CN111611649A - 一种列车客室病原体传播机理数值仿真方法 - Google Patents

一种列车客室病原体传播机理数值仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种列车客室病原体传播机理数值仿真方法，包括：获得列车三维模型；将列车三维模型导入网格离散软件，对列车三维模型中的列车客室内流场空间和列车客室内饰进行网格划分，获得列车内流场离散模型；将列车内流场离散模型导入CFD仿真软件并进行边界条件设置，获得列车内流场数学计算模型；针对列车内流场数学计算模型，设定内流场送风模式，在列车客室内流场的气体连续相达到稳定之后，利用离散相模型从液体入口处加入液体离散相，在内流场的不同位置注入不同粒径的水滴，开启蒸发模型，实时追踪水滴粒子的轨迹及水滴粒子的粒径变化。本发明通过数值仿真方法可得到不同条件下的客室内带病原体微团传播机理，耗时短，成本低。

Description

一种列车客室病原体传播机理数值仿真方法
技术领域
本发明属于试验方法领域，特别涉及一种列车客室病原体传播机理数值仿真方法。
背景技术
当前，病原体微团在封闭列车客室内的传播机理还没有完全掌握，全部通过试验去完成传播机理研究代价太大，因此进一步通过数值仿真的方法来研究病原体的传播机理是十分有必要的。
列车客室内的环境相对是一个比较特殊的环境，因此病原体在列车客室内的传播机理与飞机、邮轮等交通工具有所不同。另外对于不同型号的列车，其病原体的传播机理也存在着一定的差异，因此在数值仿真病原体的传播机理时，应该系统地研究不同型号和不同工况下运行的列车。
目前，现有技术中没有关于高速列车客室内病原体传播机理的仿真方法，一般是通过试验方法获得列车客室内病原体传播机理，耗时长，成本高。
因此，为了快速经济的对列车客室内病原体微团传播机理进行研究，亟待进行相关的仿真工作。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中使用试验方法研究列车客室内病原体传播机理耗时长、成本高的不足，提供一种列车客室病原体传播机理数值仿真方法，耗时短，成本低。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种列车客室病原体传播机理数值仿真方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一，对列车进行三维建模，获得列车三维模型；
步骤二，将列车三维模型导入网格离散软件，并利用网格离散软件对列车三维模型中的列车客室内流场空间和列车客室内饰进行网格划分，获得列车内流场离散模型；
步骤三，将从网格离散软件中导出的列车内流场离散模型导入 CFD仿真软件，并在CFD仿真软件内对列车内流场离散模型进行边界条件设置，获得列车内流场数学计算模型；
步骤四，针对列车内流场数学计算模型，设定内流场送风模式，在列车客室内流场的气体连续相达到稳定之后，利用离散相模型从液体入口处加入液体离散相，在内流场的不同位置注入不同粒径的水滴，开启蒸发模型，实时追踪水滴粒子的轨迹及水滴粒子的粒径变化。
进一步地，步骤四中，在内流场的不同位置注入不同粒径的水滴后，对列车内流场数学计算模型中的扩散项采用二阶精度的中心差分格式，对列车内流场数学计算模型中流项离散的差分格式采用具有二阶精度的QUICK格式。
作为一种优选方式，步骤四中，应用雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型计算不同水滴粒子粒径大小、不同产生位置的水滴在列车客室内的运动规律。
作为一种优选方式，步骤三中，边界条件设置规则为：内流场进口采用速度进口条件，内流场出口设为压力出口，内流场近壁面处采用标准壁面函数，内流场固壁面上的各节点采用绝热无滑移壁面边界条件。
作为一种优选方式，步骤四中的送风模式为新风模式、回风风量变化模式、内循环模式、无回风模式、冬季送风模式或夏季送风模式。
