客车空调车室气流组织数值模拟分析

第２２卷第５期　２００８年ｌ０月　文章编号：ｌ６７ｌ＿６６ｌ２（２００８）０５．０２１－０４　制冷与空调　Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｉｒ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｖ＿０１．２２　Ｎｏ．５　Ｏｃｔ．２００８．２１～２４　客车空调车室气流组织数值模拟分析　靳世文马崇扬　袁秀玲　７１００４９）　（西安交通大学能源与动力工程学院　西安【摘要】　以空调客车车室气流组织为研究对象，建立了三维空气流动与传热的物理模型和数学模型，采用　计算流体动力学软件Ｆｌｕｅｎｔ对气流组织进行数值模拟，应用ＲＮＧ　ｋ．￡两方程紊流模型和ＳＩＭＰＬＥ　算法求解控制方程，得到了考虑车内热负荷和太阳辐射时的车内空气温度和速度分布模拟结果，　分析了影响速度场和温度场的因素。研究结果为改善车室热环境提供了理论依据，对客车空调气　流组织的优化设计有指导作用。　【关键词】　客车空调；气流组织；数值模拟：计算流体动力学　中图分类号　ＴＵ８３４　文献标识码Ａ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ａｉｒｆｌｏｗ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ＢｕＳ　Ａｉｒ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｊｉｎ　Ｓｈｉｗｅｎ　Ｍａ　Ｃｈｏｎｇｙａｎｇ　Ｙｕａｎ　Ｘｉｕｌｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＥｎｅｒｇｙ　ｎｄ　ａＰｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ｉｆｎ，７１００４９，Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｉｒｆｌｏｗ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆｔｈｅ　ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ　ｂｕｓ　ａｓ　ｓｕｂｊｅｃｔ，ａ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎｄ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｈｅｔ　３－Ｄ　ａｉｒ　ｆｌｏｗ　ｎｄ　ｈｅａｔａ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｗａｓ　ｓｅｔ　ｕｐ．Ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ（Ｆｌｕｅｎｔ）Ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌｔｅ　ａｈｅ　ａｉｔｒｌｆｏｗ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｗａｓ　ｔａｋｅｎ　ｉｎｔｏ　ａｃｃｏｕｎｔ　ｕｓｉｎｇ　ＲＮＧ　ｋ－￡ｄｏｕｂｌｅ－ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ　ｇｏｖｅｍｉｎｇ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　Ｗａｓ　ｓｏｌｖｅｄ　ｂｙ　ＳＩＭＰＬＥ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌｔｅｄ　ｒｅｓｕｌａｔｓ　ｏｆ　ａｉｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｖｅｌｏｃｉｙ　ｆｔｉｅｌｄ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｄｏｏｒ　ｈｅａｔ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｓｏｌｒ　ａｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆｆａｃｔｏｒｓ　ｔｈａｔ　ａｆｅｃｔ　ｈｅ　ｔａｉｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ａｉｒ　ｖｅｌｏｃｉｙ　ｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｗａｓ　ｍａｄｅ．