基于多物理场耦合仿真的空调风道辅助设计与联调辅助研究

【摘  要】风道系统是轨道车辆中的重要设备，包括向空调系统传输待处理空气的回风道系统和传输经过空调系统处理过空气的送风道系统，能够为乘客提供舒适的乘车环境。而送风均匀设计和低噪声送回风设计也成为了轨道通风系统设计必须面对的课题，本文以标准80B车辆风道为基础，建立了通用的空调风道多物理场耦合仿真基础模型，可以大大缩短相关建模和仿真计算时间。

【关键词】城铁车辆；CFD；空调风道；多物理场耦合

1 前 言

风道系统是轨道车辆中的重要设备，包括向空调系统传输待处理空气的回风道系统和传输经过空调系统处理过空气的送风道系统，能够为乘客提供舒适的乘车环境。而送风均匀设计和低噪声送回风设计也成为了轨道通风系统设计必须面对的课题，风道联调工作也占用了设计师与车间的大量时间和公司的大量资源。传统的风道设计主要是根据经验设计风道结构，并依据相关车辆技术条件要求进行简单解析计算，然后通过试验对风道的性能进行考察，通过反复试验测得的送风局部测点来调整风道内部结构尺寸，风道内空气流动整体情况未知。传统风道联调工作都是在装车过程中进行，时间紧，任务重，联调速度慢，很容易出现耽误交车的情况。针对该情况，业内常采用热流耦合仿真计算的方式进行辅助[1]。

本提案将使用CFD（计算流体动力学）仿真的方法研究风道内部流场、热场，由于各车辆风道内部情况和仿真需求不同，单独建立一个仿真模型意义不大，但建立一个符合风道物理结构，计算速度快、模型修改容易的基础仿真平台较为合理。

2 仿真模型简介

2.1 模型结构和物理场

空调风道的主要仿真需求有两个，一是空调风道中流动方向的预测，二是空调风道中空气热量的传递，针对该情况，我们应在仿真模型中合理运用流体场和温度场。我们建立的仿真模型如图1所示。

该仿真的维度设置为三维，采用k-e湍流和流体传热模型进行耦合求解，为了减少计算量，提高仿真效率，我们进画出一半的空调风道，利用空调风道的对称性建模，仿真模型中尺寸完全参照标准80B型车辆建立，由于挡风板等结构属于优化项点，故在该模型中暂不画出。为方便日后的改进和优化，我们在各方向上预留了工作平面，方便增加挡风板、静压室等结构，其建模方式与Creo基本一致。

在物理场方面，如仅需计算风道中的各种流动，可以通过禁用热场来简化计算量。与此同时，仿真模型保留了物理场接口，可以添加声场等物理场进行进一步的仿真校核。

2.2 参数设置

在进行仿真前，首先确定物理场为三维的热流耦合仿真物理场。流场设置方面速度出口应为空调条缝口，所有边界除出入口外均设置为封闭，风道进风口作为速度入口，风速设置为空调出风速度。

温度场设置方面，暂时选定环境温度为20摄氏度常温，空调温度进风温度设置为10摄氏度，边界不设置热通量。

以上所有参数可以通过快捷点选的方式进行更改，能够实现快速修改，仅修改参数可以通过更新解的形式进行简便计算，点选页面如图2所示。

2.3 模型网格划分

仿真模型的网格划分如图3、图4所示，总体上采用自由四面体网格，提高解算的速度，边界层进行了一定程度的细化，提高了解算的准确度，网格已经通过了网格无关性检验，确认了仿真结果的准确性。

3 试验性仿真结果

3.1 流场仿真结果

图5、6、7分别为该模型直接仿真的速度云图、压力云图、流线图。

通过仿真结果可以了解到风道的窝风区、高低速区以及各出口的风速大小，通过不断增加挡风板、静压仓等结构，可以不断优化各出风口的风速大小，甚至有可能不再需要司机室送风装置就可以保证司机室的舒适度。

3.2 热场仿真结果

图8为该模型的温度场计算结果，通过不断地优化，我们可以控制每个出风口的出风温度和热量浪费，该模型可以在下方进一步添加客室结构，计算客室的温度变化，优化设计，验证设计合理性。

4 结束语

本方案的研究响应了公司数字化研发的要求，建立了一个适用于空调风道优化设计，联调作业的辅助模型，该模型具有便于修改，计算快捷，结果准确等优点，在空调风道自主优化与车辆空调系统正向设计方面可以起到重要作用。

参 考 文 献：

[1]  王亮；王建明；龚海峰；何涛；陈柱.灯泡贯流式水轮发电机热流耦合温度场分析[J].重庆理工大学学报（自然科学），2017，05：88-92.