智轨快运风道系统设计与优化

席力克

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

中图分类号：U467       文献标识码：A       文章编号：1005-2550（2020）06-0078-06

Abstract： Numerical calculation and analysis of the initial model of Intelligent Electric Vehicle are carried out. It is found that the air supply system is uneven in airflow distribution and short circuit of airflow exists locally. By increasing， adjusting the angle and position of the baffles， blocking some of the airstrip seams and increasing the air outlets， the design and optimum of the air supply system of Intelligent Electric Vehicle are realized.

Key Words： Intelligent Electric Vehicle; Air Supply System; Short Circuit of Airflow; Optimization

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。

如图4所示，在初始模型的基础上，进行了如下的优化设计和评估：（1）在图3中A区条缝上方增加一排竖直方向的孔，直接联通条缝上方空间和流入静压箱的管道，以增加A去条缝的流线分布;（2）在静压箱内增加两块挡板并根据需要调整挡板角度和位置，用于削弱大漩涡对流线的影响。

如图5，增加竖直孔后，流经A区条缝的流线明显增加，流线均匀性显著提高，解决了A区无流线问题。

如图6所示，增加两块挡板后，流经C区条缝的流线均匀性显著提高，整体流线分布较均匀。B区流线有所改善，但流线仍然较稀疏。进一步分析可知：由于B区区域较小，可通过相邻A区和C区气流的横向运动，进一步弥补B区流线稀疏的问题。

2.2   乘客区计算结果分析和优化

采用FLUENT中的Profile方法，以上节优化后的条缝出口速度作为乘客区入流气流速度分布，进一步分析乘客区内的流场和温度分布情况。进行车内舒适性分析，首先需要确定舒适性的标准。人体舒适性的影响因素很多，其中影响最大为气流速度和温度。以周珂[7]等对车内乘客舒适研究为基础，结合实践经验，给出了表2中有关车内舒适性的分类标准。一般认为车内大部分区域达到类型A和类型B，即速度0.15～0.8m/s，温度21～29℃即可。本文据此分类进行分析。

2.2.1 空载工况

图7为乘客区初始空载模型，用于分析外部太阳暴晒环境中空调开启后达到舒适状态所需时间，以及乘客头部截面和腹部截面内速度和温度分布特征。初始条件为：车内初始温度为55℃，气流速度为零;根据车辆的空调特征，送风量为8000m3/h/车厢，制冷量5分钟内由0线性增加为最大值34.89KW/车厢，送风最低温度为21℃。

经过流线分析发现：由于回风口与送风条缝之间距离较近，回风口附近存在大量的“气流短路”现象，即从送风条缝进入的低温气流，未参与或充分参与车内热交换，直接经回风口流出车厢（见图8初始模型）。气流回路现象会破坏车内整体气流组织，导致整体换热效率较低，耗能增加。

图8 初始模型和优化模型回风口附近“气流短路”现象（左图为经倒流片向左下方射流的2排条缝，右图为经导流片向右下方射流的5排条缝）

针对存在的气流短路现象，进行了结构优化（图7）：（1）以回风口中心为0，封堵靠近每个回风口附近的X方向（±0.3m）内的送风条缝;（2）在车顶两侧局部温度积聚区域增开部分回风条缝作为原回风口的补充。表3和图8中给出了初始模型和优化模型空载工况下的对比情况，可以发现：（1）优化后模型车内整体温度降至30℃所需时间减小了21%，提高了车内换热效率和能源利用率;（2）头部截面和腹部截面内的速度和温度分布情况进一步改善，舒适性提高;（3）由于封堵了回风口附近的部分送风条缝，大大降低了“气流短路”现象的影响，改善了车内的气流组织形式。因此，优化模型效果显著。

2.2.2 满载工况

在空载工况分析的基础上，采用优化模型进一步分析了满载工况下的流场和温度场特征。初始条件为：车内初始温度为40℃，气流速度为零;送风量为8000m3/h/车厢，制冷量为最大值34.89KW/车厢，送风最低温度为18℃。

