CN110329292B - 用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成，属于除尘技术领域；所述导流体框架总成包括内框和安装板，内框的内设有中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板；中间下导流板将内框分隔成两个通风区，其中一个通风区为进风区，另一个通风区为出风区；在上述的中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板的上方分别固定安装中间上导流板、进风上导流板和出风上导流板。本发明利用了高铁动车组运行时，在裙板进气口处产生的强大的反向气流，将漂浮物与进气气流自行分离，分离后的漂浮物在主通风道气流裹挟下排回大气；同时，在导流板的导流面作用下，过滤网处气压增高，形成高压区，实现向设备舱的主动供风。

Description

用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成

技术领域

本发明属于交通运输工具除尘技术领域，尤其涉及一种用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成。

背景技术

在当今社会中，轨道运输工具主要包括内燃机车、电力机车、动车组、高铁、客货车车箱、轻轨、地铁等交通运输载体，公路交通运输工具主要是汽车。它们的正常运行都需要吸入大量的空气，以满足内燃机的燃烧、电子、机械部件的散热，以及空调等设施的冷却等需求。随着大量空气的吸入，空气中存在着大量的沙尘、柳絮、植物叶片、纸屑、塑料等漂浮物，被大量吸附在各种进气道的防尘装置上，而逐渐堵塞；随着进气量的减少，导致内燃机供气不足，电气设备、空调等散热效果差，严重影响交通运输工具的正常运转。

以高铁动车组为例，说明上述问题。高速动车组设备舱内设置有牵引变压器、牵引变流器、牵引电机冷却风机、高压设备箱、空调机组、逆变电源、制动控制单元等关键设备。列车在高速运行过程中，各类设备会产生大量的热量，为了确保高铁动车组的正常运行，需要吸入大量的空气，以满足这些电气设备散热的需求。

在十几年的运行实践中，设备舱内通风量不足、散热效果差、舱内温度过高，一直是困扰高铁运行的顽症，随着列车运行速度的不断提升，问题日益凸显。据调研，对设备舱通风、散热影响比较大的因素，主要有两个方面：一是过滤器堵塞；二是裙板进风口处产生负压。

1、由于动车组设备舱的通风口设置在裙板上，位置较低；列车高速运行时，车底卷起路基上沉积已久的灰尘、柳絮、塑料、植物枯叶等大量的漂浮物，在设备舱内通风机强大吸力的作用下，除较大漂浮物如树叶、庄稼叶等被过滤在裙板滤网以外，进气空气中大部分的沙尘和柳絮等物被吸入设备舱内。随着树叶、庄稼叶等物的堆积裙板滤网逐渐堵塞。而进入列车内的沙尘和柳絮，又会将密度较大的过滤棉堵塞，进风阻力增加；随着进气量的减少，电气设备、空调等散热效果差，严重影响高铁动车组的正常运转。

现有的除尘过滤采用金属板式过滤网和过滤棉同属于过滤吸附式除尘，这种除尘方式无外乎两种结果：一是漂浮物通过了过滤网和过滤棉，它们没有起到除尘作用。二是漂浮物被吸附在过滤网或过滤棉上，堵住了进气通道。可见，这都不是我们想要的结果。

通风装置的堵塞给动车所带来了很大的工作量，高铁动车组回所时都要检查清扫裙板滤网、过滤棉、散热片以及其它防尘散热设备；不但大量消耗铁路的人力、物力、财力，而且降低了高铁动车组的运营效率。

同时存在人身和行车的安全隐患：1)由于上述作业都要在零点以后的几个小时内完成，时间紧张、工作量大、作业环境差，还要重叠作业，多部门配合，作业人员存在很大人身安全隐患。2)由于锁闭装置的频繁拆卸，造成锁闭器作用不良的现象时有发生，构成行车安全隐患。(如图4)

如果说过滤器堵塞还可以人为控制的话，那么，高铁高速运行时在裙板进气口产生强大的负压，如影随形；是影响高铁进气的另一顽症。并且这个负压值与高铁的运行速度，或者说进气需求量成正比；也就是说，高铁运行速度越快，设备舱的气压越低。

利用Fluent流体仿真软件进行的流体力学模拟实验显示，当列车以每小时近300公里的速度运行时，裙板进气口处产生平均—357pa负压，大大增加了进气风机的负荷，造成进气困难。由于过滤器堵塞和负压的双重作用，设备舱内的通风量严重不足，致使设备舱环境温度居高不下，甚至可达60--70℃，用这么高温度的有限空气给设备散热，并让它的温度不超过85℃,是十分困难的。

