YW25G型空调硬卧列车车厢内气流数值计算

杨培志¹, 顾小松², 傅俊萍²

(1. 中南大学 土木建筑学院, 湖南 长沙, 410075;

2. 长沙理工大学 能源与动力工程学院, 湖南 长沙, 410076)

摘要: 以YW25G型空调硬卧列车车厢为研究对象建立物理模型。 物理模型中考虑了车厢内各障碍物, 包括边桌、 行李架、 床铺、 折座等的影响, 采用K-ε湍流模型对车厢内三维湍流流动和传热进行数值模拟, 研究车厢内流场及温度场的分布变化规律。 研究结果表明: 下铺区域的气流组织及温度分布较好, 其次是中铺, 上铺区域的气流组织及温度分布较差; 距车门越近, 气流组织越好, 车厢中部区域的气流组织最差; 床铺区域的空气温度较走廊区域的空气温度低。

关键词: 空调; 湍流模型; 数值模拟; 列车

中图分类号:TU111.19 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)05-0888-04

Numerical simulation of air distribution in YW25G train compartment

YANG Pei-zhi¹, GU Xiao-song², FU Jun-ping²

(1.School of Civil and Architectural Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2.School of Energy Sources and Dynamics, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China)

Abstract: YW25G train compartment was studied by taking several kinds of barriers into account (including desk, rack, doss, seat), and K-ε turbulence model were applied for numerical simulation of indoor fluid flow and heat transfer. The results show that airflow and temperature distributing are the best in the lower berth area, second in the hit berth, and the worst in the upper berth; the nearer from door, the better the distributing of airflow and temperature, the temperature in doss area is lower than that in aisle area.

Key words: air-conditioning; turbulence model; numerical simulation; train

   目前, 我国铁路客车是我国旅客外出旅行的重要交通工具。 为了改善旅客列车的乘车的舒适性, 许多特快客车和旅游客车相继更换为空调客车, 部分普通客车上也陆续安装了不同形式的空调机组。 由于我国铁路运输具有运距远, 运行时间长, 车厢内人员相对比较集中等特点, 车内环境对旅客的身心健康有着重要影响, 而室内空气品质又是最直接的影响因素。 空气质量好, 空气清新, 会使人感到心情愉快, 减轻旅途的疲劳; 空气质量不好, 污浊不堪, 就会让人的心情感到压抑, 甚至引起疾病^[1-3]。 为此, 从满足旅客的安全性和舒适性出发, 研究空调列车室内空气的流动及温度分布情况至关重要^[4-7]。

1 物理模型

以YW25G型空调硬卧列车车厢为研究对象。 该车厢空调系统采用顶送风方式, 送风口形式是单层百叶风口, 大小(长×宽)为320 mm×470 mm, 在车厢顶部对称分布, 车厢内空气通过车厢两端的车门排出。 由于整个车厢沿车厢长度方向具有较好的对称性, 因此, 本研究以半节车厢作为计算区域, 建立三维直角坐标系, 沿车厢长度方向是x轴(半节车厢长9.44 m), 车厢宽度方向是y轴(宽2.90 m), 车厢高度方向是z轴(高2.75 m), 依据文献[8]所提供的尺寸确定车厢内各障碍物(包括边桌、 行李架、 床铺、 折座等)的大小及相对位置。 列车车厢物理模型如图1所示。

图 1   YW25G型空调硬卧列车物理模型

Fig. 1   Physical model for YW25G air-conditioning train

2 数学模型

空调房间内的气体流态属于湍流。 描述湍流现象的定律主要有: 质量守衡、 动量守衡及能量守衡。 依据K-ε湍流模型方程、 连续性方程、 动量方程和能量方程一起构成控制方程组, 在笛卡尔直角坐标系中, 室内空气流动与传热数学模型以张量形式可描述如下^[9-11]。

连续性方程:

运动方程:

湍流流动能量方程:

湍流脉动动能方程:

湍流脉动动能耗散率方程:

