地铁车厢空调气流组织模拟和优化-付杰资料.ppt

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 LOGO 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。 LOGO 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, -ρ ui’ uj’为湍流应力。引入 Boussinesq 假设,湍流应力可表示为: (4) LOGO 对于能量方程中的湍流脉动附加项-ρ uj’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η t 和湍流扩散系数Γ t 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η t 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: LOGO (7) (8) η t 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。 LOGO 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 LOGO (b)方案 B LOGO 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。 LOGO 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相当重要。本文仿真中车体围护结构热边界条件设定为第一类边界条件,即定热流密度。围护结构传热量与热流密度根据车体传热负荷确定,结果如表 2 所示。 LOGO 表 2 地铁车厢围护结构传热量与热流密度与车内热源确定相关的显热负荷包括太阳辐射热负荷、人体显热负荷与机电设备热负荷。车体仿真模型中,将车体分为工作区(乘客活动区域, m 以下)与非工作区(靠近车顶区域, m 以上)上下两个部分。上述的显热负荷通常都会影响到工作区的温度分布,而对非工作区造成较大影响的一般只有太阳辐射热负荷。根据车体负荷,可得出工作区的热源密度为 W/m3 ,非工作区热源密度 。计算中,每个送风口送风速度均为 m/s ,送风温度为 14 ℃。