所增大，较车厢前部的制冷效果好。方案三在3-3 截面所示位置，气流运动强烈，冷空气经车室内两侧空气相混合，然后与室内中间位置空气混合，形成较大的涡旋，冷量可能会在车辆两侧壁造成较大的损失。

3.2客车内气流组织特点：

1、客车的纵向尺寸长但横向断面尺寸较小，因此，常将送风口沿车辆长度方向布置，以求得车内温度的均匀；

2、因为车内经空气较低，送风口必须安装性能较好的散流器么，以便使送人车内的空气不直接吹到旅客身上；

3、不同车型的平面布置和内部设备对车内的气流组织有很大影响，在考虑送风方式和送风口的布置形式时应按不同车型的结构协调布置。

3.3气流组织形式的各种方案

方案一

1.上送方式

（1）平送。常为一般空调客车采用。在出风口的散流器上装有挡板，出风气流遇到挡板后沿棚顶横向流动，气流帖附着顶棚呈辐射状扩散，与室内空气充分混合后向下流入旅客生活区，其气流流型如图11-23所示

（2）下送。如图11-24为直片散流器下送式，送出气流自散射器射流扩散角扩散到下流生活区。

（3）孔板送风。如果在室内平顶板上沿风道开大量直径为2~6mm的细孔，空气从细孔中均匀的进入室内，这种送风方式叫孔板送风，如图11-25所示。

方案二

2.侧送方式

侧送气流是使气流在室内形成一个大的回旋气流，使旅客居留区处于速度与温度较稳定的回流中，如图11-26所示，这种送风方式将空气沿着车厢顶板上边通长风道两侧送出，帖附顶棚扩散，送出的空气沿途不断与室内空气混合而下降，到达对面侧墙后，气流回转，经过居留区排风口排出。

方案三

3诱导器的下送方式

诱导器是一种特殊形式的通风装置，他不仅送风而且还起回风作用，其气流组织如图11-19所示。

3.4 结束语

随着生活水平的不断提高，旅客对乘车环境提出了更高的要求。铁路客运作为我国最主要的一种客运方式，如何在新形势下改善旅客乘车环境将成为一个迫切需要解决的问题。本文就列车空调的气流组织方式目前存在的一些问题进行了分析，并提出了相应的改进措施，这些改进措施的实现将有助于提高旅客的乘车环境和铁路客运的竞争力

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