作为一种优选方式，所述步骤4中，在列车客室内流场的气体连续相达到稳定之后，首先，通过UDF程序调用DPM飞沫离散相模型，在内流场的不同位置注入不同粒径的水滴模拟病原体微团，并形成高速列车内流场飞沫运动模型；然后，通过UDF程序控制蒸发相关参数并开启蒸发模型，进入飞沫蒸发模式，并且通过UDF程序跟踪记录飞沫蒸发特性和飞沫蒸发规律。
借由上述方法，本发明将飞沫蒸发模型与高速列车客室内流场数值仿真计算结合，高度还原液态飞沫在客室复杂环境中，在蒸发相关参数(如气流、温度、气压等)作用下的运动、蒸发特性与蒸发规律。
进一步地，所述步骤4中还包括，飞沫蒸发形成飞沫核后，利用 UDF程序连续追踪飞沫核运动，计算飞沫和飞沫核的运动轨迹。
作为一种优选方式，所述蒸发相关参数包括气流、温度、气压中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明通过数值仿真方法可得到不同条件下的客室内带病原体微团传播机理，从而可避免大量相应的试验研究，对早日理清列车客室内带病原体微团传播机理，提高列车客室内环境的公共卫生安全等级研究有很大的时间和经济效益。
附图说明
图1为水滴粒子的轨迹及水滴粒子的粒径变化追踪原理图。
具体实施方式
以型号为CR400BF的中国标准动车组为例，对本发明所述的列车客室病原体传播机理数值仿真方法做进一步说明如下：
本发明所述的列车客室病原体传播机理数值仿真方法包括以下步骤：
步骤一，利用三维CAD软件依据真实车型全尺寸数据对列车进行三维建模，整车长L＝25.0m，车宽W＝3.4m，车高H＝4m。从三维CAD软件导出列车三维模型。
步骤二，将列车三维模型导入网格离散软件，并利用网格离散软件，采用非结构(密集)/笛卡尔网格方法对列车三维模型中的列车客室内流场空间和列车客室内饰(为了真实模拟车内情况，对车内的座椅等设施也要进行精细的网格划分)进行非结构网格离散划分。通过非结构网格划分，获得接近于真实情况的列车内流场离散模型。离散后的非结构网格总数为1.2×108。
步骤三，将从网格离散软件中导出的列车内流场离散模型导入 CFD仿真软件ANSYS Fluent，并在CFD仿真软件内对列车内流场离散模型进行边界条件设置，获得列车内流场数学计算模型。边界条件设置规则为：内流场进口采用速度进口条件，内流场出口设为压力出口，内流场近壁面处采用标准壁面函数，内流场固壁面上的各节点采用绝热无滑移壁面边界条件。从而将列车内流场问题简化为不可压缩、非定常流动来处理。
步骤四，针对列车内流场数学计算模型，设定内流场送风模式，在列车客室内流场的气体连续相达到稳定之后，利用离散相模型从液体入口处加入液体离散相，在内流场的不同位置注入不同粒径的水滴 (1微米-400微米)，模拟带病原体微团，通过不同粒径的水滴模拟带病原体微团，然后开启蒸发模型，实时追踪水滴粒子的轨迹及水滴粒子的粒径变化。对于离散相，由于气液体积比达到1000∶1，可通过增加射流压强提高液体横向射流贯穿深度。
离散相模型可以模拟不同大小的水滴(并且水滴之间没有相互关联，独自运动)在空间运动的规律，从而模拟仿真得出病原体的传播机理。
步骤四中，在内流场的不同位置注入不同粒径的水滴后，对列车内流场数学计算模型中的扩散项采用二阶精度的中心差分格式，对列车内流场数学计算模型中流项离散的差分格式采用具有二阶精度的 QUICK格式。
步骤四中，应用雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型计算不同水滴粒子粒径大小、不同产生位置的水滴在列车客室内的运动规律。在CFD软件中，基于雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型建立客室内流场的三维数学计算模型，时间迭代方法采用非稳态算法，且基于非正交曲线坐标下求解可压缩SIMPLE算法。
步骤四中的送风模式为新风模式、回风风量变化模式、内循环模式、无回风模式、冬季送风模式或夏季送风模式。
利用离散相模型从液体入口处加入液体离散相，在内流场的不同位置注入不同粒径的水滴；在CFD软件中设置各种送风模式均属于现有技术，在此不作赘述。