综上所述，传统过滤器基本上是对漂浮物进行被动吸附，以达到防尘效果；但只要是被动吸附，过滤器都会发生堵塞，这是传统过滤器不可克服的先天缺陷。

我国高速铁路网的南北跨度大，列车运行区域的温差较大，运行里程较长，列车设备舱内各类设备的性能直接影响到列车的行车安全和运行性能，而设备舱通风散热性能的好坏又直接影响到车下设备的正常工作和设备寿命，所以，创新除尘理念和方法，研制新型除尘通风装置是我国高铁发展亟待解决的问题。

为此本发明提供了一种用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成，解决现有除尘装置进气困难，实现设备舱内电器设备良好散热的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成，

本发明是这样实现的，一种用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成，其特征在于，所述导流体框架总成包括内框，设置在内框四周且与内框一体成型连接的安装板，所述安装板的上设有与设备舱进风口连接的安装孔；所述内框的中间位置设有中间下导流板，所述中间下导流板与内框一体成型；

所述中间下导流板将内框分隔成两个通风区，其中一个通风区为进风区，另一个通风区为出风区；

在进风区内沿内框长度方向间隔设有数个结构相同的进风下导流板，在出风区内沿内框长度方向设有相对于中间下导流板呈镜像对称的出风下导流板；所述内框的两端内侧面设有呈镜像对称的端部引流体；

上述的中间下导流板的下表面为曲面结构，分别为结构相同呈镜像对称的中间进风导流面和中间出风导流面，以及位于中间进风导流面和中间出风导流面之间的主风道导流面；

所述进风下导流板与内框一体成型，所述进风下导流板下表面的导流面是呈外弧结构的增压导流面；进风下导流板的上缘设有上定位止口，所述上定位止口至进风下导流板下表面的导流面上缘通过扰流面平滑过渡；

所述出风下导流板与内框一体成型，所述出风下导流板与进风下导流板的导流面结构相同；

在上述的中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板的上方分别固定安装中间上导流板、进风上导流板和出风上导流板；

所述中间上导流板的上表面为扰流面；

所述进风上导流板上表面从上至下依次为翼型引流面和呈凹弧结构的加速导流面；所述进风上导流板下缘设有下定位止口；所述下定位止口至加速导流面之间通过进风主风道导流面平滑过渡连接；

所述出风上导流板与上述进风上导流板的结构相同。

所述中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板和内框连接处设有连接筋；所述连接筋的两端设有端部安装套；所述中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板上表面中间位置设有中间安装套；端部安装套和中间安装套分别伸至中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板的下表面；所述端部安装套和中间安装套的下表面均设有紧固件穿装孔；所述中间上导流板、进风上导流板和出风上导流板的下表面对应端部安装套和中间安装套位置设有连接柱；所述连接柱对应插装在连接筋两端的安装套和中间安装套内，并通过穿装在紧固件穿装孔内的紧固螺钉固定连接。提高了本发明安装的牢固性和稳定性。

所述中间下导流板的端部安装套之间还是中间端部安装套。进一步提高了中间下导流板和中间上导流板之间连接的稳固性。

所述中间下导流板的主风道导流面上表面中间位置设有支撑板，对应支撑板位置中间上导流板的下表面设有支撑板定位槽。进一步提高了中间下导流板和中间上导流板之间连接的稳定性，防止中间上导流板变形。

在中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板的下表面所述端部安装套之间还设有柱状加强筋；所述柱状加强筋的下端部设有与滤网连接的连接孔。进一步提高了中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板与内框之间连接的稳固性，同时也起到与滤网的连接，保证滤网安装的稳定性。

所述内框两端的端部引流体的下表面与内框两端之间设有加强筋板，提高端部引流体与内框之间稳定性，防止其变形，同时采用加强筋和采用实心的端部引流体相比，也减轻了本发明的整体重量。

根据进风量的不同，所述中间上导流板的上表面为扰流面呈外弧结构。

所述中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板的上定位止口位置和中间上导流板、进风上导流板和出风上导流板位置设有相互配合的定位凹槽和定位凸起。

所述导流体框架总成以及滤网总成的表面涂覆有超级纳米疏水涂层。这种涂层大大降低气流通道表面的粘附力；当高铁动车组在大雪天气条件下运行时，雪花不能与通风道内的表面粘合，而迅速排回大气。所以，在下雪天气时，减少雪花在除尘器内堆积而发生堵塞，确保列车正常运行。

本发明具有以下优点和技术效果：1、在创新理念指导下，摒弃了传统被动吸附的除尘的方法，通过五种除尘方式的相互叠加、相互作用，除尘效率高。通过SGS的试验台验证实验显示，对絮状物的除尘效率可达95％以上，对颗粒物以及微尘可达85％以上。

2、性能稳定可靠，自我清洁能力强；长期使用，不会堵塞，能够实现真正意义的免维护；不但节省人力物力，而且提高了高铁的运营效率。

3、由本发明制成的通风装置和传统通风装置性比进风时，不但要克服几百帕的负压，而且还有克服除尘装置随时增加的气流阻力，而本装置不但不产生阻力，还可按进风需求设计主动供风量，并与高铁运行速度成正比。

