CN106650143A - 一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法及其应用 - Google Patents

Abstract

一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法及其应用，涉及数值仿真领域，具体是一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法，以及应用该方法在高速列车空调设计中的应用。首先确定高速列车空调冷凝风量数值计算方法，步骤为利用几何建模Proe软件建立模型、划分计算域、划分网格、设置边界条件、计算及计算结果校正。在上述模型基础上，增加进出风装置的模型进行仿真计算；对不同进出风装置的计算结果进行比对，选择最优的进出风结构。

Description

一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法及其应用

技术领域

本发明涉及数值仿真领域，具体是一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法，以及应用该方法在高速列车空调设计中的应用。

背景技术

安装在列车顶部的空调是调节旅客舒适度的重要装置。

顶置式轨道车辆空调的冷凝侧进出风方式分为有两种：顶进侧出，即气流首先从冷凝风机进入冷凝腔，然后经过换热器热交换后排出到外界大气；侧进顶出，即气流首先经过热交换器，然后被冷凝风机排出到外界大气。

当空调位于在列车顶部时，为了便于冷凝侧的空气循环，国内外通常采用空调凸出车体表面一定高度的设计，对于高速列车尤其如此。通常采取的措施是在出风侧安装扰流条，安装扰流条后，由于高速气流在扰流条处产生流动分离，在扰流条下游区域形成低压区，有利于冷凝出风，从而保证了空调制冷效果。

研究表明，随着列车车速的提高，突出车体表面造成的气动阻力成倍增加。为此，提出了列车顶部平顺化的要求，即空调与车体表面平齐。

列车静止或者低速运行时，车体表面附近气流的动压力较小，无论对于顶进侧出还是侧进顶出的空调，冷凝风机所做的功都足以克服外界低速气流的阻力，从而保证空调系统有足够的冷凝风量来进行热交换达到额定的制冷效果。

随着铁路列车运行速度的逐步提高，列车高速运行时，列车周围的空气流场对空调性能影响凸显出来：车体表面附近的气流具有很大的动压力，而冷凝风机的功率大小是有限制的，因此随着列车运行速度的提高，尤其对于有平顺化要求的列车，空调与列车表面平齐，不允许在出风侧安装凸出扰流条，这就造成冷凝风量会迅速减小，导致空调制冷效果下降，影响了旅客乘坐的舒适。此现象在时速350公里动车组高速运行尤为严重，目前国内外还没有应用于平顺化列车空调的有效解决方案。

在车辆静止状态下，列车空调的冷凝风量可以在空调冷凝进风口布置设备，比较方便的进行试验测量；当车辆高速运行时，尤其对于时速350公里的动车组高速运行时，在空调冷凝进风口布置设备进行风量测量难度会大大增加，并且由于高速气流的干扰，试验测量结果的准确度也难以保证。目前，国内外对于高速列车空调的冷凝风量随车速的变化关系及其产生机理还没有一个准确深入的认识。数值仿真方法可以深刻揭示空调冷凝风量随车速的变化关系及其产生的机理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于高速列车顶部平顺化设计条件下，空调冷凝风量的数值仿真计算方法，进而增加冷凝风进出口模型进行仿真计算，获得最佳进出风结构设计。

本发明采用的技术方案是：

一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法，使用fluent软件实现，包括以下步骤：

1-1：利用几何建模软件建立模型：

空调模型中包括冷凝器和冷凝风机，其中冷凝器使用多孔介质模型来模拟气流通过冷凝器的压降效果，冷凝风机扇叶使用真实模型；冷凝器的压降公式为：

y=ax²+bx+c，其中，y—压降或阻力（Pa），x—风速（m/s）；

上式中的a、b、c系数可以通过试验方法得到。

车体模型使用真实尺寸；

把空调模型按照实际安装状态装配到车体模型中，空调位于车体顶部中心位置；

1-2：计算域的划分：

计算域分块处理：建立包围冷凝风机扇叶的圆柱形区域作为冷凝风机计算域A，该圆柱形区域的直径大于冷凝风机扇叶直径1~3mm，高度与冷凝风机扇叶高度相等，其他部分作为计算域B，计算域之间使用interface传递信息；

