一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法及其应用技术

一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法及其应用，涉及数值仿真领域，具体是一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法，以及应用该方法在高速列车空调设计中的应用。首先确定高速列车空调冷凝风量数值计算方法，步骤为利用几何建模Proe软件建立模型、划分计算域、划分网格、设置边界条件、计算及计算结果校正。在上述模型基础上，增加进出风装置的模型进行仿真计算；对不同进出风装置的计算结果进行比对，选择最优的进出风结构。

Numerical calculation method and application of condensing air volume for high speed train air conditioning

A calculation method and application of high speed train air conditioning condensation air flow numerical simulation to specific areas, is a calculation method for high speed train air conditioning condensate volume value, and the application of this method in application of air conditioning design in high speed train. Firstly, the numerical calculation method of condensing air volume of high speed train air conditioning is determined. The steps are to establish model, divide calculation domain, divide grid, set boundary condition, calculate and calculate result correction by geometry modeling Proe software. On the basis of the above model, the model of the air inlet and outlet unit is added to simulate the calculation. The results of different air inlet and outlet units are compared, and the optimum air inlet and outlet structure is selected.

【技术实现步骤摘要】
一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法及其应用
本专利技术涉及数值仿真领域，具体是一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法，以及应用该方法在高速列车空调设计中的应用。
技术介绍
安装在列车顶部的空调是调节旅客舒适度的重要装置。顶置式轨道车辆空调的冷凝侧进出风方式分为有两种：顶进侧出，即气流首先从冷凝风机进入冷凝腔，然后经过换热器热交换后排出到外界大气；侧进顶出，即气流首先经过热交换器，然后被冷凝风机排出到外界大气。当空调位于在列车顶部时，为了便于冷凝侧的空气循环，国内外通常采用空调凸出车体表面一定高度的设计，对于高速列车尤其如此。通常采取的措施是在出风侧安装扰流条，安装扰流条后，由于高速气流在扰流条处产生流动分离，在扰流条下游区域形成低压区，有利于冷凝出风，从而保证了空调制冷效果。研究表明，随着列车车速的提高，突出车体表面造成的气动阻力成倍增加。为此，提出了列车顶部平顺化的要求，即空调与车体表面平齐。列车静止或者低速运行时，车体表面附近气流的动压力较小，无论对于顶进侧出还是侧进顶出的空调，冷凝风机所做的功都足以克服外界低速气流的阻力，从而保证空调系统有足够的冷凝风量来进行热交换达到额定的制冷效果。随着铁路列车运行速度的逐步提高，列车高速运行时，列车周围的空气流场对空调性能影响凸显出来：车体表面附近的气流具有很大的动压力，而冷凝风机的功率大小是有限制的，因此随着列车运行速度的提高，尤其对于有平顺化要求的列车，空调与列车表面平齐，不允许在出风侧安装凸出扰流条，这就造成冷凝风量会迅速减小，导致空调制冷效果下降，影响了旅客乘坐的舒适。此现象在时速350公里动车组高速运行尤为严重，目前国内外还没有应用于平顺化列车空调的有效解决方案。在车辆静止状态下，列车空调的冷凝风量可以在空调冷凝进风口布置设备，比较方便的进行试验测量；当车辆高速运行时，尤其对于时速350公里的动车组高速运行时，在空调冷凝进风口布置设备进行风量测量难度会大大增加，并且由于高速气流的干扰，试验测量结果的准确度也难以保证。目前，国内外对于高速列车空调的冷凝风量随车速的变化关系及其产生机理还没有一个准确深入的认识。数值仿真方法可以深刻揭示空调冷凝风量随车速的变化关系及其产生的机理。