铁路空调发电车夏季车内流场CFD仿真.pdf
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1、第 61 卷 第 8 期Vol.61 No.82023 年 8 月August 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言空调发电车作为专门为旅客列车提供电力的车厢,是客运列车的重要组成部分。发电车本质上是一种特种车辆,当前空调发电车一般是以 25T 或25G 车型改造出来的,发电车依靠燃油进行发电,而且一般整列车厢处于密封状态,因而在长时间运行工作下,发电机会产生大量热量,室内热环境指标较差,发电机机身温度高达 700左右,发电车车内温度可达 70左右。工作人员在工作过程中伴随着高温、高噪声振动及有害物质污染,工作环
2、境极其恶劣,尤其是在炎热季节。长期在这种环境下工作,会对工作人员身体产生影响,引发一些疾病1。为此,我们需要通过空调设备来对发电车车厢内进行换风和降温,以改善工作人员的工作环境。随着计算机技术的不断发展,CFD(计算流体力学)技术已经成为模拟仿真列车车厢流场分布、研究车厢内热舒适性、分析改进空调送风系统的主要方法。李洪民2、张登春3研究了空调硬座列车车内的流场和温度场;杨如辉等4、刘志永等5以及 Sun 等6研究了空调列车软卧车厢的气流分布和热环境;陈宁等7、王烨等8-9对高原空调列车车内流场和温度场进行数值分析,开展相关研究;doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023
3、.08.009铁路空调发电车夏季车内流场 CFD 仿真史殿新1,马颖珊2,温佳澄1,聂春戈1,李健3,陶然3(1.116028辽宁省大连市大连交通大学机车车辆工程学院;2.430074湖北省武汉市华中科技大学武汉光电国家研究中心;3.116028辽宁省大连市大连交通大学艺术学院)摘要 空调发电车是专门为旅客列车提供电力的车厢,在运行过程中,发电机组产生大量热量,工作人员需在高温下作业,为此,有必要设置空调系统来改善工作人员的工作环境。对空调发电车和空调系统进行简化建模,采用标准模型和 CFD(计算流体力学)理论,对夏季 25 型空调发电车车厢内各工况的温度场和速度场进行仿真模拟。研究结果表明,
4、适当提高送风温度、降低送风速度有利于车厢内整体热环境的均匀性和稳定性,但休息间温度较高,实际应用中可在休息间额外设置降温设备的措施改善其热环境。关键词 空调发电车;温度场;速度场;计算流体力学 中图分类号 U273.95 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)08-0040-06引用格式:史殿新,马颖珊,温佳澄,等.铁路空调发电车夏季车内流场 CFD 仿真 J.农业装备与车辆工程,2023,61(8):40-44,72.CFD simulation of indoor flow field in air conditioning railway generator train
5、 in summerSHIDianxin1,MAYingshan2,WENJiacheng1,NIEChunge1,LIJian3,TAORan3(1.SchoolofLocomotiveandRollingStockEngineering,DalianJiaotongUniversity,Dalian116028,Liaoning,China;2.WuhanOptoelectronicsNationalResearchCenter,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,Hubei,China;3.SchoolofArt,Da
6、lianJiaotongUniversity,Dalian116028,Liaoning,China)AbstractTheairconditioninggeneratortrainisacarriagethatprovideselectricityforpassengertrains.Duringtheoperation,thegeneratorunitsgeneratealotofheat,andthestaffneedstoworkunderhightemperature.Therefore,itisnecessarytosetupanairconditioningsystemtoimp
7、rovetheworkingenvironmentofthestaff.Simplifythemodelingofairconditioninggeneratortrainandairconditioningsystem,standardmodelandCFD(ComputationalFluidDynamics)methodwereadoptedforsimulationofthetemperaturefieldandvelocityfieldofeachworkingconditioninthemodel25airconditioninggeneratortraininsummer.The
