城市轨道交通列车空调冷凝气流仿真研究.pdf

2023 年 11 月（总第 445 期）53研究与交流STUDY AND COMMUNICATIONS第 51 卷Vol.51第 11 期No.11铁 道 技 术 监 督RAILWAY QUALITY CONTROL收稿日期：2023-02-14基金项目：洛阳市轨道交通集团有限责任公司科研项目（LGKY-JG-2021-001）作者简介：任继乐，工程师；张路亚，工程师；于悦青，工程师；宋会兵，工程师；张瑞刚，高级工程师1概述城市轨道交通列车空调主要功能之一是，在炎热的夏季为车厢提供凉爽的空气。影响列车空调制冷性能的重要原因是，空调机组排出的高温空气，没有与外界环境空气充分热交换，就以较高的温度再次进入空调机组冷凝腔内部，形成“气流短路”1。为此，制造样机，进行性能试验。开展列车空调制冷性能试验时，在空调冷凝气流进口布置温度传感器，通过对比进口温度与外界大气环境温度的差值，判断空调冷凝气流短路的严重程度。如果气流短路严重，需要改进样机后再次试验。如此反复，耗费大量人力物力，延长了空调设计周期。如果在空调设计完成后，先使用流体力学计算软件（computational fluid dynamics，CFD），建立列车空调冷凝气流计算模型，模拟空调冷凝气流流动，判断空调冷凝气流短路的严重程度，并以此为根据进行改进后，制造样机，再进行性能试验，可以缩短列车空调设计周期2，减少人力物力的浪费。2求解方程空调气流流动过程遵守流体力学三大守恒定律和基本控制方程。在笛卡尔坐标系中，质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及为了封闭方程组而使用的湍流动能方程如下3。城市轨道交通列车空调冷凝气流仿真研究任继乐1，张路亚1，于悦青1，宋会兵2，张瑞刚2（1.洛阳市轨道交通集团有限责任公司，河南 洛阳 471000；2.石家庄国祥运输设备有限公司，河北 石家庄 050035）摘要：冷凝气流影响城市轨道交通列车空调制冷性能。为了分析冷凝气流流动情况，建立列车空调冷凝气流流动及换热计算模型。计算结果表明：有少量从冷凝风机出口流出的高温空气，没有经过充分的散热，再次进入空调冷凝器进风口。为避免或减少这部分高温气流进入冷凝器进风口，提高空调制冷性能，将空调两侧盖板上靠近冷凝风机的 2 排开孔取消。对改进后的空调进行仿真计算；根据模拟仿真结果，对改进后的空调进行性能试验。试验结果表明：改进后空调通风量降低 0.2%，但制冷量提高 1.4%，功耗降低3.7%，空调能效比提高 2.7%，证明改进措施有效。关键词：城市轨道交通列车；空调；冷凝气流；制冷性能；仿真中图分类号：U266.204.3文献标识码：A文章编号：1006-9178（2023）11-0053-04Abstract：Condensing air flow affects refrigeration performance of air conditioning in urban rail transit train.In orderto analyze the condensing air flow,a calculation model of condensing air flow and heat transfer of air conditioning inurban rail transit train was established.The calculation results show that there is a small amount of high temperatureair flowing out from the outlet of condensing fan,which does not pass through sufficient heat dissipation and enters theair inlet of air conditioner condenser again.In order to avoid or reduce this heat airflow into the condenser inlet andimprove the