1-3：划分网格对计算域离散化；

1-4：设置边界条件：

计算域入口设置为速度入口，速度值等于车速，

出口设置为压力出口，静压值0Pa，

冷凝风机扇叶设置为旋转壁面，旋转速度等于风机转速，

其他均为无滑移壁面边界条件，

湍流模型选择RNG k-e湍流模型；湍动能及耗散项选择二阶迎风格式；

1-5：计算：

使用Fluent软件首先对冷凝风机计算域使用多参考坐标系进行稳态计算，待计算结果收敛后转换到瞬态求解器，以稳态计算结果作为瞬态计算的初始条件，时间步设置为小于等于0.0001s；

瞬态计算稳定后，输出冷凝风量和冷凝风机叶轮功率；

1-6：计算结果校正，获得校正系数。

高速列车空调冷凝风进出风装置的设计方法，基于上述计算方法，在车体模型中，增加进出风装置的模型进行仿真计算；对不同进出风装置的计算结果进行比对，选择最优的进出风结构。

通过上述步骤选择的是格栅结构，格栅结构的具体尺寸与车速的关系如下：

格栅间距（mm）=M×车辆最高运行速度（km/h）

格栅高度（mm）=N×车辆最高运行速度（km/h）

M取值范围：0.2-0.6，N取值范围：0.05-0.3。

叶轮功率和风量在车辆静止或低速运行时满足二次曲线方程，当车辆高速运行时，风量和功率之间的关系已不是二次曲线，冷凝风量难以在试验室测量，而进风量与叶轮功率是相关的，可以通过比较叶轮的理论功率和实际功率来间接验证冷凝风量。这是本发明的理论基础。

采用本发明，首先建立真实比例的空调和车体模型，在此过程中，忽略对气流流动影响不大的细节以简化设计，通过计算得出输出冷凝风量和冷凝风机叶轮功率，再根据计算结果和冷凝机性能指标和实验数据对模型参数和计算结果进行校正，得到准确的数值模拟计算模型；在此基础上，通过在模型中增加不同的进出风装置模型进行计算，比较使用不同装置情况下的计算结果，进而得到理想的高速轨道列车上空调进出风口上装置的结构。

有益效果：采用本发明，避免了列车空调冷凝风量在车辆高速运行时难以测量的问题，提供了一种用于高速列车空调冷凝风量的数值仿真计算方法，可以比较准确地得到在各个车速下的空调冷凝风量，降低了测量成本，为相关研究提供了一个基础平台，扩大了研究范围；在此基础上，增加冷凝风进出口模型进行仿真计算，为冷凝风进出口位置的结构设计提供了理论支持和依据，并进一步获得了最佳进出风结构设计，保证了高速运行的平顺化列车上空调的正常运行，满足了旅客乘坐舒适性要求。

附图说明

图1是整体模型的示意图，

图2是空调模型的示意图，

图3是本发明的格栅仿真模型，

图4是楔形扰流条形进风结构，

图5是十字交叉扰流条进风结构，

图6是冷凝器压降曲线，

图7风量—功率曲线，

图8是无进风装置情况下车辆高速运行时气流方向，

图9是在进出风口安装格栅的情况下车辆高速运行时气流方向，

图10是计算域A包括的范围示意图，

图11是格栅的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

首先，利用几何建模软件（如Proe）建立真实比例的空调和车体模型：

空调模型：空调模型中包括冷凝器和冷凝风机，其中冷凝器使用多孔介质模型来模拟气流通过冷凝器的压降效果，冷凝风机扇叶使用真实模型，通过冷凝风机的压力跃升由Fluent软件计算。

