地铁车厢空调气流组织模拟和优化-付杰剖析.ppt

LOGO LOGO LOGO LOGO 地铁车厢空调气流组织模拟和优化 高等流体力学 城市建设与安全工程学院 付杰 622085213102 一、概要 随着人们生活水平的提高，地铁已逐渐成为城市交通 的一种重要运输工具，同时对地铁空调舒适与节能的要求也 越来越来高。研究表明，良好的空调气流组织对于室内热环 境的舒适性和节能性相当重要。地铁车内空调气流组织的好 坏往往取决于设计方案中风口的布置。 近年来，计算流体动力学（CFD）越来越多地应用于 对室内空气流动的模拟与预测，如果将其应用于地铁车内空 调气流组织设计中，就可以在实际应用前掌握车内空调气流 的温度与速度分布。 本文以某实际的地铁车厢为例，说明气流组织模拟在 地铁空调设计中的应用。 二、数学模型 地铁车厢内的气流作湍流运动。在湍流中流体的各种物理参数， 如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。这里，采用 Reynolds 平均法来模拟湍流运动。以张量形式表示的湍流对流换热的 Reynolds 时均方程为： 连续性方程 （1） 动量方程 （2） 能量方程 （3） 动量方程中，-ρui’uj’为湍流应力。引入Boussinesq假设，湍流应力可 表示为： （4） 对于能量方程中的湍流脉动附加项-ρuj’T’，引入相应的湍流扩散系 数Γt，则湍流脉动所传递的通量可表示为： （5） 湍流粘性系数ηt 和湍流扩散系数Γt 都不是流体的物性参数，而取决 于湍流的流动。实验表明，二者的比值可近似地视为一常数。 （6） 因此，计算湍流的关键在于ηt 的确定。这里采用Realizable k-ε 两 方程模型来确定ηt。Realizable k-ε两方程模型是对standard k-ε 两方程 模型的修正，引入了与旋转和曲率有关的内容。该模型已被有效地用于 各种不同类型的流动模拟。该模型中关于湍流脉动动能和脉动动能耗散 率ε 的输运方程如下： （7） （8） ηt 由下式计算得到： 上述方程中，ρ 为密度，u 为速度，x 为空间坐标，τ为时间，C1、 C2、C3、μ、σ 和σε 为常数。 三、物理模型 图1 给出了该地铁车厢空调风口设计的两种方案，红线标出的是排 风口。两种方案中，空调送风口、回风口、排风口均位于车体顶部。两 种方案的差别主要是排风口的位置、数量以及尺寸的不同，具体如表1所 示。地铁车厢及空调风口布置的物理模型 （a）方案A （b）方案B 进行网格划分时，车内空间采用四面体网格，风口采用规则网格。 考虑到风口处空气流动变化较大，因此送风口、回风口与排风口处网格 均加密。 四、计算条件 地铁车厢内部结构复杂，车内障碍物（如灯、座椅）较多，进行气 流组织仿真时需要对实际情况进行合的简化。本实例中，仿真主要针对 空调区域进行，特点如下： 1）考虑了车厢内座椅对气流的影响； 2）考虑了门、窗户等对车体传热的影响； 3）忽略车内灯等尺寸较小障碍物对气流的影响。 车体热边界条件和车内热源的确定对气流仿真