Ｉｔ　ｏｆｆｅｒｓ　ｈｅｔ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｇｕｉｄａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆａｉｒｆｌｏｗ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎ　ｂｕｓ・ａｉｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ．　［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］Ｂｕｓ　ａｉｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ；Ａｉｒｌｆｏｗ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＣＦＤ　Ｏ　引言　随着我国客车空调应用的迅速发展，人们认识　到空调客车车室气流组织是影响乘客热舒适性的　主要因素，气流组织的研究内容包括温度场、速度　场、浓度场和相对湿度等，车室物理结构及外界环　进行车室内部空气流动与传热的数值模拟，所得的　结果对实际工作有一定的指导作用。　１　客车车厢物理模型　本文以空调客车内部气流组织为数值模拟研　境直接影响车室内空气的温度场与速度场的分布。　计算流体动力学（ＣＦＤ）的发展和应用，解决了在　空调系统设计中采用传统射流经验公式模拟气流　组织的缺点。本文以空调客车为研究对象，利用计　算流体动力学和数值传热学知识，通过建立车身结　构传热特性与室内空气流动传热的耦合特性模型，　究对象。客车计算模型如图ｌ，计算区域为车厢内　部气体流通区域，计算区域长为８０００ｍｍ，宽为　２４００ｍｍ，高为２０００ｍｍ，车厢两侧各有．１　８个座椅，　车厢项部设有送风风道，两侧风道送风口均匀布　置，在车厢顶部的前后端设置回风口。　作者简介；靳世文（１９８３．１２一），男，硕士研究生。　收稿日期：２００８．０４－１５　制冷与空调　２００８生　图１计算模型　２数学模型及边界条件　２．１假设条件　１）客车车室气体低速流动，可视为不可压缩　流体，且满足Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设，忽略由流体粘性　力作功所引起的耗散热；　２）流动为稳态紊流流动；　３）不考虑漏风的影响，车内气密性良好：　４）假设流场有高Ｒｅ时，流体的紊流粘性各向　同性，紊流粘性系数可作为标量处理。　２．２边界条件　空调客车热负荷计算不能只考虑导热和对流，　客车室内热负荷大小受太阳辐射的影响较大，因此　对客车空调热负荷需要准确估算。假设该送风系统　没有外界新风，不考虑新风负荷。车内的仪器、仪　表和照明设备等的散热量较小而忽略不计。　２．２．１　客车空调送风量确定　１）通过车身壁面传入的热量包括车室内外温　差传入的热量和车身外表面从太阳辐射中吸收的　热量，为简化计算，将太阳辐射强度转化为当量温　度形式与车外温度叠加，写成太阳照射表面综合温　度。由于篇幅所限，以下各式详细说明见文献３。　＝（　＋Ｑ侧＋Ｑ地）×ａｌ　（１）　。侧，地　ＫＦ（ｔｃ－ｔＮ）　（２）　ｐ　Ｉ＝　＋　（３）　ＱＨ＋Ｋ　２）通过门窗玻璃传入的热量包括车内外温差　传入的热量和太阳辐射通过玻璃传入的热量。　ＱＧ＝ＱＧ　＋　（４）　。＝　（　一ｔＮ）　（５）　ＱＧ２＝（７７　＋　）×Ｓ　（６）　ｃｃＨ　Ｕ：　＋（　一　）×　（７）　３）乘客人体散发的热量：客车中，司机与乘　客都按ｌ１６Ｗ计。　＝ｌ　１６ｘ　Ｎ　（８）　４）车室总热负荷　Ｑ：（　＋ＱＧ＋　）×ａ　（９）　５）车室总湿负荷　＝７７．８ｘＮ　（１０）　６）总送风量的确定　Ｇ：＿　…）　一　２．２．２边界条件　入口边界条件：送风温度为ｌ９℃，送风从顶　部风口垂直向下吹出，由送风量和风口数量得送风　速度为２．２ｍ／ｓ，空气入口紊流强度为１Ｏ％，水力直　径为０．１３３ｍ。　出口边界条件：出口条件采用压力出流边界条　件，回风压力为环境压力，空气出口紊流强度为　ｌ０％，水力直径为０．５ｍ。　壁面边界条件：车体壁面和玻璃窗采取第三类　边界条件，考虑传热和辐射的影响，取车体壁面综　合传热系数４Ｗ／ｍ。・℃，车窗玻璃综合传热系数７　｜　・’ｃ　ｏ　客车内热负荷：人体散热量按ＩＩ６Ｗ计算，考　虑到车内结构复杂，计算区域不规则，将２个人体　合并为１人，并将其热负荷均匀分布在座椅表面，　避免网格数量过多而影响计算速度。　