8、researchresultsshowedthatproperlyincreasingtheairsupplytemperatureandreducingtheairsupplyspeedwereconducivetotheuniformityandstabilityoftheoverallthermalenvironmentinthecarriage,butthetemperatureintherestroomwashigh.Inpracticalapplication,thethermalenvironmentintherestroomcouldbeimprovedbysettingadd
9、itionalcoolingequipmentintherestroom.Key wordsairconditiongeneratortrain;temperaturefield;velocityfield;computationalfluiddynamics基金项目:辽宁省交通运输厅交通科技计划项目(202151);辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目“互联网+双创”背景下车辆工程专业列车总线控制课程教学改革与探索(10150-312)收稿日期:2023-01-2341第 61 卷第 8 期林鹏等10基于 CFD 理论,研究发电列车车下燃油箱的保温性能。但是关于发电车内流场的分析,目前很少
10、有人研究。本文应用 Fluent 软件,以 25 型空调发电车为研究对象,对其在夏季工况下的速度场和温度场进行数值模拟,着重研究了送风温度和送风速度对发电车车内速度场和温度场的影响,为后续优化发电车车内气流组织和舒适性奠定基础。1 基本原理及计算模型1.1 计算流体力学基本原理发电车车厢内空气流动满足流动基本方程,即质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程,而 CFD 则是在流动基本方程控制下对流动的数值模拟。通过 CFD 数值模拟,可以得到复杂流场内速度、压力和温度等基本物理量的分布情况。在发电车运行过程中,其室内空气流动和热传递可以通过 CFD 进行数值模拟。为了方便计算,假设发电车厢内的
11、空气和空调通风系统内空气低速流动并且不可压缩,且符合Boussinep 假设;发电车厢内空气的流动看作稳态流动;忽略车厢内固体壁面间的热辐射;发电车车厢气密性好,忽略漏风因素。判断发电车车厢内空气流动的状态,雷诺数计算公式为Re=vD/(1)式中:流体密度;流体粘性系数;v 流体流动的平均速度;D特征常数,取流动通道的直径尺寸。计算可得雷诺数 Re4000,因此发电车车内气体模型可以视为湍流模型。Fluent 中湍流计算模型有很多种,包括单方程(Spalart-Allmaras)模型、双方程模型(标准k-模型、RNGk-模型、可实现 k-模型)以及 Reynolds 应力模型和大涡模型。本文计
12、算属于室内空气流场计算,采用标准 k-模型,利用 SIMPLE 算法求解。标准 k-模型的湍流动能 k 和湍流耗散率 方程为()()tkxu kxxkGGYSiijktjkbMk22222222ttnvntf+=+-+dnH(2)txuxxCkGC GGCkSiijtjkbb132222222222tftfnvnfftf+=+-+fffff_diiinH(3)式中:Gk由平均速度梯度引起的湍动能产生项;Gb由浮力影响引起的湍动能的产生项;YM可压湍流脉动膨胀对总耗散率的影响;C1、C2、C3 经 验 常 数,本 文 取 C1=1.44,C2=1.92,C3=0.09;k、k 和 对 应 的 P
13、randtl 数;Sk、S用户定义的源项;t湍流粘度,Ckt2ntf=n。1.2 计算模型发电车车厢内分为储油间、发电间、配电间、休息间、材料工具间等,因而发电车具有非对称的车厢内布局。发电车内有电气控制柜、发电机组、液压管路、材料柜、制动装置、整流装置等关键零、部件,休息间设有两层半软铺位供工作人员休息,其中发电机组和电气控制柜是主要热源,休息床铺和材料柜对流场有较大影响,其余部件对车厢内流场影响可忽略不计,因而模拟时不做考虑;本文发电车车体长度为 25500mm,宽度为 3110mm,最大高度为 4400mm,将发电车车体及内部设备进行简化,利用 SolidWorks 软件建立发电车简化几
