AIRPAK案例_原创文档.pdf

AIRPAK案例--25K型空调硬卧客车室内气流组织的数值模拟

摘要：本文介绍了Airpak软件的特点及其在通风系统设计中的重要作用，并以25K型硬卧空调客车车

厢内气流组织为研究对象，建立物理模型，在Airpak软件的基础上，采用k-ε两方程紊流模型建立数学

模型，对其进行数值模拟。根据计算结果，初步分析了影响温度场和速度场的因素，为列车空调系统的设

计开发提供了参考依据。

关键词：空调客车气流组织数值模拟

近几年来，随着我国铁路空调客车应用的迅速发展，人们逐渐的认识到空调客车室内气流组织是影响旅客

热舒适性的主要因素。气流组织的研究内容包括速度场、温度场、浓度场及相对湿度的分布等。传统的铁

路空调客车室内气流组织设计是将送风气流看成射流，通过求解射流的经验公式来确定车厢内各个断面的

温度和速度分布，并采用调整送风口位置、尺寸、送风风速等方法改变温度分布和速度分布使其满足设计

要求。而射流的经验公式无法考虑到具体车厢内的形状及座椅、茶几、行李架等的影响，也不能考虑排风

气流对射流造成的影响。[1~3]所以采用经验公式获得的数据结果是比较粗糙的，传统的气流组织设计不能

准确预测室内的气流组织分布特征。计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics简称CFD）的

发展和应用，在一定程度上解决了空调系统设计中单凭经验和感觉进行设计而造成的不足。本文以25K型

硬卧空调客车为研究对象，采用k-ε两方程紊流模型，并结合CFD软件之一—Airpak软件对其进行数

值模拟和分析。

1Airpak软件的主要特点

CFD是运用流体动力学的基本原理进行“三传”（传热、传质、动量传递）及燃烧、多项流和化学反应研究

的重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境和化工等诸多领域，其中暖通空调

领域是CFD应用的主要领域之一。用CFD技术对一定空间中的气流组织进行模拟，通过建立数学物理模

型，根据提供的合理的边界条件和参数，可以对空调区域内空气流动形成的温度场、速度场和浓度场等进

行模拟，直观的显示其设计结果，并根据设计结果对其可行性和合理性进行分析研究，不断优化设计方案，

寻找有规律性的知识，更好的指导工程设计。

Airpak软件是在FLUENT（CFD技术的一个软件包）基础上发展起来的一个工具软件。主要是针对通风

系统的空气品质、热舒适性、空气调节及污染控制进行气流组织的模拟。Airpak提供了强大的物理模型创

建功能和快捷全面的网格处理能力。将通风系统中常见的各种物理模型如墙、人、散流器和桌椅等以形象

的实体模型表示，并提供了各种材料的物性数据库，满足不同系统设计的需求。Airpak在进行传热、传质

以及流体流动的计算时将调用FLUENT软件的处理器。该处理器使网格可以有多种形状。对二维流动可以

生成三角形和矩形网格；对于三维流动可以生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算

还可以生成混合网格；其自适应功能能对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。

处理器的数学模型是以N-S方程组为主体，再加上一些在主体方程组上补充附加源项、附加输运方程与

关系式的附加模型。采用有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都优于传统编程中使用的有限差分法。

采用压力校正法作为低速不可压流动计算方法，而可压缩流动采用耦合法。最后，Airpak根据计算结果进

行后处理，其后处理模块具有三维显示功能来展现各种流动特性，还能以动画功能演示非定常过程。图1

[45]

为Airpak应用流程图。，

图1Airpak应用流程图

2研究对象的物理模型

本文以25K型空调硬卧客车内部气流组织作为数值模拟计算对象。计算区域如图1所示。计算区域不包括

车厢两端的乘务员室、配电室和洗手间，只选择车厢的中部即长为18865mm，宽为3105mm，高为2

790mm的空间，车厢一侧有22组