動車組的高速化、舒適化對空調(diào)系統(tǒng)提出了更高的要求，車內(nèi)環(huán)境的舒適程度直接關(guān)系到旅客的旅行生活質(zhì)量。車內(nèi)空氣流場的研究是車內(nèi)環(huán)境控制的重要方面，合理的車內(nèi)氣流組織能有效改善旅客的乘車舒適性。通過對影響車內(nèi)流場的各種因素的分析，可以有針對性地對存在的問題加以改進，達到有效利用能源和改善車內(nèi)環(huán)境，提高高速動車組乘坐舒適度的目的。
本文以某高速動車組一節(jié)車為研究對象，對車內(nèi)空氣流場進行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析，依據(jù)分析結(jié)果對其空調(diào)系統(tǒng)性能及車內(nèi)組織布局進行評估。
2 計算模型及方法
2.1 計算模型及網(wǎng)格劃分
（1）計算模型
本文采用某高速動車組的一節(jié)車為計算模型，如圖1所示，包括車體、通過臺、設(shè)備間、廁所、車窗、塞拉門、內(nèi)端門、車內(nèi)部件及乘客。
該車空調(diào)送風道由主風道及支風道組成。主風道沿車頂中部設(shè)置，夏季工況有75%冷風進入主風道，通過其下部的孔板進入客室內(nèi)；主風道兩側(cè)連有支風道，在夏季有25%的冷風通過兩側(cè)支風道，從車體下部進入客室內(nèi)。
圖1 車體及乘客計算模型
采用六面體網(wǎng)格；在車內(nèi)及乘客體表生成2層邊界層網(wǎng)格，總厚度為0.01m；在內(nèi)端門下部通風孔等尺寸較小區(qū)域的設(shè)置網(wǎng)格加密區(qū)；整個計算域的網(wǎng)格總數(shù)約為980萬。圖2為整車、中間縱斷面、橫斷面及近壁面處和加密區(qū)的網(wǎng)格。
（a）整車
（b）縱截面
（c）橫截面及近壁面處網(wǎng)格
（d）加密區(qū)網(wǎng)格
圖2 網(wǎng)格劃分
2.2 邊界條件及計算設(shè)置
采用CFD軟件STAR-CCM+進行并行計算?？諝鉃楹愣芏龋涣鲃訛榉€(wěn)態(tài)流動；不考慮重力；采用Realizable K-eplison湍流模型和壁面函數(shù)法；空間離散采用二階迎風差分格式，迭代方式選用Simple算法。
計算邊界條件如下所示：
（1）入口邊界條件：客室頂部及下部各送風入口流量采用空調(diào)送風道數(shù)值計算得到的數(shù)據(jù)，速度均勻分布，方向垂直于邊界。
（2）出口邊界條件：回風口和廢排出口邊界根據(jù)已知的流量分配采用split-outlet邊界。
3 計算結(jié)果及分析
為了得到詳細的車內(nèi)速度分布信息，分別從不同橫、縱斷面和垂斷面觀察客室的速度場。
3.1 客室橫斷面速度分布
（a） 乘客腳部
（c） 乘客肩部
（d）乘客頭部
圖3 客室橫斷面速度分布
（b）乘客腿部
圖3顯示了客室內(nèi)乘客腳部、膝部、肩部和頭部的速度分布情況?？褪覂?nèi)空氣流動明顯低于車廂兩端通過臺；一位端因存在空調(diào)回風口，空氣流速高于二位端通過臺；一位端通過臺回風口附近空氣流動狀況隨截面高度的升高而趨于平緩，有利于乘客的乘車舒適性。
乘客腳部、膝部截面乘客周圍的速度在0.008-0.5m/s之間；乘客肩部、頭部截面的速度在0.05-0.2m/s之間，且分布均勻；在空調(diào)排風口附近空氣流動明顯強于其他區(qū)域，可見空調(diào)排風口結(jié)構(gòu)對車內(nèi)流場存在較大影響。
3.2 客室縱斷面速度分布
圖4 客室中間縱斷面速度分布
