CN116992784B - 一种高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法，构建外部压力波动模拟区域、列车车厢区域以及连接外部压力波动模拟区域和列车车厢区域的高静压风机代理模型区域的计算区域模型；通过使用网格划分软件，将构建的计算区域模型进行离散化，将网格导入到相关流体力学仿真软件中进行计算，再根据预定义的边界条件参数对计算区域进行边界条件设置；在外部压力波动模拟区域压力入口面通过自定义函数输入随时间变化的压力波动；外部压力波动模拟区域压力出口面压力值设置为固定值；分别在外部压力波动模拟区域和列车车厢区域内设置压力测点，监测压力随时间的变化，即可分析高静压风机的动态密封性能。

Description

一种高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法
技术领域
本发明涉及高速列车技术领域，尤其涉及一种高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法。
背景技术
高速列车通过隧道时会产生巨大的压力波动，剧烈的压力波动会通过车体缝隙和送风管道等进入车内，造成车内乘员耳部不适。为了抵抗外部压力波动，高速列车常配备有压力保护装置，其中基于高静压风机的主动式压力保护装置除了能有效抵抗外部压力进入车内外，在维持车内空气质量上具有一定的优势。
目前关于高速列车高静压风机的研究大多基于理论公式和实验对高静压风机抑控车内外压力传播的能力开展相关工作。其中现有理论模型常需要实验数据进行修正，且计算精度欠佳；实验研究则需要消耗大量的人力和物力，无法系统开展高静压风机气密能力的研究。而数值计算方法可以较为系统地研究高静压风机的密封能力，但是目前尚未有相关学者采用数值计算方法对高速列车高静压风机的压力抑控能力展开研究，主要原因是高静压风机的内部结构复杂，很难对其进行建模和网格离散化以开展高静压风机抑控压力传递的数值计算。
发明内容
本发明提供了一种高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法，用以解决现有高静压风机建模困难导致难以开展高静压风机抑控压力传递的数值计算的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法，包括以下步骤：
S1、建立计算区域模型：构建外部压力波动模拟区域模型、列车车厢区域模型以及高静压风机代理模型。
外部压力波动模拟区域模型为长方体，前表面为压力入口，后表面为压力出口，四周面为无滑移壁面；高静压风机代理模型用于模拟实际高静压风机的新风供应和废排排出功能；外部压力波动模拟区域模型和列车车厢区域模型之间通过高静压风机代理模型连通。
S2、进行数值计算并设置计算区域模型边界条件：通过使用网格划分软件，将S1中所构建的计算区域模型进行离散化，将网格导入到相关流体力学仿真软件中进行计算，再根据预定义的边界条件参数对计算区域进行边界条件设置。
S3、设置实验变量条件：在外部压力波动模拟区域模型压力入口面通过自定义函数输入随时间变化的压力波动；外部压力波动模拟区域模型压力出口面压力值设置为固定值。
S4、监测压力并分析模型的动态密封性能：分别在外部压力波动模拟区域模型和列车车厢区域模型内设置压力测点，监测压力随时间的变化，即可分析高静压风机的动态密封性能。
优选的，高静压风机代理模型包括新风供应区域和废排排出区域两个形状和大小一致的长方体区域。
新风供应区域上表面为基于压力跳跃的风机面，下表面为多孔介质面，其余四周面为无滑移壁面；废排排出区域上表面为多孔介质面，下表面为基于压力跳跃的风机面，其余四周面为无滑移壁面。
列车车厢区域模型为长方体，所有面均设置为无滑移壁面。
优选的，新风供应区域的上表面和废排排出区域的上表面连接至外部压力波动模拟区域模型的无滑移壁面，新风供应区域的下表面和废排排出区域的下表面连接至列车车厢区域模型；新风供应区域和废排排出区域之间互相独立。
优选的，在S2中，预定义的边界条件参数：
外部压力波动模拟区域模型的长≥20m，宽≥10m，高≥10m。
高静压风机代理模型高的取值范围为0.1m～0.4m，风机面和多孔介质面面积的取值范围为0.02m2～0.1m2。
列车车厢区域模型的长宽高数据选择常规列车车厢的数据。