对于特殊车型，需要仿真计算冬季送风模式和夏季送风模式。
基于本发明所述的数值仿真方法，可获得不同送风模式下的液滴运动规律，得到不同条件下的列车客室内带病原体微团的传播机理。
如图1所示，所述步骤4中，在列车客室内流场的气体连续相达到稳定之后，首先，通过UDF程序调用DPM飞沫离散相模型，在内流场的不同位置注入不同粒径的水滴模拟病原体微团，并形成高速列车内流场飞沫运动模型；然后，通过UDF程序控制蒸发相关参数 (气流、温度、气压)并开启蒸发模型，进入飞沫蒸发模式，并且通过UDF程序跟踪记录飞沫蒸发特性和飞沫蒸发规律。飞沫蒸发形成飞沫核后，利用UDF程序连续追踪飞沫核运动，计算飞沫和飞沫核的运动轨迹。
本发明将飞沫蒸发模型与高速列车客室内流场数值仿真计算结合，高度还原液态飞沫在客室复杂环境中，在气流、温度、气压共同作用下的运动、蒸发特性与蒸发规律。同时，针对飞沫蒸发后形成飞沫核的现象，具备时空连续追踪计算飞沫与飞沫核运动轨迹的功能。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种列车客室病原体传播机理数值仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，对列车进行三维建模，获得列车三维模型；
步骤二，将列车三维模型导入网格离散软件，并利用网格离散软件对列车三维模型中的列车客室内流场空间和列车客室内饰进行网格划分，获得列车内流场离散模型；
步骤三，将从网格离散软件中导出的列车内流场离散模型导入CFD仿真软件，并在CFD仿真软件内对列车内流场离散模型进行边界条件设置，获得列车内流场数学计算模型；
步骤四，针对列车内流场数学计算模型，设定内流场送风模式，在列车客室内流场的气体连续相达到稳定之后，利用离散相模型从液体入口处加入液体离散相，在内流场的不同位置注入不同粒径的水滴，开启蒸发模型，实时追踪水滴粒子的轨迹及水滴粒子的粒径变化。
2.如权利要求1所述的列车客室病原体传播机理数值仿真方法，其特征在于，步骤四中，在内流场的不同位置注入不同粒径的水滴后，对列车内流场数学计算模型中的扩散项采用二阶精度的中心差分格式，对列车内流场数学计算模型中流项离散的差分格式采用具有二阶精度的QUICK格式。
3.如权利要求1所述的列车客室病原体传播机理数值仿真方法，其特征在于，步骤四中，应用雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型计算不同水滴粒子粒径大小、不同产生位置的水滴在列车客室内的运动规律。
4.如权利要求1所述的列车客室病原体传播机理数值仿真方法，其特征在于，步骤三中，边界条件设置规则为：内流场进口采用速度进口条件，内流场出口设为压力出口，内流场近壁面处采用标准壁面函数，内流场固壁面上的各节点采用绝热无滑移壁面边界条件。
5.如权利要求1所述的列车客室病原体传播机理数值仿真方法，其特征在于，步骤四中的送风模式为新风模式、回风风量变化模式、内循环模式、无回风模式、冬季送风模式或夏季送风模式。
6.如权利要求1所述的列车客室病原体传播机理数值仿真方法，其特征在于，所述步骤4中，在列车客室内流场的气体连续相达到稳定之后，首先，通过UDF程序调用DPM飞沫离散相模型，在内流场的不同位置注入不同粒径的水滴模拟病原体微团，并形成高速列车内流场飞沫运动模型；然后，通过UDF程序控制蒸发相关参数并开启蒸发模型，进入飞沫蒸发模式，并且通过UDF程序跟踪记录飞沫蒸发特性和飞沫蒸发规律。
7.如权利要求6所述的列车客室病原体传播机理数值仿真方法，其特征在于，所述步骤4中还包括，飞沫蒸发形成飞沫核后，利用UDF程序连续追踪飞沫核运动，计算飞沫和飞沫核的运动轨迹。
8.如权利要求6所述的列车客室病原体传播机理数值仿真方法，其特征在于，所述蒸发相关参数包括气流、温度、气压中的一种或多种。
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