其中: u_i为速度分量, m/s, 在x方向, i=1; 在y方向, i=2; 在z方向, i=3。 G为湍流脉动动能产生项, (i, j=1,2,3); μ_t为湍流粘性系数,; C_p为空气比定压热容, kJ/(kg·K); g为重力加速度, m/s²; k为流体湍流脉动动能, m²/s; p为时均压力, Pa; P_r为湍流时的普朗特数; q_T为热源强度, W/m³; T为流体热力学温度, K; T₀为参考温度, K; ε为湍流能量耗散率, m²·s; μ为层流动力粘性系数, m²/s; μ_t为湍流动力粘性系数, m²/s; ρ为流体密度, kg/m³; β为流体体积膨胀系数, 1/K。

3 数值计算及结果比较

3.1 计算边界条件

数值计算边界条件包括^[12-14]:

a. 将车厢端墙(x坐标是0)设为绝热边界条件;

b. 将车厢中部断面(x坐标是9.44 m)设为对称边界条件;

c. 车厢其余固体壁面(车顶、 地板、 车厢两侧)采用第二类热边界条件(给定热流密度);

d. 将车厢内各障碍物(包括边桌、 行李架、 床铺、 折座等)设为绝热边界条件;

e. 在气固交界面空气流动符合无滑移条件, 近壁区域采用壁面函数;

f. 各送风口的空调送风温度为18 ℃, 送风速度为1 m/s, 出口压力等于1.13×10⁵ Pa。

3.2 数值计算结果的比较

断面y=1.50 m, y=2.20 m, z=1.50 m处的速度场和温度场的分布情况分别如图2~7所示。

图 2   断面y=1.50 m处的速度场

Fig. 2   Velocity field for section of y=1.50 m

图 3   断面y=1.50 m处的温度场

Fig. 3   Temperature field for section of y=1.50 m

图 4   断面y=2.20 m处的速度场

Fig. 4   Velocity field for section of y=2.20 m

图 5   断面y=2.20 m处的温度场

Fig. 5   Temperature field for section of y=2.20 m

图 6   断面z=1.50 m处的速度场

Fig. 6   Velocity field for section of z=1.50 m

图 7   断面z=1.50 m处的温度场

Fig. 7   Temperature field for section of z=1.50 m

从图2所示的速度场可知, 由于气流运动受到床铺的阻挡, 送风气流主要集中在送风口正下方区域, 而位于床铺正上方区域的气流运动不明显, 导致床铺上方空气温度较风口正下方区域的温度高。 另外, 对于上铺、 中铺和下铺, 其相对应的上方区域气流组织存在差异, 下铺正上方的气流运动相对强烈, 其次是中铺, 上铺正上方的气流运动相对最弱。 从图3可知, 上铺区域的等温线分布较密集, 其次是中铺, 下铺区域的空气温度变化梯度最小。 从图4可知, 车厢过道区域的空气总体上是朝车门方向运动, 而且距车门越近的区域, 其气流运动越剧烈, 靠近车厢中部区域的气流运动不明显。 从图5可知, 由于没有床铺等障碍物的阻挡, 其温度分布沿x轴方向均匀分布, 而且总体而言车厢内走廊区域下部的空气温度较上方的要低。 从图6可知, 距离车厢底部1.50 m的截面处, 在每个送风口下方存在一个旋涡, 而且离车门越近, 旋涡越明显。 从图7可知, 床铺区域的空气温度较走廊区域的要低。

4 结 论

a. 硬卧车厢下铺区域的气流组织及温度分布较均匀, 其次是中铺, 上铺区域的气流组织及温度分布较差, 导致下铺的旅客的热舒适性及空气品质相对最好, 而处于上铺的旅客的热舒适性及空气品质相对最差。

b. 距车门位置越近, 气流组织越好, 而车厢中部区域的气流组织最差, 空气运动不显著, 不利于空气污染物的排放, 容易引起该区域空气品质下降。

c. 床铺区域的空气温度总体上较走廊区域的温度低, 有利于满足旅客在床铺区域的热舒适性要求。

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收稿日期:2005-01-28

基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(01JJY2108)

作者简介:杨培志(1977-), 男, 湖南浏阳人, 讲师, 博士研究生, 从事计算流体力学与传热学研究

论文联系人: 杨培志, 男, 博士研究生; 电话: 13908470812(手机); Email: yang_peizhi@mail.csu.edu.cn