优选的，高静压风机代理模型中，气流从风机面进入口受到多孔介质的阻碍，在管道内形成的高静压，高静压与多孔介质面流速的关系式为：
其中，ΔP为静压，C2为惯性阻力系数，β为多孔介质厚度，ρ为空气密度，v为流速，μ为动力粘度，1/α为粘性阻力系数。
在S2中，将网格导入到相关流体力学仿真软件中进行计算时，C2和1/α通过实际高静压风机稳定运行时的静压和送风量以及式(a)进行确定，β选择常用值。
优选的，在S2中，将网格导入到相关流体力学仿真软件中进行计算时，风机面的参数可基于实际风机性能曲线在数值模拟中输入。
本发明具有以下有益效果：
本发明的高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法中，建立的高静压风机代理模型用于模拟实际高静压风机的新风供应和废排排出功能，通过对高静压风机进行大幅简化的建模，且实现准确模拟高静压风机运行，大幅降低了将模型离散化的难度，从而大幅节省了计算资源、时间和实施难度，基于本发明所建立的模型，通过数值计算，能有效研究高静压风机对车内外压力传递的抑控效果，分析高静压风机的动态密封性能；对于指导高速列车基于高静压风机的主动式压力保护装置的设计具有重要的意义。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的计算区域模型示意图。
图2是本发明优选实施例的计算区域模型的正视图和侧视图。
图3是本发明优选实施例的外部压力波动模拟区域模型示意图。
图4是本发明优选实施例的新风供应区域示意图。
图5是本发明优选实施例的废排排出区域示意图。
图6是本发明优选实施例的新风供应区域和废排排出区域沿气体流动方向横截面示意图。
图7是本发明优选实施例的列车车厢区域模型示意图。
图8是本发明优选实施例的无外部压力作用时高静压风机代理模型的数值计算静压。
图9是本发明优选实施例的无外部压力作用时高静压风机代理模型的数值计算送风量。
图10是本发明优选实施例的有外部压力作用时车外压力实车数据与数值计算的结果。
图11是本发明优选实施例的有外部压力作用时车内压力实车数据与数值计算的结果。
图中标号为：1、外部压力波动模拟区域模型；2、高静压风机代理模型；3、列车车厢区域模型；4、外部压力波动模拟区域模型前表面；5、外部压力波动模拟区域模型四周面；6、外部压力波动模拟区域模型后表面；7、新风供应区域的上表面；8、新风供应区域的下表面；9、新风供应区域的四周面；10、列车车厢区域模型表面；11、废排排出区域上表面；12、废排排出区域下表面；13、废排排出区域的四周面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1至图2，本发明优选实施例中，提供了一种高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法，包括以下步骤：
S1、建立计算区域模型：构建外部压力波动模拟区域模型1、列车车厢区域模型3以及高静压风机代理模型2。
外部压力波动模拟区域模型1为长方体，外部压力波动模拟区域模型前表面4为压力入口，外部压力波动模拟区域模型后表面6为压力出口，外部压力波动模拟区域模型四周面5为无滑移壁面；高静压风机代理模型2用于模拟实际高静压风机的新风供应和废排排出功能；外部压力波动模拟区域模型1和列车车厢区域模型3之间通过高静压风机代理模型2连通。
高静压风机代理模型2区域包括新风供应区域和废排排出区域两个形状和大小一致的长方体区域。
新风供应区域上表面7为基于压力跳跃的风机面，新风供应区域的下表面8为多孔介质面，新风供应区域的四周面9为无滑移壁面；废排排出区域上表面11为多孔介质面，废排排出区域下表面12为基于压力跳跃的风机面，废排排出区域的四周面13为无滑移壁面。
列车车厢区域模型3为长方体，所有面均设置为无滑移壁面。
新风供应区域的上表面7和废排排出区域的上表面11连接至外部压力波动模拟区域模型1的无滑移壁面，新风供应区域的下表面8和废排排出区域的下表面12连接至列车车厢区域模型3；新风供应区域和废排排出区域之间互相独立。
本发明优选实施例中，建立的高静压风机代理模型2用于模拟实际高静压风机的新风供应和废排排出功能，在保证模拟主要功能的基础上将模型大幅简化，使得在后续对模型的离散化时大大降低了难度，从而大幅节省了计算资源、时间和实施难度。
S2、进行数值计算并设置计算区域模型边界条件：通过使用网格划分软件，将S1中所构建的计算区域模型进行离散化，将网格导入到相关流体力学仿真软件中进行计算，再根据预定义的边界条件参数对计算区域进行边界条件设置。