气流通过冷凝器的压降，经过二次多项式拟合得到冷凝器的压降公式，如图6所示，压降公式为：

y=ax²+bx+c，其中，y—压降或阻力（Pa），x—风速（m/s）；

其中，y—阻力或压降（Pa），x—风速（m/s）。

通过试验测量通过冷凝器的风量及对应的阻力值，进而得到对应的三个系数，a=5.21，b=21.3，c=1.3，压降公式为：y=5.21x²+21.3x+1.3。

空调模型中，显著影响气流流动的其他主要部件，例如压缩机、导流板、较大的管路等，以实际的外形尺寸建模。忽略不显著影响气流流动的部件，如安装螺栓、固线架等。

车体模型使用真实尺寸：首先按照实际尺寸建立车体截面模型，然后将该二维模型进行拉伸，如至少拉伸20米，进而建立实体模型。

以上的模型简化或忽略了空调机、车体内对气流流动影响不大的结构细节。

把空调模型按照实际安装状态装配到车体模型中，本实施例中，按照列车顶部平顺化设计进行安装，空调位于车体顶部中心位置；车体模型中，对应空调冷凝风机位置开孔，孔的大小与冷凝风机匹配。整体模型和空调模型如图1、图2所示。

第二，划分计算域：

计算域分块处理：冷凝风机作为单独的计算域，其处理方式为建立包围冷凝风机扇叶的圆柱形区域作为冷凝风机计算域A，该圆柱形区域的直径大于冷凝风机扇叶直径1~3mm，高度与冷凝风机扇叶高度相等，如图10 所示，包围扇叶2的虚线框1为计算域A；轨道空调一般有两个冷凝风机，需要建立两个相同的计算域A，其他部分作为计算域B，计算域B的长度为空调长度的15-25倍，计算域B的宽度为空调宽度的5-15倍，计算域B的高度为空调高度的8-12倍；计算域之间使用interface传递信息。本实施例中，计算域B的长、宽、高分别为：38m、25m和13m。上述的空调尺寸为空调整体外形尺寸的长、宽、高。

第三，建立空调、风扇及车体的几何模型并划分计算域后，需要划分网格对计算域离散化。由于风扇及空调模型极其复杂，难以建立结构化的六面体网格，因此选择建立四面体网格，四面体网格对复杂结构有良好的适应性，同时具有较高的求解精度。网格最小尺寸2mm，最大尺寸60mm，网格扭曲度小于0.85，以保证较高的网格质量。

第四，设置边界条件：

计算域入口设置为速度入口，速度值等于车速；

出口设置为压力出口，静压值0Pa；

冷凝风机扇叶设置为旋转壁面，旋转速度等于风机转速；

其他均为无滑移壁面边界条件；

湍流模型选择RNG k-e湍流模型；湍动能及耗散项选择二阶迎风格式。

上述设置完成后进行计算：

使用Fluent软件首先对冷凝风机计算域使用多参考坐标系进行稳态计算，待计算结果收敛后转换到瞬态求解器，以稳态计算结果作为瞬态计算的初始条件，时间步设置为小于等于0.0001s以便于捕捉更详细的流动细节。瞬态计算稳定后，输出冷凝风量和冷凝风机叶轮功率。

完成计算后，对计算结果进行校正。校正有两个目的，第一是验证仿真模型及计算方法的有效性和准确度，第二是得到校正系数，为后续的工作提供参数。

计算的结果为冷凝风量和冷凝风机叶轮功率。

冷凝风机扇叶搅动空气所需要的功率，是电机输出的有用功率，也叫作叶轮功率。叶轮功率与通过冷凝机风扇的进风量有一定关系，当车辆静止或者低速运行时，风机进风比较均匀，工作环境比较理想，此时风机的冷凝风量与叶轮功率之间遵循风量—功率曲线（风机厂家在试验室测出该条曲线，该曲线一般为二次曲线，通过查找功率点可以找到对应的风量），如下表和图7所示；但是，当车辆高速运行时，风机进风严重不均匀，风量—功率点已经严重偏离上述二次曲线，因此，不能通过查找功率点来直接得到风量。这也正是本发明数值仿真计算冷凝风量的意义。