refrigeration performance of the air conditioning,two rows of openings near the condensing fan on thecover plates on both sides of the air conditioning are cancelled.The improved air conditioning is simulated,and theperformance test of the improved air conditioning is carried out according to the simulation results.The test resultsshow that the improved air conditioning ventilation reduced by 0.2%,but the cooling capacity increased by 1.4%,thepower consumption decreased by 3.7%,and the energy efficiency ratio of air conditioning increased by 2.7%,whichproves that the improved measures are effective.Keywords：Urban Rail Transit Train;Air Conditioning;Condensing Air Flow;Refrigeration Performance;Simulation54城市轨道交通列车空调冷凝气流仿真研究研究与交流质量守恒方程为VX=0。（1）式（1）中，V 为笛卡尔坐标系 3 个方向的速度分量（ui，uj，uk）；X 为笛卡尔坐标系 3 个方向（xi，xj，xk）的变量。动量守恒方程为uit+ujuixj=-1pxi+12uixixj。（2）式（2）中：t 为时间；为流体密度；p为流体压力；为流体粘性系数。湍流动能方程为()kt+()kuixi=xj ()l+tkkxj+tujxi()ujxi+uixj-。（3）式（3）中：k 为湍动能；l为层流粘度；t为湍动粘度；k为 k 方程湍流普朗特数；为耗散率。湍流耗散率方程为()t+()uixi=xj ()t+kxj+C1ujxi()ujxi+uixj-C2 2k。（4）式（4）中：为 方程的普朗特数；C1和 C2为常量。采用 CFD 建立列车空调冷凝气流计算模型，并用上述控制方程，求解列车空调冷凝气流流动数值。3空调冷凝气流计算模型3.1空调冷凝腔几何模型以某项目空调机组为研究对象，正常冷凝气流路径为：外界环境空气与冷凝器换热后，温度升高，然后被冷凝风机排到外界环境。空调内的高温气流与外界环境温度较低的空气通过对流及扩散换热后，温度降低，从空调机组两侧进入空调冷凝腔，通过气流流动进行换热。空调冷凝腔主要组成部件包括冷凝风机、冷凝器及管路等。建立空调冷凝气流计算模型时，需要对这些部件采取不同的处理措施。（1）冷凝风机。空调冷凝气流流动的源动力主要是风机叶片旋转对空气的挤压作用力。为了得到高保真的空调流场结果，应尽可能减少对冷凝风机几何模型的处理。因此，仅删除细小的倒角和安装螺栓等对流场影响很小的结构，保留叶片原始形状和尺寸。冷凝风机导流圈及气流流动方式如图 1 所示。图 1冷凝风机导流圈及气流流动方式（2）冷凝器。空调机组冷凝器由大量散热片和管路组成，结构非常复杂，无法直接建立计算模型。因此，选择多孔介质模型模拟气流通过冷凝器的阻力4。（3）管路。空调机组冷凝腔内的管路包括冷凝器内部的管路和其他连接冷凝器与压缩机等部件的连接管路。由于将冷凝器简化为多孔介质模型，冷凝器内部的管路可以忽略不计；其他连接管路直径较小，数量较少，对气流流动影响很小，也可以忽略不计。因此，建立模型时不考虑连接管路。根据以上建模原则，建立空调冷凝腔几何模型，如图 2 所示。图 2空调冷凝腔几何模型当列车高速运行时，从空调排到外界环境中的高温气流会被列车表面的高速气流带走，不会进入到冷凝器进风口，导致冷凝气流短路。因此，仅针对列车静止状态的空调冷凝气流进行仿真计算。