4、通过设备舱裙板通风装置的整体布局，可以实现设备舱内的空气与大气对流循环；极大降低了设备舱内的环境温度，确保设备良好的散热效果。

5、本通风装置不但适用于沙尘天气，杨絮、柳絮等季节，而且还适用于雨、雪、雾、霾、霜等极端天气；具有自动除雪功能。

另外，本发明加工简单、安装方便、使用寿命长等优点。

附图说明

图1是导流体框架结构示意图；

图2是图1的后视图；

图3是图2的仰视图；

图4和图5是导流体框架立体结构示意图；

图6是图1中A-A剖视图；

图7是进风上导流板结构示意图；

图8和图9是进风上导流板立体结构示意图；

图10和图11是中间上导流板立体结构示意图；

图12是除尘通风装置主视图；

图13是图12的后视图；

图14是图12的仰视图；

图15是12的左视图；

图16是和图17是除尘通风装置立体结构示意图；

图18是除尘通风装置立体分解图；

图19是滤网总成结构示意图；

图20是滤网总成立体结构示意图；

图21是滤网总成立体分解图；

图22是端框结构示意图；

图23是滤网结构示意图；

图24是一个滤网波形进气孔分布图；

图25a是简化处理的通风除尘装置仿真几何模型图；

图25b是通风除尘装置原理图；

图26是通风除尘装置仿真模型网格模型；

图27是通风除尘装置车速-进风量仿真曲线图；

图28是车速50km/h工况，通风除尘装置的速度场分布图；

图29是车速120km/h工况，通风除尘装置的速度场分布图；

图30是车速200km/h工况，通风除尘装置的速度场分布图；

图31是车速250km/h工况，通风除尘装置的速度场分布图；

图32是车速300km/h工况，通风除尘装置的速度场分布图；

图33是车速350km/h工况，通风除尘装置的速度场分布图；

图34是车速400km/h工况，通风除尘装置的速度场分布图；

图35车速50km/h工况，通风除尘装置压力场分布图；

图36车速150km/h工况，通风除尘装置压力场分布图；

图37车速200km/h工况，通风除尘装置压力场分布图；

图38车速250km/h工况，通风除尘装置压力场分布图；

图39车速300km/h工况，通风除尘装置压力场分布图；

图40车速350km/h工况，通风除尘装置压力场分布图；

图41车速400km/h工况，通风除尘装置压力场分布图。

图中、10、导流体框架总成；110、内框；111、安装板；112、安装孔；113、端部引流体；120、中间下导流板；121、中间进风导流面；122、中间出风导流面；123、主风道导流面；130、进风下导流板；131、增压导流面；132、上定位止口；133、扰流面；140、出风下导流板；150、中间上导流板；160、进风上导流板；161、翼型引流面；162、加速导流面；163、下定位止口；164、进风主风道导流；170、出风上导流板；180、滤网定位台；20、滤网总成；210、滤网框；211、端框；211-1、端框本体；211-2、定位挡板；211-3、滤网插装槽；211-4、滤网定位隼；211-5、边框定位槽；211-6、端框安装板；211-7、端框安装孔；212、边框；212-1、边框安装孔；220、滤网；221、波形本体；222、凸楞；223、进气孔；224、尘埃反射面；225、集尘槽；231、连接筋；232、端部安装套；233、中间安装套；234、紧固件穿装孔；235、连接柱；236、中间端部安装套；237、支撑板；237-1、支撑板定位槽；238、柱状加强筋；239、连接孔；240、加强筋板；250、定位凹槽；251、定位凸起。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了进一步说明本发明的优点和技术特征，下面结合相关附图进行详细说明，具体请参阅图1至图11：

一种用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成，包括导流体框架总成10；所述导流体框架总成10包括内框110，设置在内框四周且与内框一体成型连接的安装板111，所述安装板的上设有与设备舱进风口连接的安装孔112；所述内框的中间位置设有中间下导流板120，所述中间下导流板与内框一体成型；

所述中间下导流板120将内框分隔成两个通风区，为实现双面进风，其中一个通风区为进风区，其进风区位于运输工具行走的方向，另一个通风区则为出风区；

在进风区内沿内框长度方向间隔设有数个结构相同的进风下导流板130；进风下导流板130的个数根据设备舱进风口的大小而设定，本实施例结构说明中设置三个，具体请参阅，图25a和25b，图25a和25b所示为最终简化处理的新型设备舱通风装置仿真几何模型。在实际检测和模拟实验时设置五个进风下导流板；在出风区内沿内框长度方向设有相对于中间下导流板呈镜像对称的出风下导流板140；所述内框110的两端内侧面设有呈镜像对称的端部引流体113；按照技术环境的不同，端部引流体的外形、角度有所不同；外形可以是平面，也可以是曲面；与装置外延形成的角度由外界气流的流速决定；原则是确保尽可能多的将外界气流引入装置的进风口，同时减少气流与引流面的分离，减少漩涡的产生。

