中车唐山机车车辆有限公司 河北唐山 064000
摘要：近年来，我国经济水平的快速发展，同时也加快了高速铁路客车的发展，文章主要是采用到了标准的湍流模型对某动车组空调风道以及室内气流分布展开了数值模拟的研究，在计算的过程中不仅要考虑到好车内座椅等障碍物会对气流组织所造成的影响，同时还应当考虑到车内各壁面传热、太阳辐射等对客室内热环境得以影响。
关键字：动车组；数值模拟；太阳辐射
前言
当前高速铁路的不断发展，使得了人们对高速铁路列车科室内的空气流动以及热环境要求也越来越高，这就要求了有关设计人员应当对列车内气流组织进行相关的设计，同时还要对车室内的热舒适性进行评价。
1动车组风道及客室计算模型
高速行驶的列车为了保证列车内的压力稳定，要求列车要有高度的密封性，在密闭的车厢中，车内的空气质量和热舒适性主要靠空调、通风系统来维持。因此，空调、通风系统的设计以及运行情况是车室内空气质量和旅客热舒适性的直接影响因素。在国外，很早就开始用ＣＦＤ（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ）技术对空调通风系统中的空气动力学问题进行分析。近２０年来，ＣＦＤ技术已经成为解决空气动力学问题的新方法。
1.1计算模型
以某高速动车组中车为研究对象，该车为带有受电弓的普通二等坐车，车顶一位端设置空调机组，车体二位端为受电弓平顶。车体两端每侧设置一塞拉门，共四扇；车体一位端设两个厕所；车体两端各设一外端门。客室空调机组设置在车顶一位端，回风和车外新风通过客室空调机组处理后，经客室顶部中间的送风道送风，冷风从送风道下方风口吹到客室顶部多孔板进入车内。一位端为厕所和通过台，二位端为电器柜和通过台，通过台与客室通过客室内门连接。回风Ｖｌ在一位端通过台上方，厕所和电器柜有废排风口，经废排风道排出车外。
1.2数学模型
本文中数值模拟采用标准ｋ一８湍流模型，并对其进行了简化，作出如下假设：①列车客室内的空气以及空调通风系统内流动的空气为不可压缩流体，认为其符合Ｂｏｕｓｓ—ｉｎｅｓｑ假设；②空调通风系统及客室内的空气流动为湍流流动；③不考虑列车车体内壁之间的热辐射；④列车客室内空气为透明介质；⑤认为列车客室内的密封性良好。空调列车客室内空气流动和传热可用质量守恒、动量守恒、能量守恒三个基本物理规律推导出描述流体流动基本规律的控制方程，即质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，具体方程见文献。
1.3边界条件
（１）太阳辐射的处理：为了便于研究夏季太阳热辐射对车辆隔热壁的热作用，可以把外表面所吸收的那部分太阳热辐射能采用温度的形式来描述。将其迭加到室外温度上，得到太阳照射表面的综合温度。公式如下：ｆ。：￡Ⅳ＋世（１）仅Ｈ式中，ｄ。为对流换热系数；ｐ为外表面的吸收系数（本文取０。７）；ｔ，为外表面的总辐射强度（Ｗ／ｍ２）；￡日为外部环境温度（℃）。Ｏｄ。与列车运行速度密切相关ｄＨ＝９＋３。（２）式中，秽为列车运行速度，ｋｍ／ｈ。通常按列车朝某一方向运行，列车隔热壁的六个面一般只有车顶和一个侧壁承受太阳的照射，显然，在列车隔热壁综合温度计算中，阴面侧壁、阳面侧壁、车顶所取的室外综合温度是不同的。本文计算工况：太阳高度角为６０。