图7为风机厂家测试的曲线，车辆静止或低速运行时符合此曲线。

表 1风量—功率

Fluent软件可以直接计算并输出冷凝风机的叶轮功率，是理论叶轮功率。风机厂家在实验室可以直接测量风机的叶轮功率，是实际叶轮功率。

用Fluent 计算的理论叶轮功率与实验室测量的实际叶轮功率进行对比（静止状态下），若吻合度达到或超过90%，则证明所建立的模型是正确的。若吻合度较低，则需要检查建立的模型是否合适，调整参数，重复上述步骤。

下表为本实施例的计算结果。

表2理论叶轮功率与实际叶轮功率

得到静止状态下的模型和计算方法后，可以进一步模拟计算轨道列车在高速运动情况下的冷凝风量和冷凝风机叶轮功率并加以验证。

由于车辆高速运行时不方便直接测量冷凝风机的叶轮功率，但是可以很方便的测量冷凝风机的输入功率，既冷凝风机实际消耗的功率。

输入功率经过电机和轴承时有一个损耗，输入功率减去损耗或乘以一个校正系数就是叶轮功率。所有以上的计算和测量都是在车辆静止状态下进行的，该静止状态为基准。

校正系数的获得：静止状态下，使用Fluent软件计算车辆静止状态下的叶轮功率值和实际测量得到的冷凝风机输入功率进行对比，进而得到校正系数（比如理论叶轮功率为0.6KW，试验输入功率为0.7KW，校正系数为0.857）。

完成以上步骤后，使用建立的模型计算车辆运行在不同车速下的冷凝风量和冷凝风机叶轮功率。所计算的冷凝风量是用来判断空调系统在车辆高速运行时的制冷效果是否达到要求，若计算的冷凝风量太小则空调装车后，当车辆高速运行时可能会因为换热不充分而发生故障；所计算的叶轮功率是用来验证计算的冷凝风量是否准确可信。验证方法是：空调装车后，在车辆高速运行时测量风机输入功率，然后用Fluent计算的该车速下的叶轮功率和校正系数（本实施例中，校正为系数0.857）得到理论的输入功率，与测量的输入功率比较，若吻合度较高（达到或超过85%），则证明理论计算的车辆高速运行时冷凝风量是准确可信的，否则，需要检查所建立的车体和空调模型是否正确，重复从空调和车体模型建模开始的步骤。

以上步骤建立并验证了高速列车空调冷凝风量数值计算方法，下面说明如何使用该方法设计高速列车空调冷凝风进出风装置。

由于目前国内外还没有应用于平顺化列车空调的有效解决方案，本发明采用的方法是在车体模型中对应空调冷凝风机进出风位置，增加进出风装置的模型进行仿真计算；对不同进出风装置的计算结果进行比对，选择最优的进出风结构。

本实施例中，进出风装置使用了格栅结构、楔形扰流条结构、十字交叉结构进行仿真计算，建模时使用真实模型。具体结构如图3图4图5所示。

仿真计算结果如下表所示：

表3 安装不同进出风结构的计算结果

上表中，基准模型为无进出风装置的模型。

由上表可以看出，安装格栅结构的进出风装置，冷凝风机工作最稳定，冷凝风进风量最大。尤其是列车高速运行时，格栅结构提高风量的作用更加明显，通过本申请的方法可以得出：格栅进出风结构尤其适合用于高速列车。

进一步的验证可以从图8和图9看到，安装格栅结构的进出风装置后，进风更加均匀，冷凝风机扇叶表面的压力均衡。

通过上述计算，可以得出格栅结构优于其它结构的结论，格栅结构如图11所示。

进一步地，格栅结构可以根据轨道列车的最高时速进行优化：

格栅间距（mm）=M×车辆最高运行速度（km/h）

格栅高度（mm）=N×车辆最高运行速度（km/h）

M取值范围：0.2-0.6，N取值范围：0.05-0.3。

Claims (10)