上述的中间下导流板120的下表面为曲面结构，分别为结构相同呈镜像对称的中间进风导流面121和中间出风导流面122，以及位于中间进风导流面和中间出风导流面之间的主风道导流面123；中间下导流板与相邻的进风下导流板和出风下导流板构成进风通道和出风通道；

所述进风下导流板130与内框110一体成型，所述进风下导流板下表面的导流面是呈外弧结构的增压导流面131；这个增压导流面与相邻进风下导流板的增压导流面的几何位置的配合，形成进气通道；通过其角度、形状、与加速导流面相对关系的设计，达到调整外界气流流速与进入主通风道气流流速比例关系的目的；同时调整进气气流进入主通风道的角度，从而分配主通风道方向气流与进气道方向气流的比例关系。相当于风扇扇叶的工作面，通过这个面切割外界气流，将外界气流强行导入主通风道。进风下导流板的上缘设有上定位止口132，所述上定位止口至进风下导流板下表面的导流面上缘通过扰流面133平滑过渡；

所述出风下导流板140与内框110一体成型，所述出风下导流板与进风下导流板的导流面结构相同；

在上述的中间下导流板120、进风下导流板130和出风下导流板140的上方分别固定安装中间上导流板150、进风上导流板160和出风上导流板170；

所述中间上导流板150的上表面为扰流面所述中间上导流板的上表面为扰流面呈外弧结构；

所述进风上导流板160上表面从上至下依次为翼型引流面161和呈凹弧结构的加速导流面162；其中翼型引流面161与外界气流呈小角度，一般7-9度为宜；给予外界气流一定的迎面阻力，使其运行速度适当加快，压力减小；但考虑进气道风机的主动吸风的影响，角度可以适当加大；但原则是进气时外界气流与引流面不会出现分离，最大限度的将外界气流引入进气道。上述的加速导流面，加速导流面与相邻叶片式导流体的进风导流面的几何位置的配合，形成进气通道；通过其角度、形状、与加速导流面关系的调整，达到调整外界气流流速与进入主通风道气流流速比例关系的目的；同时调整进气气流进入主通风道的角度，从而分配主通风道方向气流与进气道方向气流的比例关系。所述进风上导流板下缘设有下定位止口163；所述下定位止口至加速导流面162之间通过进风主风道导流面164平滑过渡连接；

所述出风上导流板160与上述进风上导流板170的结构相同。

本发明是对传统的除尘理念及除尘方法的创新，安装完成后上述相邻的中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板和中间上导流板、进风上导流板和出风上导流板形成进风道和出风道；滤网总成与导流体框架总成围合呈与主风道和出风道连通的主风道，它克服了传统过滤器被动吸附的缺点，利用了高铁动车组运行时，在裙板进气口处产生的最便捷能源——强大的反向气流，将漂浮物与进气气流自行分离，分离后的漂浮物在主通风道气流裹挟下排回大气；同时，在导流板的导流面作用下，过滤网处气压增高，形成高压区，实现向设备舱的主动供风。

所述中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板和内框连接处设有连接筋231；所述连接筋的两端设有端部安装套232；所述中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板上表面中间位置设有中间安装套233；端部安装套和中间安装套分别伸至中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板的下表面；所述端部安装套232和中间安装套233的下表面均设有紧固件穿装孔234；所述中间上导流板、进风上导流板和出风上导流板的下表面对应端部安装套和中间安装套位置设有连接柱235；所述连接柱对应插装在连接筋两端的安装套和中间安装套内，并通过穿装在紧固件穿装孔内的紧固螺钉固定连接。提高了本发明安装的牢固性和稳定性。

所述中间下导流板的端部安装套之间还是中间端部安装套236。进一步提高了中间下导流板和中间上导流板之间连接的稳固性。

所述中间下导流板的主风道导流面上表面中间位置设有支撑板237，对应支撑板位置中间上导流板的下表面设有支撑板定位槽237-1。进一步提高了中间下导流板和中间上导流板之间连接的稳定性，防止中间上导流板变形。

在中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板的下表面所述端部安装套232之间还设有柱状加强筋238，所述柱状加强筋的下端部设有与滤网连接的连接孔239。进一步提高了中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板与内框之间连接的稳固性。

所述内框两端的端部引流体的下表面与内框两端之间设有加强筋板240，提高端部引流体与内框之间稳定性，防止其变形，同时采用加强筋和采用实心的端部引流体相比，也减轻了本发明的整体重量。