太阳射线在到达大气层上界时，垂直于太阳射线方向的表面上的射强度Ｉｏ＝１３５３Ｗ／ｍ２，客室内三排座一侧为向阳侧，两排座一侧为背阳侧。将玻璃认为是透明介质，太阳辐射中有２０％透过玻璃进入客室。通过车窗进入客室内的太阳辐射热均匀的分配到客室内壁表面。太阳辐射主要包括直射辐射和散射辐射两大部分。其中，太阳散射辐射又由天空辐射和地面反射辐射构成，因此，列车各壁面接受的总辐射强度Ｊ为Ｊ＝Ｉｚ＋厶＋厶（３）式中，为列车各壁面接受的总辐射强度，Ｗ／ｍ２；ｔ为太阳直射辐射强度，Ｗ／ｍ２；ｔ为天空辐射强度，Ｗ／ｍ２；为地面反射辐射强度，Ｗ／ｍ２。由式（２）可知列车外壁的对流换热系数和列车速度有关，所以列车车体的综合传热系数也是和列车速度有关的函数，车速越高车体综合传热系数越大。当速度大于２５０ｋｍ／ｈ，基本趋于稳定，约到０。８５Ｗ（ＩＴｌ２・Ｋ）。（２）对送风孔板做等面积简化，在孔板的开孔率不变的情况下，将孔的直径由叫ｍ增加为（１）４０ｍ；（３）人体散热边界条件：人体散热为动车组客室内的主要热源，本文中每个旅客的散热量取１１５Ｗ；（４）进出口边界条件：进风口为速度入口，回风口和风道废排口也为速度入口，其速度方向为垂直于出口向外。
2网格划分及数值求解方法
划分的网格形式有两种，结构化网格和非结构化网格。结构化网格计算速度快，网格质量好，但对于几何结构复杂的模型，划分结构化网格比较困难。本文中模型几何结构复杂，无法划分高质量的结构化网格，采用适应性好的非结构化网格划分。网格划分在Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ中完成，共划分了８２０万个网格单元。对离散方程的求解采用ＳＩＭＰＬＥ算法，对流项格式选用二阶迎风格式，性项格式选用二阶中心差分格式，采用壁面函数法对近壁面区域的流动进行分析。
3计算结果及分析
本文对某动车组客室内的三维空气流场与温度场进行数值计算，获得了比较详细的计算结果。选取中的Ａ—Ａ立面（列车一位端）、Ｂ一８立面（列车中间位置）、Ｃ—Ｃ立面（列车一位端）以及头部高度Ｄ—Ｄ立面（距客室地板的高度为１。1ｍ）速度场和温度场加以分析。空气的流动速度较大，风速在７ｍ／ｓ左右，过Ａ—Ａ立面处多孔板进入客室内的空气流量较少。（ａ）中Ａ—Ａ立面两排座人体周围温度为２５.５℃，三排座人体周围温度为２６.５℃，过道内温度为２３.５℃，人体周围温度较高。层一Ｂ立面位于主风道中部位置，由于阻力的作用使得空气的流动速度降低，风速在４ｍ／ｓ左右，相比Ａ—Ａ立面多孔板的出风量增多。（ｂ）中Ｂ—Ｂ立面两排座人体周围温度为２４.５℃，三排座人体周围温度为２５.５℃，过道内温度为２３。５℃，人体周围温度相比４一Ａ也有所降低。Ｃ—Ｃ立面位于主风道末端位置，空气的流动速度最低。（ｃ）中Ｃ—Ｃ立面两排座人体周围温度为２４。５℃，三排座人体周围温度为２５.５℃，过道内温度为２３.５℃，与Ａ—Ａ、Ｂ一曰立面相比低温区域较多。综上分析，（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所示，客室三排座处位于向阳侧，太阳辐射对向阳侧影响较为明显，人体周围温度较背阳侧较高。（ｄ）中，二位端温度较低，一位端温度较高，温度范围为２３.５～２６.５℃，客室内温差为３℃，客室内温度分布较为均匀。由客室内速度矢量分布可知，人体周围速度分布比较均匀，人体头部位置空气流动速度为０.３５ｍ／ｓ，过道内由于障碍物较少空气流动速度较大，为０.６ｍ／ｓ左右。满足空调室内允许的空气流动速度，不会使人产生吹风感。
4结语
由上可知，动车客室内的速度场的分布受到太阳辐射以及人体散热的影响比较小，但是会对温度场的分布影响会比较大，为动车组客室内气流组织的相关设计提供到可靠的依据。
参考文献
[1]韩涛.动车组客室空调系统故障检修分析[J].南方农机,2020.
[2]张清.Z型动车组空调制冷系统质量控制方法研究[D].2020.