14、何模型如图 1 所示。列车外部空气通过空调系统加热或制冷后,经主风道通过各支风道送入车厢。空调系统的风道一般与车厢长度相近,风道中的风速较低,送风过程必然会损失一部分能量,故空调系统的送风过程不能省略。本文空调系统安置在车厢顶部,主要由进风口、主风道、支风道、导流板和隔板组成,长度为 20466mm,其仿真模型如图 2 所示。发电车车厢及空调系统的面网格采用三角形单元网格划分,车体及空调系统内部流体网格采用四面体单元划分。为了更准确地模拟发电车车厢内的气流组织分布,将发电机组、电气控制柜、床铺和材料柜区域进行网格加密处理,有限元模型网格总数为 5189149 个,车厢和空调系统等 2D 网格1
15、.车室前出风口2.油箱3.发电机组4.配电间出风口5.电气控制柜6.休息间出风口7.休息间床铺8.材料架9.车室后出风口10.材料工具间11.休息间12.配电间13.发电间14.储油间图 1 发电车车厢几何模型Fig.1 Geometric model of generator train1914131211102345678史殿新等:铁路空调发电车夏季车内流场 CFD 仿真42农业装备与车辆工程 2023 年的最小雅可比值(jacobian)为 1,翘曲度(warpage)最大值为 0,歪斜度(skew)最大值为 0,网格质量满足计算要求,整体发电车仿真模型如图3所示。发电车边界条件设置如下
16、:(1)车厢内外计算参数:本文对夏季工况下发电车车厢进行分析,车厢外界温度设为 35,车厢内壁面温度设为 26.85。(2)壁面边界条件:车窗、导流板、风道,边界条件为wall,设置材料为aluminum;侧墙、端墙、车底、车顶,边界条件为 wall,设置材料为 steel。车底综合传热系数为 0.54W/(m2K),侧墙综合传热系数设置为 0.58W/(m2 K),车顶综合传热系数设置为 1.33W/(m2K),车窗综合传热系数设置为1.4W/(m2K)11,端墙、休息铺位、材料柜设为绝热壁面,即综合传热系数为 0。(3)风口边界条件:送风口设为速度入口(velocity-inlet),每个
17、送风口参数一致,送风参数根据具体工况确定,各工况送风参数见表 1;出风口设为压力出口(pressure-outlet),每个出风口参数一致。表 1 空调系统 5 种工况下的送风参数Tab.1 Air supply parameters of air conditioning system under five working conditions工况序号12345送风速度/(m/s)3.53.53.53.04.0送风温度/1820222020(4)热源边界条件:发电机组功率设为160kW/台,柴油发电机组在运行时,效率大约为33,有 70左右的能量没有得到充分利用,其中 10左右的能量扩散到发
18、电车车厢内12,因而柴油发电机组发热量为 48.5kW。电气控制柜发热量设为 1.5kW13。将柴油发电机组和电气控制柜简化为面热源。面热源的热流密度计算公式如式(4):PVp=(4)式中:P热源的热流密度;p 面热源的发热量;V面热源的散热面积。2 计算结果及分析GBZ1-2010 工业企业设计卫生标准 规定,夏季特殊高温作业室内外温差不应超过 2,高温作业车间的工间休息室温度应 30,设有空气调节的休息室室内气温应保持在 2428。本文采用 CFD 软件 Fluent 进行数值模拟,仿真计算了柴油发电机组和空调系统运行过程中发电车车厢内的空气流动状况,对不同工况下的速度场、温度场等结果进行
19、对比分析。由于发电车车厢较大,室内气流组织为大体积的三维空气流场,结果分析时只能选取一些典型截面。在车厢高度方向选取截面 a(z=0.1m 截面即工作人员站立时脚部截面)和截面 b(z=1.7m 处截面即工作人员站立时头部截面),在车厢长度方向选取一个截面 c(休息间宽度方向中心截面)。2.1 送风温度影响选取工况 1、2、3 进行数值模拟,分析送风温度对发电车散热影响。空调系统送出的冷气流从车厢送风口以射流形式进入车室,由于送风气流与车厢内气流温度不同,因而两者的密度不同,送风气流会逐渐向下流动,最终从各出风口送出。图 4 上方温度条表示截面 a、b 的温度云图范围为 2646,自上而下分别
20、为工况 1工况 3 的各截图温度云图。从图 4 可以发现,受发电机组和电气控制柜等热源影响,发电机组和电气控制柜附近区域温度较高,最高温度出现在发电机组的表面。在工况 3 发电机组表面温度最高,为 45.57;对1.隔板2.主风道3.前送风口4.导流板15.导流板26.支风道7.后进风口图 2 空调系统仿真模型Fig.2 Simulation model of air conditioning system12456 37图 3 整体发电车仿真模型Fig.3 Overall simulation model of generator train43第 61 卷第 8 期史殿新等:铁路空调发电车
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