所述中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板的上定位止口位置和中间上导流板、进风上导流板和出风上导流板位置设有相互配合的定位凹槽250和定位凸起251。

本发明在实际使用时其内配置滤网总成，形成通风除尘装置，实现除尘和通风的效果，本实施例中，所述滤网总成采用如下技术方案。具体请参阅图12至图18：

所述滤网总成20通过紧固件安装在中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板的下方导流体框架总成的内框上的滤网定位台180上；所述滤网总成包括滤网框210和滤网220；

所述的滤网框210包括两个端框211和两个边框212，所述端框和边框采用分体结构；

所述端框211包括端框本体211-1，所述端框本体的两端设有定位挡板211-2，两个定位挡板之间所述端框本体的内侧面采用与滤网端部圆弧结构一致的圆弧面，所述圆弧面上沿端框本体宽度方向设有与波形过滤网波形一致的滤网插装槽211-3，所述滤网插装槽内设有与端框本体一体的滤网定位隼211-4，所述滤网定位隼插装在波形滤网内，并通过粘合剂与波形滤网固定连接；所述端框的两端设有边框定位槽211-5，靠近边框定位槽设有端框安装板211-6，所述端框安装上设有端框安装孔211-7；

所述边框212为条状结构，所述边框的两端插装在两个端框相对应的边框定位槽211-5内，并且边框的下表面搭在所述端框安装板211-6上，所述边框上设有端框安装孔，滤网安装孔对应的边框安装孔212-1；

所述过滤网220为波形过滤网，包括波形本体221，所述波形本体的侧面上沿波峰至波谷方向间隔设有凸楞222，在相邻的凸楞之间沿波峰至波谷方向设有数个进气孔223；进气孔223的直径约2mm，确保2mm以上的漂浮物不得进入设备舱，散热片不会堵塞。由于在整片过滤网上将近上万个这样的进气孔，为了简化图纸给出一个波形上的进气孔分布图，请参阅图24；所述凸楞的截面成三角形结构，凸楞上部的两侧面设有尘埃反射面224；当漂浮物贴近进气孔前，撞击在小角度斜面上发生弹射，急速避开进气孔，为进气孔创造了洁净空气层，确保了进气的清洁。反射面优选倾角为30～60°；在实际列车高速运行是在两个相邻的凸楞之间将形成气体洁净空间。

所述波形过滤网的波谷上设有集尘槽225。集尘槽位于峰波过滤网的底部，由对称的两个集尘反射面组成；当外界气流以一定角度从导流体进气口进入主通风道时，其中气流裹挟的比较轻的漂浮物比如柳絮，会顺着主通风道前行排出；但比较重的颗粒物比如沙粒等，由于惯性较大会触底；这时颗粒物在集尘槽斜面的作用下，颗粒物不会被弹射到进气孔处，而是顺着集尘槽方向排回大气。

所述导流体框架总成以及滤网总成的表面涂覆有超级纳米疏水涂层。这种涂层大大降低气流通道表面的粘附力；当高铁动车组在大雪天气条件下运行时，雪花不能与通风道内的表面粘合，而迅速排回大气。所以，在下雪天气时，减少雪花在除尘器内堆积而发生堵塞，确保列车正常运行。

将上述通风除尘装置应用在高铁上，对该通风除尘装置在不同运行车速工况下的动态流场特性进行流体力学仿真分析，主要就通风装置的动态车速-风量关系，以及典型截面的速度场、压力场等进行了综合分析。

数值仿真采用流体仿真软件Star-CCM+，完成了网格划分、边界设置、数值计算、结果后处理等整个流体仿真过程，数值计算采用高性能集群服务器完成。仿真分析参考如下标准进行：GB/T 10178-2006《工业通风机现场性能试验》。流场特性仿真分析报告编号：GYJS-2019-015

对通风除尘装置流场进行仿真计算，建立包括进气导流结构、峰波过滤网以及除尘器框架等在内的通风装置三维仿真几何模型，采用六面体网格离散计算域，对通风装置的动态车速-风量曲线，不同典型截面速度场、压力场等进行了仿真计算及分析。仿真结果表明，通风除尘装置进、排气流顺畅，阻力小，进风导流结构迎风侧及过滤网处于高压区，利于设备舱进风并排出沙尘、柳絮等漂浮物，通风除尘装置整体技术方案满足高速动车组设备舱通风应用的要求。

一、仿真几何模型：

通风除尘装置动态流场特性仿真分析采用三维全流场几何模型，仿真几何模型包括车外空间流场区域、通风装置、设备舱空间流场区域。为真实反映通风装置内部流场的流动特征，流体仿真几何模型在构建过程中对进气导流结构、峰波过滤网以及框架等对流场影响较大的结构及细节特征进行了保留，对通风装置内外流场区域进行了适当简化，对内外流场区域进行了适当延伸扩大。