在S2中，预定义的边界条件参数为：
外部压力波动模拟区域模型1的长≥20m，宽≥10m，高≥10m。
高静压风机代理模型2高的取值范围为0.1m～0.4m，风机面和多孔介质面面积的取值范围为0.02m2～0.1m2。
列车车厢区域模型3的长宽高数据选择常规列车车厢的数据，本发明优选实施例中，长为24m，宽为3.4m，高为2.5m。
参见图3，本发明优选实施例中，外部压力波动模拟区域模型前表面4设置为压力入口，外部压力波动模拟区域模型后表面6设置为压力出口，外部压力波动模拟区域模型四周面5均设置为无滑移壁面，外部压力波动模拟区域模型1的长L1设置为27m，宽W1设置为15m，高H1设置为15m。参见图4，新风供应区域的上表面7设置为基于压力跳跃的风机面，新风供应区域的下表面8设置为多孔介质面；参见图5，废排排出区域上表面11设置为多孔介质面，废排排出区域下表面12设置为基于压力跳跃的风机面。
本发明优选实施例中，新风供应区域的四周面9和废排排出区域的四周面13均设置为无滑移壁面，高度H均设置为0.2m，新风供应区域和废排排出区域沿气体流动方向横截面参见图6，横截面积S为0.05m2。
参见图7，本发明优选实施例中，列车车厢区域模型表面10均设置为无滑移壁面，列车车厢区域模型3长L2为24m，宽W2为3.4m，高H2为2.5m。
本发明优选实施例中，将部分参数设置了一个范围，保证了参数的多种选择，可以在实际设计时提升精度，节约计算时间。
高静压风机代理模型2中，气流从风机面进入口受到多孔介质的阻碍，在管道内形成的高静压，高静压与多孔介质面流速的关系式为：
其中，ΔP为静压，C2为惯性阻力系数，β为多孔介质厚度，ρ为空气密度，v为流速，μ为动力粘度，1/α为粘性阻力系数。
在S2中，将网格导入到相关流体力学仿真软件中进行计算时，C2和1/α通过实际高静压风机稳定运行时的静压和送风量以及式(a)进行确定，β选择常用值。本发明优选实施例中β优选的取值选择0.1m。
在S2中，将网格导入到相关流体力学仿真软件中进行计算时，风机面的参数可基于实际风机性能曲线在数值模拟中输入。
本发明优选实施例中，由于气流从风机面进入口受到多孔介质的阻碍，会在通道内形成高静压，可替代实际高静压风机运行时通道内的高静压。风机面的参数可基于实际风机性能曲线在数值模拟中输入。根据式(a)，结合本发明优选实施例的实际高静压风机稳定运行时的静压5930Pa和送风量1566m3/h可确定该关系式中的变量值C2＝1279.1m-1，β＝0.1m，1/α＝0。
S3、设置实验变量条件：在外部压力波动模拟区域模型1压力入口面通过自定义函数输入随时间变化的压力波动；外部压力波动模拟区域模型1压力出口面压力值设置为固定值，在本发明优选实施例中设置为0Pa。
S4、监测压力并分析模型的动态密封性能：分别在外部压力波动模拟区域模型1和列车车厢区域模型3内设置压力测点，监测压力随时间的变化，即可分析高静压风机的动态密封性能。
本发明优选实施例中，设置了当无外部压力波动输入时，验证本发明优选实施例的高静压风机代理模型2和计算方法的可靠性和准确性的内容：
通过实验测量得到高静压风机代理模型2稳定运行时的静压5930Pa和送风量1566m3/h，采用的仿真时间步长为0.003s，内迭代次数为50次，外部压力波动模拟区域模型1压力入口面设置为无压力输入，压力值为0Pa，其余边界条件设置与本实施例一致；参见图8和图9结果可知，高静压风机代理模型2在极短时间内静压和送风量就达到稳定值，仿真值分别为5907Pa和1573m3/h，与实际高静压风机稳定运行时的静压5930Pa和送风量1566m3/h偏差均小于1％，结果表明高静压风机代理模型2能准确模拟实际高静压风机的稳定运行。
本发明优选实施例中，还设置了当有外部压力波动时，验证本发明优选实施例的高静压风机代理模型2和数值计算方法的可靠性和准确性的内容：
采用的仿真时间步长为0.003s，内迭代次数为50次，外部压力波动模拟区域模型1压力入口面通过用户自定函数输入实车测量得到的车表面压力瞬变，其余边界设置与本实施例一致；参见图10和图11结果可知，基于本发明提出的高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法得到的数值计算结果与实验结果吻合良好，其中数值计算得到的车内压力变化幅值与实验结果偏差仅为6％。结果表明本发明提供的高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法，能有效模拟高静压风机对车内外压力传递的抑控效果，可准确分析其在不同外部压力和风机等参数下动态密封性能。