1.一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法，使用fluent软件实现，其特征在于包括以下步骤：

1-1：利用几何建模软件建立模型：

空调模型中包括冷凝器和冷凝风机，其中冷凝器使用多孔介质模型来模拟气流通过冷凝器的压降效果，冷凝风机扇叶使用真实模型；冷凝器的压降公式为：

y=ax²+bx+c，其中，y—压降或阻力（Pa），x—风速（m/s）；

车体模型使用真实尺寸；

把空调模型按照实际安装状态装配到车体模型中，空调位于车体顶部中心位置；

1-2：计算域的划分：

计算域分块处理：建立包围冷凝风机扇叶的圆柱形区域作为冷凝风机计算域A，该圆柱形区域的直径大于冷凝风机扇叶直径1~3mm，高度与冷凝风机扇叶高度相等，其他部分作为计算域B，计算域之间使用interface传递信息；

1-3：划分网格对计算域离散化；

1-4：设置边界条件：

计算域入口设置为速度入口，速度值等于车速，

出口设置为压力出口，静压值0Pa，

冷凝风机扇叶设置为旋转壁面，旋转速度等于风机转速，

其他均为无滑移壁面边界条件，

湍流模型选择RNG k-e湍流模型；湍动能及耗散项选择二阶迎风格式；

1-5：计算：

使用Fluent软件首先对冷凝风机计算域使用多参考坐标系进行稳态计算，待计算结果收敛后转换到瞬态求解器，以稳态计算结果作为瞬态计算的初始条件，时间步设置为小于等于0.0001s；

瞬态计算稳定后，输出冷凝风量和冷凝风机叶轮功率；

1-6：计算结果校正，获得校正系数。

2.根据权利要求1所述的高速列车空调冷凝风量数值计算方法，其特征在于：冷凝器的压降公式中，a=5.21，b=21.3，c=1.3，压降公式为：y=5.21x²+21.3x+1.3。

3.根据权利要求1所述的高速列车空调冷凝风量数值计算方法，其特征在于：在步骤1-1中，忽略不显著影响气流流动的部件，包括安装螺栓、固线架。

4.根据权利要求1所述的高速列车空调冷凝风量数值计算方法，其特征在于：步骤1-1中，空调模型中还包括压缩机、导流板、管路，以实际的外形尺寸建模。

5.根据权利要求1所述的高速列车空调冷凝风量数值计算方法，其特征在于：步骤1-1中，建立车体模型的步骤为：首先按照实际尺寸建立车体截面模型，然后将该二维模型进行拉伸，进而建立实体模型。

6.根据权利要求1所述的高速列车空调冷凝风量数值计算方法，其特征在于：步骤1-1中，计算域B的长度为空调长度的15-25倍，计算域B的宽度为空调宽度的5-15倍，计算域B的高度为空调高度的8-12倍。

7.根据权利要求1所述的高速列车空调冷凝风量数值计算方法，其特征在于：步骤1-3中，选择建立四面体网格，网格最小尺寸2mm，最大尺寸60mm，网格扭曲度小于0.85。

8.根据权利要求1所述的高速列车空调冷凝风量数值计算方法，其特征在于：步骤1-6中，校正的方法为包括以下步骤：

使用Fluent软件计算车辆静止状态下的叶轮功率值和试验室测量的实际叶轮功率进行对比验证。

9.高速列车空调冷凝风进出风装置的设计方法，基于高速列车空调冷凝风量数值计算方法实现，其特征在于：在车体模型中，增加进出风装置的模型进行仿真计算；对不同进出风装置的计算结果进行比对，选择最优的进出风结构。

10.一种使用权利要求9所述方法设计的冷凝风进出风装置，其特征在于：装置为格栅结构，格栅结构的具体尺寸与车速的关系如下：

格栅间距（mm）=M×车辆最高运行速度（km/h）

格栅高度（mm）=N×车辆最高运行速度（km/h）

M取值范围：0.2-0.6，N取值范围：0.05-0.3。