3.2计算区域确定及网格划分3.2.1计算区域确定通常在空旷的环境进行空调机组性能试验。为了与试验环境保持一致，在确定冷凝气流计算区域时，计算区域应该足够大，以尽可能减小冷凝气流流动对计算区域边界的影响。根据以往计算经验及试算，确定计算区域尺寸。冷凝气流计算区域如图55铁道技术监督第 51 卷第 11 期3 所示。10H10W10LXZYL空调机组长度；W空调机组宽度；H空调机组高度图 3冷凝气流计算区域3.2.2网格划分确定计算区域后，将冷凝气流计算区域离散，即划分网格。由于列车空调几何结构十分复杂，如果划分六面体结构网格会耗费巨大精力，因此选择四面体非结构网格，并将冷凝风机等对气流流动有重要影响区域的网格加密，以提高计算精度。四面体网格总数为 2 315 万个。局部网格如图 4 所示。图 4局部网格3.3边界条件冷凝风机高速转动对空气的扰动作用属于湍流流动。湍流模型选择 RNG k-模型，压力与速度的耦合采用 SIMPLE 算法5。边界条件设置如下。（1）计算域 4 个侧面及顶面设置压力入口，设置静压为 0，温度为 35。（2）冷凝风机区域使用多参考坐标系（MRF）模 拟 冷 凝 风 机 的 旋 转 作 用6。风 机 转 速 为1 440 r/min。（3）冷凝器简化为多孔介质模型，模拟冷凝器对气流的阻力作用。（4）将列车空调总散热量作为四面体热源加载，设置在冷凝器多孔介质区域。4计算结果及分析列车空调冷凝气流流线如图 5 所示。（a）整体流线（b）局部流线图 5列车空调冷凝气流流线从图 5 可以直观地观察到空调冷凝气流流动路径。冷凝风机出口区域气流速度超过 20 m/s。但是通过冷凝气流流线图无法准确判断冷凝气流是否短路，以及短路的严重程度。冷凝器进风侧温度分布如图 6 所示。短路气流图 6冷凝器进风侧温度分布从图 6 可以观察到：空调冷凝器进风侧局部区域的最高温度为 38.4，环境温度为 35，相差3.4。这说明有少量从冷凝风机出口流出的高温空气，没有经过充分换热，再次进入空调冷凝器进风口，出现冷凝气流短路现象。这是因为，空调的56城市轨道交通列车空调冷凝气流仿真研究研究与交流冷凝气流经过冷凝器时，仅有部分热量被吸收，仍以较高的温度从冷凝风机出口流向外界。5改进措施为消除或降低气流短路，提高空调制冷性能，将空调两侧盖板上靠近冷凝风机的 2 排开孔取消。改进前后的空调盖板如图 7 所示。（a）改进前（b）改进后图 7改进前后的空调盖板空调盖板改进后，重新进行仿真计算，得到改进后冷凝器的进风侧温度分布，如图 8 所示。从图 8 可以观察到，冷凝器进风温度分布云图中无红色及黄色区域，最高温度由改进前的38.4 降低到 36.1。这说明改进措施可以降低冷凝器进风温度，即降低了空调冷凝气流短路程度。6试验验证根据仿真计算结果，对改进后的空调冷凝器进行制冷性能试验。改进前后的空调制冷性能试验数据见表 1。表 1改进前后的空调制冷性能试验数据项目改进前改进后通风量/（m3/h）5 0165 006制冷量/kW49.550.2功耗/kW26.825.8能效比 COP1.871.92空调改进后通风量降低 0.2%，但制冷量提高1.4%，功耗降低 3.7%，空调能效比提高 2.7%，证明改进措施有效。7结语列车空调冷凝气流短路会严重影响空调制冷性能，通常需要在空调样机阶段通过试验确定冷凝气流短路程度。通过建立空调冷凝气流计算模型，提取经仿真计算得到空调冷凝器进风侧空气温度与外界环境空气温度之间的差值，预测空调冷凝气流短路严重程度，为列车空调设计提供指导，缩短开发周期。参考文献1 金海魁，王颖，王健基于某宾馆采暖问题房间的室内气流组织研究J 建筑热能通风空调，2022，42（7）：69-742 贺德馨风工程与工业空气动力学M 北京：国防工业出版社，20063 褚双磊用于轴流风机的轴流叶轮气动性能试验研究 J 流体机械，2014，42（4）：6-114 孟添列车气密性及车内热舒适性研究D 成都：西南交通大学，20175 陈文朴，苏伟，郑文鹏，等轴流风机气动性能模拟及实验验证J 微特电机，2022，50（2）：36-406 张磊，吴楠，张倩基于 OpenFOAM 的离心压气机流场数值研究J 电力科学与工程，2020，36（4）：51-58（编辑牛建利）图 8改进后冷凝器的进风侧温度分布