综上可知，本发明优选实施例的高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法中，建立的高静压风机代理模型用于模拟实际高静压风机的新风供应和废排排出功能，通过对高静压风机进行大幅简化的建模，且实现准确模拟高静压风机运行，大幅降低了将模型离散化的难度，从而大幅节省了计算资源、时间和实施难度，基于本发明所建立的模型，通过数值计算，能有效研究高静压风机对车内外压力传递的抑控效果，分析高静压风机的动态密封性能；对于指导高速列车基于高静压风机的主动式压力保护装置的设计具有重要的意义。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立计算区域模型：构建外部压力波动模拟区域模型(1)、列车车厢区域模型(3)以及高静压风机代理模型(2)；
所述外部压力波动模拟区域模型(1)为长方体，前表面(4)为压力入口，后表面(6)为压力出口，四周面(5)为无滑移壁面；所述高静压风机代理模型(2)用于模拟实际高静压风机的新风供应和废排排出功能；所述外部压力波动模拟区域模型(1)和列车车厢区域模型(3)之间通过所述高静压风机代理模型(2)连通；
所述高静压风机代理模型(2)包括新风供应区域和废排排出区域两个形状和大小一致的长方体区域；所述新风供应区域上表面(7)为基于压力跳跃的风机面，下表面(8)为多孔介质面，其余四周面(9)为无滑移壁面；所述废排排出区域上表面(11)为多孔介质面，下表面(12)为基于压力跳跃的风机面，其余四周面(13)为无滑移壁面；所述列车车厢区域模型(3)为长方体，所有面均设置为无滑移壁面；
所述新风供应区域的上表面(7)和废排排出区域的上表面(11)连接至所述外部压力波动模拟区域模型(1)的无滑移壁面，所述新风供应区域的下表面(8)和废排排出区域的下表面(12)连接至所述列车车厢区域模型(3)；所述新风供应区域和废排排出区域之间互相独立；
S2、进行数值计算并设置计算区域模型边界条件：通过使用网格划分软件，将S1中所构建的计算区域模型进行离散化，将网格导入到相关流体力学仿真软件中进行计算，再根据预定义的边界条件参数对计算区域进行边界条件设置；
S3、设置实验变量条件：在外部压力波动模拟区域模型(1)压力入口面通过自定义函数输入随时间变化的压力波动；外部压力波动模拟区域模型(1)压力出口面压力值设置为固定值；
S4、监测压力并分析模型的动态密封性能：分别在外部压力波动模拟区域模型(1)和列车车厢区域模型(3)内设置压力测点，监测压力随时间的变化，即可分析高静压风机的动态密封性能。
2.根据权利要求1所述的高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法，其特征在于，在S2中，所述预定义的边界条件参数：
外部压力波动模拟区域模型(1)的长≥20m，宽≥10m，高≥10m；
高静压风机代理模型(2)高的取值范围为0.1m～0.4m，风机面和多孔介质面面积的取值范围为0.02m2～0.1m2；
列车车厢区域模型(3)的长宽高数据选择常规列车车厢的数据。
3.根据权利要求2所述的高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法，其特征在于，所述高静压风机代理模型(2)中，气流从风机面进入口受到多孔介质的阻碍，在管道内形成的高静压，所述高静压与多孔介质面流速的关系式为：
其中，ΔP为静压，C2为惯性阻力系数，β为多孔介质厚度，ρ为空气密度，v为流速，μ为动力粘度，1/α为粘性阻力系数；
在S2中，将网格导入到相关流体力学仿真软件中进行计算时，C2和1/α通过实际高静压风机稳定运行时的静压和送风量以及式(a)进行确定，β选择常用值。
4.根据权利要求3所述的高速列车中高静压风机的动态密封性能分析方法，其特征在于，在S2中，将网格导入到相关流体力学仿真软件中进行计算时，风机面的参数可基于实际风机性能曲线在数值模拟中输入。
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