３数值求解方法　为了较好的适应复杂的几何形状，采用非结构　化网格对气体流动区域进行离散。采用ＣＦＤ软件　第２２卷第５期　靳世文，等：客车空调车室气流组织数值模拟分析　・２３・　Ｆｌｕｅｎｔ对车厢内气流组织进行数值模拟，应用有限　体积法对控制方程组离散和ＳＩＭＰＬＥ算法求解离　散方程组。紊流模型选用ＲＮＧ　ｋ．￡两方程模型，　在模拟气流组织问题时此模型较其它紊流模型物　理适应性更广，计算结果较为准确。　４模拟结果分析　数值模拟所得的各断面速度场和温度场如图２　一图９所示。图２和图３为ｙｏｚ平面ｘ＝ｌｍ（第ｌ　排与第２排座椅之间与回风口垂直相交的平面）断　面处的速度和温度分布图。图４和图５为ｙｏｚ平面　ｘ＝４ｍ（客车中部与送风口垂直相交的平面）断面　处的速度和温度分布图。　由图２知，在车厢前部由于回风口的存在，在　车厢前部气流速度方向偏转较大，离回风口越近，　气流偏转角度越大，气流速度越接近回风速度。由　图４知，送风口吹出的气流轴心速度垂直向下，在　壁面和座椅处有回旋气流。由图３和图５可知，冷　射流与热空气相混合进行交换，冷空气向下移动，　而热空气逐渐上移，周围温度逐渐变化。图３中靠　近回风口附近的空气温度为２６．４℃。乘客头部和足　部的温差不超过２＂Ｃ，符合人体热舒适性要求。图４　中，靠近窗户的乘客处于射流区，温度为２４．３＂Ｃ，　走道附近空气温度分布合理，平均温度为２５．８￣Ｃ。　图２　ｘ＝ｌ断面速度分布图　图３　ｘ＝ｌ断面温度分布图　图４　ｘ＝４断面速度分布图　图５　ｘ＝４断面温度分布图　图６和图７为ＸＯＺ平面ｙ＝０．５ｍ（乘客身体所在　截面）断面处速度和温度分布图。客车前部和后部　由于玻璃窗的面积较大，热负荷较高，对于车内温　度分布的不均匀性有很大的影响。尤其是客车后　部，乘客距离后玻璃窗较近，其周围温度较前部和　中部高。由于客车前部设置了回风口，空气流动性　能好，减小了因前挡风玻璃的温差传热和太阳辐射　所引起温度的升高，减小了驾驶员疲劳程度，有利　于安全行驶。　图８和图９为ｘｏｙ平面ｚ＝ｌｍ（乘客头部１断面　处速度和温度分布图。由图８知，沿车厢中轴线，　整个流场具有很强的对称性，各对称面的气流流型　基本相同，射入的冷射流在车厢内扩散受到壁面和　椅子靠背的阻挡而改变流向。送风速度为　２．２０ｍ／ｓ，在靠近窗乘客头部处速度减至０．４５ｍ／Ｓ，　靠近走道乘客头部处速度为Ｏ．３５ｍ／ｓ，符合夏季空　调客车车室气流速度舒适性的要求。由图９知，乘　客头部区域水平面温度分布均匀，平均温度为２５．９　℃，驾驶区热负荷较大，司机头部周围温度为２６．８　℃。车厢尾部由于玻璃窗的太阳辐射和发动机传　热，温度为３０．１℃。会给车厢尾部乘客造成不舒　适感，所以应增加送风口以加大送风量降低车厢尾　部空气温度。　制冷与空调　２００８焦　图６　ｙ＝Ｏ．５断面速度分布图　图７　ｙ＝Ｏ．５断面温度分布图　图８　ｚ＝ｌ断面速度分布图　图９　ｚ＝ｌ断面温度分布图　本文用ＣＦＤ软件对空调客车车室内气流组织　进行数值模拟，根据已知的外界条件和所要达到气　流舒适性要求，对车厢内空气温度场和速度场进行　模拟计算，模拟结果表明空调送、回风口的布置和　室内热负荷对空调车室内空气速度场与温度场影　响较大。ＣＦＤ技术是客车空调系统设计的有效工　具，合理简化计算对象的物理模型和数学模型，准　确设置边界条件对计算速度和结果有很大影响，需　要指出的是车内热负荷的处理方式和太阳辐射作　用需要进一步研究。本文研究结果对客车空调气流　组织优化提供有益的参考。　参考文献：　【ｌ】陶文铨．数值传热学（第二版）【Ｍ】．西安：西安交通大学　出版社，２００１：３３３．４１２．　【２】靳谊勇，郁永章．铁路空调客车车内气流组织的数值模　拟【Ｊ１．制冷学报，２００２（２）：３０—３４．　【３】陈孟湘．汽车空调【Ｍ】．上海：上海交通大学出版　社，２００１：７１．９２．　【４】吴俊云，童灵．空调客车室内三维紊流流动与传热数值　研究【Ｊ】．上海交通大学学报，１９９９（３）：３３　１－３３４．　【５】Ｑ　Ｃｈｅｎ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｋ－ｅ　ｍｏｄｅｌｓ　ｆｏｒ　ｉｎｄｏｏｒ　ＲｉＩ￣ＯＷ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ【Ｊ】．ＮｕｍｅｒｉｃａｌＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒ，ＰａｒｔＢ：　Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，１　９９５，２８：３５３・３６９．　【６】林凡．公路卧铺客车车室热环境数值模拟与试验研究　【Ｄ】．西安：长安大学，２００６．