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于高速列车顶部平顺化设计条件下，空调冷凝风量的数值仿真计算方法，进而增加冷凝风进出口模型进行仿真计算，获得最佳进出风结构设计。本专利技术采用的技术方案是：一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法，使用fluent软件实现，包括以下步骤：1-1：利用几何建模软件建立模型：空调模型中包括冷凝器和冷凝风机，其中冷凝器使用多孔介质模型来模拟气流通过冷凝器的压降效果，冷凝风机扇叶使用真实模型；冷凝器的压降公式为：y=ax2+bx+c，其中，y—压降或阻力（Pa），x—风速（m/s）；上式中的a、b、c系数可以通过试验方法得到。车体模型使用真实尺寸；把空调模型按照实际安装状态装配到车体模型中，空调位于车体顶部中心位置；1-2：计算域的划分：计算域分块处理：建立包围冷凝风机扇叶的圆柱形区域作为冷凝风机计算域A，该圆柱形区域的直径大于冷凝风机扇叶直径1~3mm，高度与冷凝风机扇叶高度相等，其他部分作为计算域B，计算域之间使用interface传递信息；1-3：划分网格对计算域离散化；1-4：设置边界条件：计算域入口设置为速度入口，速度值等于车速，出口设置为压力出口，静压值0Pa，冷凝风机扇叶设置为旋转壁面，旋转速度等于风机转速，其他均为无滑移壁面边界条件，湍流模型选择RNGk-e湍流模型；湍动能及耗散项选择二阶迎风格式；1-5：计算：使用Fluent软件首先对冷凝风机计算域使用多参考坐标系进行稳态计算，待计算结果收敛后转换到瞬态求解器，以稳态计算结果作为瞬态计算的初始条件，时间步设置为小于等于0.0001s；瞬态计算稳定后，输出冷凝风量和冷凝风机叶轮功率；1-6：计算结果校正，获得校正系数。高速列车空调冷凝风进出风装置的设计方法，基于上述计算方法，在车体模型中，增加进出风装置的模型进行仿真计算；对不同进出风装置的计算结果进行比对，选择最优的进出风结构。通过上述步骤选择的是格栅结构，格栅结构的具体尺寸与车速的关系如下：格栅间距（mm）=M×车辆最高运行速度（km/h）格栅高度（mm）=N×车辆最高运行速度（km/h）M取值范围：0.2-0.6，N取值范围：0.05-0.3。叶轮功率和风量在车辆静止或低速运行时满足二次曲线方程，当车辆高速运行时，风量和功率之间的关系已不是二次曲线，冷凝风量难以在试验室测量，而进风量与叶轮功率是相关的，可以通过比较叶轮的理论功率和实际功率来间接验证冷凝风量。这是本专利技术的理论基础。采用本专利技术，首先建立真实比例的空调和车体模型，在此过程中，忽略对气流流动影响不大的细节以简化设计，通过计算得出输出冷凝风量和冷凝风机叶轮功率，再根据计算结果和冷凝机性能指标和实验数据对模型参数和计算结果进行校正，得到准确的数值模拟计算模型；在此基础上，通过在模型中增加不同的进出风装置模型进行计算，比较使用不同装置情况下的计算结果，进而得到理想的高速轨道列车上空调进出风口上装置的结构。有益效果：采用本专利技术，避免了列车空调冷凝风量在车辆高速运行时难以测量的问题，提供了一种用于高速列车空调冷凝风量的数值仿真计算方法，可以比较准确地得到在各个车速下的空调冷凝风量，降低了测量成本，为相关研究提供了一个基础平台，扩大了研究范围；在此基础上，增加冷凝风进出口模型进行仿真计算，为冷凝风进出口位置的结构设计提供了理论支持和依据，并进一步获得了最佳进出风结构设计，保证了高速运行的平顺化列车上空调的正常运行，满足了旅客乘坐舒适性要求。附图说明图1是整体模型的示意图，图2是空调模型的示意图，图3是本专利技术的格栅仿真模型，图4是楔形扰流条形进风结构，图5是十字交叉扰流条进风结构，图6是冷凝器压降曲线，图7风量—功率曲线，图8是无进风装置情况下车辆高速运行时气流方向，图9是在进出风口安装格栅的情况下车辆高速运行时气流方向，图10是计算域A包括的范围示意图，图11是格栅的结构图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。首先，利用几何建模软件（如Proe）建立真实比例的空调和车体模型：空调模型：空调模型中包括冷凝器和冷凝风机，其中冷凝器使用多孔介质模型来模拟气流通过冷凝器的压降效果，冷凝风机扇叶使用真实模型，通过冷凝风机的压力跃升由Fluent软件计算。气流通过冷凝器的压降，经过二次多项式拟合得到冷凝器的压降公式，如图6所示，压降公式为：y=ax2+bx+c，其中，y—压降或阻力（Pa），x—风速（m/s）；其中，y—阻力或压降（Pa），x—风速（m/s）。通过试验测量通过冷凝器的风量及对应的阻力值，进而得到对应的三个系数，a=5.21，b=21.3，c=1.3，压降公式为：y=5.21x2+21.3x+1.3。空调模型中，显著影响气流流动的其他主要部件，例如压缩机、导流板、较大的管路等，以实际的外形尺寸建模。忽略不显著影响气流流动的部件，如安装螺栓、固线架等。车体模型使用真实尺寸：首先按照实际尺寸建立车体截面模型，然后将该二维模型进行拉伸，如至少拉伸20米，进而建立实体模型。以上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法，使用fluent软件实现，其特征在于包括以下步骤：1‑1：利用几何建模软件建立模型：空调模型中包括冷凝器和冷凝风机，其中冷凝器使用多孔介质模型来模拟气流通过冷凝器的压降效果，冷凝风机扇叶使用真实模型；冷凝器的压降公式为：y=ax