如图9和图10所示，乘客头部和腹部截面平均速度经过100秒后趋于稳定，分别为0.5m/s和0.38m/s;截面内速度0.15m/s～0.8m/s所占比例分别为76.7%和78.1%;乘客头部和腹部截面平均温度经过100秒后趋于稳定，分别为24.4℃和24.5℃;截面内温度21℃～29℃所占比例分别为74.8%和70.6%。相比于空载工况，速度分区和温度分区所占比例均有所降低。这主要是由于满载工况下车内十分拥挤，车厢内的速度和温度分布的均匀性均有所降低，但整体来看，车厢内的舒适性仍可接受。图10中乘客腹部截面平均温度自始有一个增加的过程，是由于该截面内自送风条缝获得的制冷量小于获得热负荷;乘客头部截面在数秒后有一个温度增加的过程，这主要是由于随着空调已最大34.89KW/车厢运行，送风口温度降低至18℃后保持不变，导致的空调制冷量有所降低造成的。

图11给出了优化模型满载工况新增回风条缝作为回风口的流线分布情况。可知：新增的回风条缝处的流线比较长而密，说明这些气流经过了在车厢内经过了充分换热，回风温度较高。优化模型满载工况下，所有回风口平均温度为26.5℃，车内整体平均温度为27.8℃，而新增回风条缝的平均温度最高为28.8℃。这进一步说明了在乘客区热量积聚的地方增开部分回风条缝的必要性，可以有效地提高换热效率，降低耗能。

3    结论

通过对国内新研的智轨快运乘客区风道系统的计算分析和优化，可以得到如下结论：

（1）CFD方法可以快速地计算、分析和评估车内风道系统流场、温度场分布特征，针对存在的问题进行优化，进一步完善设计。

（2）由于送风管道和静压箱内流道非常复杂，导致流线分布很不均匀，进而影响乘客区送风条缝气流分布，甚至局部会产生逆流。通过增加挡板、调整挡板位置和角度，增加数个竖直孔，显著调高了送风管道和静压箱内的流线的均匀性，使得乘客区送风条缝速度分布更加均勻，可以提高车厢内的舒适性。

（3）空载工况下，初始模型需要经过190秒，车内平均温度降低到30℃。流线分析发现：由于送风条缝距离回风口较近，各回风口附近存在较严重的“气流短路”现象，会造成换热效率下降，增加能耗。通过封堵回风口附近送风条缝，增加车顶两侧条缝作为回风口对初始模型进行了优化，分析表明：经过150秒，车内平均温度即可降低至30℃，换热效率提高了21%。同时，“气流短路”现象也显著减少，进一步提高了换热效率。

（4）满载优化模型分析发现：与空载优化模型相比，乘客头部截面和腹部截面速度分布0.15m/s～0.8m/s和温度分布21℃～29℃所占比例有所降低，分别为74.8%和70.6%，这主要是由于满载工况下车厢内十分拥挤，舒适性较差。但整体来看，所占比例仍较大，可以接受。通过对乘客区优化模型流线分析表明：在局部热量积聚区域增加回风条缝是十分必要的，可以有效提高换热效率，降低能耗。

（5）空载与满载工况下，车体内流场与温度场都达到了表2所对应类型A和类型B，较好的满足舒适性要求。

参考文献

[1]向立平，王汉青. 空调客车内气流分布的人体热舒适性研究. 中南大学学报：自然科学版，2009，40（5）.

[2]邓大跃，陈双基. 汽车内空气污染研究综述. 北京联合大学学报：自然科学版，2004， 18（2）： 52-59.

[3]谢金法，朱涛，李水良等.空调客车内部流场计算流体动力学数值模拟. 中国机械工程，2007， 18（13）.

[4] 沈建，孙庆宽，杨亚东. 流场仿真技术在空调器离心风机优化中的应用. 流体机械. 2001（07）.

[5] 王治林，成凯，林源. 基于CFD的车辆近期系统流程仿真和分析. 工程设计学报. 2011，18（4） .

[6]Zhang T.，Li P.，Zhao Y.，Wang S. Various Air Distribution Modes on Commercial Airplanes，Part 2： CFD Modeling and Validation. HVAC&R Research， 19（5）：457-470.

[7] 周珂. 纯电动公交车内流分布特性及舒适性研究：硕士论文. 西安：西安交通大学，2017.