圖4顯示了客室中間縱斷面的流速分布情況。由圖可知一位端、二位端通過臺的空氣流速高于客室內(nèi)空氣流動；因一位端內(nèi)端門下部通風口面積狹小，此處風速較高；由一位端至二位端，客室內(nèi)的流動情況趨于平緩?？梢娨晃欢藘?nèi)端門下部的通風孔、在一位端設(shè)置空調(diào)回風口等結(jié)構(gòu)均對車內(nèi)流場存在影響。
（b）二位側(cè)過道
（a）一位側(cè)過道
（c）一位側(cè)窗邊
（d）二位側(cè)窗邊
圖5 客室縱斷面速度分布
圖5顯示了客室各縱斷面的流速分布情況?？梢钥闯?，客室各縱斷面的流速分布整體上較為均勻，只在一位端通過臺下部通風孔處存在高速區(qū)；其中客室中間過道兩側(cè)乘客周圍風速在0.02-0.5m/s之間，乘客腳部風速比其他區(qū)域稍高。
客室內(nèi)一位側(cè)的行李架為整車長度，二位側(cè)的行李架為其長度的一半。由圖5（c）和圖（d）可知，一位側(cè)靠窗乘客比二位側(cè)靠窗乘客周圍的空氣分布更均勻，行李架的設(shè)置對客室內(nèi)流動有較大影響。
3.3 客室垂斷面速度分布
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圖6 客室垂斷面速度分布 |
圖6顯示了客室各垂斷面的流速分布情況，各斷面流速均在0.001-0.6m/s之間。圖中各斷面對應的車內(nèi)結(jié)構(gòu)和風道結(jié)構(gòu)不同，流動情況存在差異，但各斷面乘客周圍的流動情況均比較穩(wěn)定。
3.4 乘客體表空氣流速分布
圖7 乘客體表空氣流速分布
圖7為乘客體表空氣流速分布情況。由圖可知，空調(diào)風道前端部分（即靠近一位端）乘客的體表空氣流速稍比尾部（即靠近二位端）的乘客高，但均在0.2m/s以下。乘客腿部風速比頭部普遍偏高，且靠近廢排風道排風口的風速最高，在0.3m/s左右。
4 結(jié)論
本文采用CFD技術(shù)，對夏季工況下某高速動車組車內(nèi)流場進行了分析。計算中考慮了車內(nèi)部件及乘客對車內(nèi)流場的影響，符合實際情況。本文的分析結(jié)果形象直觀地對客室內(nèi)的空氣流場作出分析和評價，可為工程設(shè)計提供指導。
（1）客室內(nèi)橫、縱、垂斷面均在0.6 m/s以下，速度分布較均勻；乘客周圍微風速為0.05~0.6m/s，分布均勻，滿足UIC553中“客室內(nèi)風速要求在0.05~0.6m/s之間”的規(guī)定。
（2）在夏季工況下，該空調(diào)通風系統(tǒng)能使車廂內(nèi)得到比較合理的微風速分布，滿足乘客舒適性要求。
（3）空調(diào)送風口、排風口的位置和結(jié)構(gòu)，以及車內(nèi)部件布置，均對車內(nèi)流場存在較大影響，可作為進一步優(yōu)化研究的目標。
5 參考文獻
[1]Hara J, Fujitani K, etal. Computer Simulation of Passenger Compartment Air-flow[C]. SAE paper 881749,1988.
[2] UIC553-2004 《客車通風、采暖及空調(diào)》.
[3] 王剛. 新型高速列車氣流組織與熱舒適性研究. 哈爾濱工業(yè)大學博士論文. 2003,6.
[4] 譚洪衛(wèi). 計算流體動力學在建筑環(huán)境工程上的應用. 暖通空調(diào). 1999,29(4):31～35.
[5] 孫劍, 湯廣發(fā), 李念平, 劉云川. 復雜外形建筑室內(nèi)氣流數(shù)值模擬研究. 暖通空調(diào). 2002,32(2):8～10.
[6] 陳煥新, 黃素逸, 張登春. 空調(diào)列車室內(nèi)氣流分布的數(shù)值模擬. 流體機械. 2002,30(4):59～61.