【技术特征摘要】
1.一种高速列车空调冷凝风量数值计算方法，使用fluent软件实现，其特征在于包括以下步骤：1-1：利用几何建模软件建立模型：空调模型中包括冷凝器和冷凝风机，其中冷凝器使用多孔介质模型来模拟气流通过冷凝器的压降效果，冷凝风机扇叶使用真实模型；冷凝器的压降公式为：y=ax2+bx+c，其中，y—压降或阻力（Pa），x—风速（m/s）；车体模型使用真实尺寸；把空调模型按照实际安装状态装配到车体模型中，空调位于车体顶部中心位置；1-2：计算域的划分：计算域分块处理：建立包围冷凝风机扇叶的圆柱形区域作为冷凝风机计算域A，该圆柱形区域的直径大于冷凝风机扇叶直径1~3mm，高度与冷凝风机扇叶高度相等，其他部分作为计算域B，计算域之间使用interface传递信息；1-3：划分网格对计算域离散化；1-4：设置边界条件：计算域入口设置为速度入口，速度值等于车速，出口设置为压力出口，静压值0Pa，冷凝风机扇叶设置为旋转壁面，旋转速度等于风机转速，其他均为无滑移壁面边界条件，湍流模型选择RNGk-e湍流模型；湍动能及耗散项选择二阶迎风格式；1-5：计算：使用Fluent软件首先对冷凝风机计算域使用多参考坐标系进行稳态计算，待计算结果收敛后转换到瞬态求解器，以稳态计算结果作为瞬态计算的初始条件，时间步设置为小于等于0.0001s；瞬态计算稳定后，输出冷凝风量和冷凝风机叶轮功率；1-6：计算结果校正，获得校正系数。2.根据权利要求1所述的高速列车空调冷凝风量数值计算方法，其特征在于：冷凝器的压降公式中，a=5.21，b=21.3，c=1.3，压降公式为：y=5.21x2+21.3x+1.3。3.根据权利要求1所述的高速列车空调冷凝风量数值计算方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫英华，宋会兵，曾昭曙，彭玉龙，
申请(专利权)人：石家庄国祥运输设备有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13