二、仿真网格模型

网格是流体数值模拟与分析的载体。网格质量对计算精度和计算效率有重要影响。对于复杂的问题，网格生成极为耗时，且极易出错，生成网格所需时间常常大于实际数值计算的时间。

在进行实际问题的模拟时，要经过反复的调试和比较，才能获得适合于所计算具体问题的网格。可以说高质量的网格是实现数值模拟成功的首要条件，过密或过疏的网格都是应该避免的。过疏的网格往往导致得出不精确甚至完全错误的解，在一定情况下使计算结果不收敛；而过密的网格使得计算量大幅度的增加，对计算机的硬件要求较高，计算时间也较长。一般情况下，我们对微分方程的求解给出的都是近似解，为使数值解更接近于真实解，网格节点的数目要求足够多，直到随着网格数目的增加，计算结果不再有显著的变化为止(即获得网格无关性解)。此外，在满足网格足够细密的基础上，应该尽量减少网格数量以减少计算量，提高收敛的稳定性。在参数(压力、速度等)梯度较大的地方，网格必须保证足够细密，并相应减少梯度小的区域的网格数。

对整个通风装置计算域的空间离散需要生成计算网格模型。网格模型中的网格类型、网格尺寸及质量等对仿真结果的准确性具有较大影响。处理网格模型时需要在满足计算硬件要求的基础上合理控制网格数量及质量，在保证仿真精度的基础上缩短仿真计算时间。计算网格按照网格节点之间的邻接关系可以分为结构化网格、非结构化网格和混合型网格三大类。结构化网格中节点排列有序、相邻结点间的关系明确。对于复杂的几何区域，结构网格可以分块构造，这就形成了块结构网格。非结构化网格中，节点的位置无法用一个固定的法则予以有序地命名。

运用Star-CCM+自带的网格处理模块，采用六面体Trimmer网格进行整个通风装置计算域的空间离散。在网格划分过程中，对进气导流结构、峰波过滤网以及除尘器等几何尺寸较小、对流动特性影响较大的结构进行网格加密处理，对于数据梯度变化不大的区域，网格尺寸适当放大。

整个通风装置计算域体网格模型如图26所示，从体网格疏密分布可以看出，体网格分布疏密有致，使得网格数量和质量得到了很好的控制，最终六面体网格数量总数约231万。为了针对不同几何结构设置不同的网格尺寸，需要将整个流体计算域的不同部分单独定义出来。首先进出口等进出口边界需要单独定义，其次导流结构、过滤网等几何尺寸较小，网格尺寸需要单独加密的部分也需要单独定义。

三.数值算法及边界条件

3.1数值算法

计算流体动力学数值模拟属计算流体力学范畴(Computational FluidDynamics，简称CFD)，即用数值计算方法求解描述流场流动方程组，获得流场有关信息。数值模拟计算不受试验固有条件约束的影响，可以将各种现象或条件分别考虑，深入认识各种流动现象的机理，得到非线性问题的定量结果，在工程设计过程中通过计算能得到大量流场信息，研究周期短、费用低，是轨道交通车辆设备舱通风装置研究的一种重要手段。

轨道交通车辆设备舱通风装置内外流场为三维粘性定常的不可压缩湍流流场，湍流模型采用Realizable k-ε湍流模型，其控制方程的运输方程形式为：

式中：t为时间，ρ为空气密度，u为速度矢量，为流场通量，Γ为扩散系数，S为源项。

雷诺应力模型和涡粘性模型中的k-ε两方程模型，特别是k-ε两方程模型，在空调通风系统空气流动的湍流数值模拟中应用最为广泛。本文湍流的模拟采用k-ε湍流模型。κ-ε湍流模型也是一种涡粘性模型，它和代数模型的主要差别是κ-ε湍流模型的涡粘性系数μt包含了部分历史效应，将涡粘性系数和湍流动能与湍流动能的耗散率联系在一起：

式中：μi为涡粘性系数；k为湍流动能；ε湍流耗散率；Cμ为湍流常数，一般情况下取Cμ＝0.09。

湍流动能k方程为：

湍流耗散率ε方程为：

式中：υ空气运动粘度，v＝μ/ρ，v i为层流运动粘度，v i为湍流运动粘度，

C 1、C 2、σk、σε为经验常数，参考近几年已发表的文献，本文计算时取值如下：C1＝1.47，C2＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.33。

控制方程方面，与空间相关的扩散项均采用二阶中心差分格式离散，对流项采用二阶迎风格式离散。

采用SIMPLE算法实现速度与压力之间的耦合。采用分离式隐式方案求解三维时均雷诺N-S方程。

3.2边界条件

所有计算流体力学问题的求解都需要一定的边界条件。所谓边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律。只有给定了合理边界条件的问题，才可能计算得出流场的解。因此，边界条件是使计算流体力学问题有定解的必要条件，任何一个计算流体力学问题都不可能没有边界条件。而数值计算结果好坏的关键，常常取决于对特定物理问题抽象概括出什么样的边界条件以及如何将既定的边界条件施加到计算网格上。

