风道结构优化对地铁车室内气流组织均匀性影响的研究

论文摘要

随着我国地铁城轨空调列车应用的迅速发展,地铁城轨车辆已经成为现代化城市交通极为重要的运输工具,为乘客提供舒适的内部乘车环境是对地铁城轨车辆的基本要求和重要指标。空调送风系统是当前地铁城轨车辆重要的子系统,车室内人体热舒适性在很大程度上取决于风道送风的均匀性。传统的地铁城轨空调列车气流组织设计一般是通过经验公式来确定车厢内各个断面的温度和速度分布,但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。本文以某地铁某号线中间车厢为研究对象,结合计算流体力学软件--FLUENT软件对通风系统内添加穿孔挡风板前后车厢内部三维空间区域的空气流动和传热状况进行了对比分析和评价,并得到在风道内指定位置添加穿孔挡风板可以较好的改进风道出风和室内气流组织的均匀性。论文利用数值计算方法对通风系统内添加穿孔挡风板前后地铁车室内的温度场和速度场进行了模拟。论文针对整车模型做了适当的简化,对地铁列车通风系统和车室在湍流主区采用k ?ε模型,车内的空气密度符合Boussinesq假设,计算中采用了多种壁面散热条件,综合考虑了车体壁面传热、太阳辐射、人体散热等多种传热过程,并考虑了由于温度差引起的浮升力的影响,在壁面附近粘性支层中,采用壁面函数法。模型全部采用Tet四面体网格,且风口处、边界及热源附近等速度与温度等场变量梯度较大的区域内网格划分较细。文中详细分析了通风系统内添加穿孔挡风板前后数值计算的结果,得出了优化设计前后温度场和速度场的分布特征,并总结得到流场分布的规律及其主要影响因素,并发现初步优化的效果比较明显。研究发现:在风道内指定位置添加穿孔挡风板可以较好的改进风道出风和室内气流组织的均匀性。没有添加穿孔挡风板时,整个车厢内温度梯度较大,车厢内送风口正下方区域风量较小,而车厢中部区域风量较大,风速较高,人体吹风感较明显,车室内气流组织不是很理想;添加穿孔挡风板后,整个车厢内温度梯度在3℃范围内,风速也符合设计要求。为了验证通风系统内添加穿孔挡风板后的数值模拟结果,论文对优化后的试验车辆通风系统的各个条缝送风口进行测量,将模拟计算所得结果与试验测量值进行对比,结果表明:添加挡板后风道出风的模拟计算速度值与试验值较为接近,且分布趋势也相吻合,较好的验证了数值模拟计算结果准确度较高,且风道内添加挡板后送风均匀性与车厢内气流组织均较好。论文的研究表明,使用数值模拟方法来分析和研究通风系统出风均匀性与车厢内气流组织合理性是可行的。文中对通风系统内部改进提出的合理建议,有利于地铁空调列车通风系统送风均匀性和车室内的舒适度的提高。研究结果为地铁空调列车通风系统以及车厢内气流组织的合理设计提供了参考依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外地铁列车风道现状与发展
• 1.3 本文主要工作
• 1.4 本章小结
• 2 试验车辆结构及其空调通风系统简介
• 2.1 概述
• 2.2 试验车辆
• 2.3 空调通风系统简介
• 2.4 本章小结
• 3 地铁空调列车风道送风规律及内部添加挡板改进设计
• 3.1 概述
• 3.2 地铁列车通风系统送风规律
• 3.3 地铁列车风道内部结构改进设计
• 3.4 本章小结
• 4 地铁空调列车车室内气流组织数值模拟
• 4.1 概述
• 4.2 地铁空调列车车室内气流组织的流动和传热描述
• 4.3 地铁空调列车气流组织的数学模型
• 4.4 地铁列车中车物理模型
• 4.5 网格生成
• 4.6 边界条件
• 4.7 本章小结
• 5 风道内添加穿孔挡风板前后数值模拟结果及分析
• 5.1 概述
• 5.2 添加穿孔挡风板前计算结果及分析
• 5.3 添加穿孔挡风板后计算结果及分析
• 5.4 本章小结
• 6 地铁列车空调通风系统送风均匀性试验研究
• 6.1 试验目的
• 6.2 试验依据
• 6.3 试验内容
• 6.4 试验仪器
• 6.5 试验步骤
• 6.6 试验结果
• 6.7 试验结果与模拟结果对比分析
• 6.8 本章小结
• 7 全文工作总结与下一步工作展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士期间发表的论文和参与科研项目
• 附录2 风道试验数据表