流动边界条件按进出口分别考虑，各自的解决办法都不一致。流动进口条件是指在进口边界上，指定流动参数的情况。常用的流动进口边界条件包括速度进口、压力进口和质量进口边界条件；流动出口边界条件是指在流动出口(几何出口位置)上给定流动参数，包括速度、压力等。使用流动进出口边界条件时，要对绝对压力、湍流动能及耗散率等流动参数进行设置。在应用k-ε湍流模型时，必须对进出口处边界的湍动能k和耗散率ε的初始值进行设置，一般情况下可以根据实验确定。边界条件在设置时要保证边界设在合适的位置，选择合适的边界条件，同时还要不让边界条件过约束或欠约束。

轨道交通车辆设备舱通风装置全流场计算域进口采用速度进口边界，风速为模拟车辆运行速度，分别是50km/h，120km/h，200km/h，250km/h，300km/h，350km/h，400km/h。计算域出口包括车外流场域出口和设备舱流场域出口，都采用压力出口边界，初始压力为一个大气压，即1.01325×105Pa。

通风装置固体壁面都采用无滑移Wall边界条件。无滑移边界条件假定固体壁面上流体质点的速度和固体壁面的速度相等，即：壁面的流体速度与壁面处的速度相同，当壁面静止时，壁面处速度为0；邻近固体壁面的区域采用壁面函数法。

四、仿真结果

4.1车速-风量曲线

表1所示为新型设备舱通风装置在50km/h，120km/h，200km/h，250km/h，300km/h，350km/h，400km/h不同运行车速工况下的进风量仿真结果。

图27所示为新型设备舱通风装置车速-进风量仿真曲线，可以看出，随着车速的增加，进风量增加显著，而且风量数值较大，说明通风除尘装置对设备舱进风非常有利。

选取图25典型截面进行速度场分析。图28～图35所示为50km/h，120km/h，200km/h，250km/h，300km/h，350km/h，400km/h不同运行车速工况下截面1的速度场分布。可以看出，迎风侧气流在进风导流结构影响下较为顺畅的进入通风装置，一部分气流经过导流结构后面得滤网后进入设备舱，一部分气流从下风侧导流结构流出设备舱，而下风侧流出气流在多种导流结构影响下流出顺畅。

流入设备舱气流在过渡网后挡板的影响下，从两侧流入设备舱。挡板的存在一方面有利于气流均匀扰流过滤网，提高过滤效率，利于除尘，另一方面有利于部分气流从下风侧顺畅流出，带走漂浮物。

4.3压力场

选取图27所示的新型设备舱通风装置内两个典型截面进行压力场分析。图35～图41所示为50km/h，120km/h，200km/h，250km/h，300km/h，350km/h，400km/h不同运行车速工况下的压力场分布。可以看出，通风除尘装置进风导流结构迎风侧及过滤网处于高压区，一方面利于进风侧通风装置进风，另一方面利于出风侧通风装置出风，从而进一步有利于沙尘、柳絮等漂浮物的过滤及排出。

5.结论

对新型设备舱通风装置流场进行仿真计算，建立包括进气导流结构、峰波过滤网以及除尘器框架等在内的通风装置三维仿真几何模型，采用六面体网格离散计算域，采用分离式隐式方案求解三维时均N-S方程，对通风装置的动态车速-风量曲线，不同典型截面速度场、压力场等进行了仿真计算及分析，可以得出如下结论：

1)通风除尘装置进、排气流顺畅，阻力小，随着车速的增加，进风量增加显著，通风除尘装置对设备舱进风非常有利。

2)通风除尘装置进风导流结构迎风侧及过滤网处于高压区，利于通风装置进风和出风，从而进一步有利于沙尘、柳絮等漂浮物的过滤及排出。

综合对该新型设备舱通风装置的各项仿真结果表明，通风除尘装置整体技术方案满足高速动车组设备舱通风的要求。

综上所述，通风除尘装置利用了高速动车组运行时，在裙板进气口处产生强大的反向气流，通过导流体组按一定角度进入主通道后，被导流、加压。气流的冲力可分解成两个方向的分力，其中一部分是垂直于网面的分力，这股分力不但解决传统进气产生强大负压、增加进气阻力的顽症问题，还能实现正向进风。另一部分的分力，平行于峰波过滤网平面，也就是垂直于进风孔，气流以大于进气孔进气速度数倍的速度，在极短的时间内横向通过进风凹孔，气流中裹挟的沙尘、柳絮等物具有很高的动能，进风孔进风时产生的吸力，不足以克服沙尘、柳絮的运动惯性，不能改变这些有害物的运动轨迹，再加上孔前斜面对沙尘颗粒的强力弹射作用，所以，也就不能被进风孔吸入，从而实现了高效自动除尘的目的。

通风除尘装置具有以下优点和技术效果：1、在创新理念指导下，摒弃了传统被动吸附的除尘的方法，通过五种除尘方式的相互叠加、相互作用，除尘效率高。通过SGS的试验台验证实验显示，对絮状物的除尘效率可达95％以上，对颗粒物以及微尘可达85％以上。

2、性能稳定可靠，自我清洁能力强；长期使用，不会堵塞，能够实现真正意义的免维护；不但节省人力物力，而且提高了高铁的运营效率。

3、传统通风装置进风时，不但要克服几百帕的负压，而且还有克服除尘装置随时增加的气流阻力，而本装置不但不产生阻力，还可按进风需求设计主动供风量，并与高铁运行速度成正比。

4、通过设备舱裙板通风装置的整体布局，可以实现设备舱内的空气与大气对流循环；极大降低了设备舱内的环境温度，确保设备良好的散热效果。

5、本通风装置不但适用于沙尘天气，杨絮、柳絮等季节，而且还适用于雨、雪、雾、霾、霜等极端天气；具有自动除雪功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成；其特征在于，该导流体框架总成包括内框，设置在内框四周且与内框一体成型连接的安装板，所述安装板的上设有与设备舱进风口连接的安装孔；所述内框的中间位置设有中间下导流板，所述中间下导流板与内框一体成型；

所述中间下导流板将内框分隔成两个通风区，其中一个通风区为进风区，另一个通风区为出风区；

在进风区内沿内框长度方向间隔设有数个结构相同的进风下导流板；在出风区内沿内框长度方向设有相对于中间下导流板呈镜像对称的出风下导流板；所述内框的两端内侧面设有呈镜像对称的端部导流体；

上述的中间下导流板的下表面为曲面结构，分别为结构相同呈镜像对称的中间进风导流面和中间出风导流面，以及位于中间进风导流面和中间出风导流面之间的主风道导流面；

所述进风下导流板与内框一体成型，所述进风下导流板下表面的导流面是呈外弧结构的增压导流面；进风下导流板的上缘设有上定位止口，所述上定位止口至进风下导流板下表面的导流面上缘通过扰流面平滑过渡；

所述出风下导流板与内框一体成型，所述出风下导流板与进风下导流板的导流面结构相同；

在上述的中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板的上方分别固定安装中间上导流板、进风上导流板和出风上导流板；

所述中间上导流板的上表面为扰流面；

所述进风上导流板上表面从上至下依次为翼型引流面和呈凹弧结构的加速导流面；所述进风上导流板下缘设有下定位止口；所述下定位止口至加速导流面之间通过进风主风道导流面平滑过渡连接；

所述出风上导流板与上述进风上导流板的结构相同。

2.根据权利要求1所述的用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成，其特征在于：所述中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板和内框连接处设有连接筋；所述连接筋的两端设有端部安装套；所述中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板上表面中间位置设有中间安装套；端部安装套和中间安装套分别伸至中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板的下表面；所述端部安装套和中间安装套的下表面均设有紧固件穿装孔；所述中间上导流板、进风上导流板和出风上导流板的下表面对应端部安装套和中间安装套位置设有连接柱；所述连接柱对应插装在连接筋两端的安装套和中间安装套内，并通过穿装在紧固件穿装孔内的紧固螺钉固定连接。

3.根据权利要求2所述的用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成，其特征在于：所述中间下导流板的端部安装套之间还是中间端部安装套。

4.根据权利要求2所述的用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成，其特征在于：所述中间下导流板的主风道导流面上表面中间位置设有支撑板，对应支撑板位置中间上导流板的下表面设有支撑板定位槽。

5.根据权利要求2所述的用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成，其特征在于：在中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板的下表面所述端部安装套之间还设有柱状加强筋，所述柱状加强筋的下端部设有与滤网连接的连接孔。

6.根据权利要求1所述的用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成，其特征在于：所述内框两端的端部导流体的下表面与内框两端之间设有加强筋板。

7.根据权利要求1所述的用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成，其特征在于：所述中间上导流板的上表面为扰流面呈外弧结构。

8.根据权利要求1所述的用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成，其特征在于：所述中间下导流板、进风下导流板和出风下导流板的上定位止口位置和中间上导流板、进风上导流板和出风上导流板位置设有相互配合的定位凹槽和定位凸起。

9.根据权利要求1所述的用于运输工具除尘装置上的导流体框架总成，其特征在于：所述导流体框架总成表面涂覆有超级纳米疏水涂层。