0. 引言

随着计算机技术的飞速发展，利用计算流体动力学（ComputationalFluid Dynamics，简称CFD）仿真方法求解流场控制方程已经取得了巨大的成功，CFD仿真已经日渐成为暖通空调领域不可或缺的工具。CFD仿真具有重复性好、易现性好、条件易于控制、可以重复过程等诸多优点，通过CFD仿真还可以发现一些新的现象，从而起到对理论研究的指导作用。

在本文研究过程中，充分利用了CFD仿真，并与实验相结合，对高档软卧车夏季工况下包厢内空调系统的气流组织特点进行了分析，针对高档软卧车的特点提出空调系统进行优化的两种方案。

本论文在使用CFD有限元软件进行数值计算过程中采用了标准两方程模型，它是一个半经验的数学模型，包含紊流脉动动能方程（方程）和紊流能量耗散率方程（方程）等六个控制方程，在紊流的工程计算中，两方程模型应用最广泛，这是一种比较成熟的算法，经过前人的使用证明它也是比较成功的数学模型[1]。

图1 CFD仿真物理模型

本文对每个离散化后得出的代数方程采用Gauss-Seidel点迭代法进行求解，其系数矩阵满足Gauss-Seidel点迭代收敛的充分条件。对整个耦合方程组，本文采用SIMPLE算法。在后处理过程中采用软件自带的通用后处理器对运算结果进行判断、输出。

1.物理模型

CFD仿真物理模型如图1所示。

几何尺寸（长×宽×高）：4m×2.05m×2.6m

送风口：400mm×38mm（5个），出风角度50º

回风口：330mm×140mm（2个）

包厢内有床，衣柜，写字台各一个，坐椅两个，人体。（在后面的仿真及实验分析中，如图1所示，以包厢左后下角为坐标原点，X代表4m的长度方向，Y代表2.60m高度方向，Z代表2.05的宽度方向）边界条件设定：风口送风温度18℃，送风速度3.7m/s；室外温度29℃，辐射温度32.5℃，地面温度32.5℃，车厢顶部温度32.5℃

包厢地板、顶棚及写字台所在墙体为外壁面，其余三面墙为内壁面。

2. CFD仿真

图2、3、4是CFD仿真结果。

图2是风口气流流线图，可以看出气流由送风口吹出后的基本流向。图3与图4是距离地面1.2m水平切面的速度和温度等值图。

由CFD仿真结果可以看到，包厢内气流的基本流动规律是：气流由送风口吹出后，由于送风口有一50º仰角，气流吹到顶部后反弹，包厢宽度也就是Z方向气流沿墙壁贴附向下流动，而X方向由于包厢较长，气流吹送距离达不到壁面，所以在床上部附近大部分气流进入回风口。由图4切面温度等值图可以看出包厢内温度最高点位于床上部位置，由床上部到工作区再到包厢立柜处，温度逐渐降低，温度最低点在靠近立柜处壁面位置。床上部与工作区存在明显的温度梯度。同时，包厢内的速度场也不十分均匀，由图3距离地面1.2m的切面速度等值图可以看出，在靠近立柜一侧的速度最大，而床上部风速较小；这是主要是由于送风口主要集中于工作区，而在床上部没有送风口，因而形成了送风死角；在仿真图中还可以看到，靠近回风口一侧的风速要高于工作区内的风速，这是由于相比于X方向的包厢长度，Z方向的包厢宽度较短，而且送风是沿顶作贴附流动，所以近回风口处的贴近壁面的速度要明显大于工作区内的气流速度。下面用实验来验证仿真结果的准确性。（以下实验所测数据为五个送风口，两个回风口的实验数据）

图2 风口气流流线图

　　
　　图3 1.2m切面速度等值图　　　　　　　图4 距地面1.2m切面温度等值图

3. 实验台及实验仪器简介

本实验台按照高档软卧车尺寸1：1原型建立，如图1所示，风道长度与断面尺寸也与实际风道设计尺寸相同。各支风道上装有电动调节风口与手动调节风口，可以调节风口的出风速度。车厢的外部环境采用经改进后的直接蒸发式空调机组加热或冷却至等效环境温度，以模拟列车实际运行时的等效环境。送风采用冷水机组处理至设计送风温度。

本实验台对送、回风机加装变频器，通过调节风机的频率来控制实验所需的系统风量。风速的测量采用KANOMAX公司生产的40个点的Model 1550多通道风速仪，采用的传感器探头是与1550多通道风速仪相配套的KANOMAX公司生产的0965－08热式风速仪传感器探头，探头精度为：

0.10～4.99m/s ：最大误差±0.15m/s；

5.00～9.99m/s ：最大误差±0.3m/s；

10.0～25.0m/s ：最大误差±0.6m/s

温度测量采用惠普公司的120个点的HP34970A数据采集/开关单元，探头采用铜-康铜热电偶,精度为±0.2℃

在温度、压力、速度测量方面，测量仪器均与计算机连接，由计算机处理、输出数据，并采用自控装置控制各种参数。实验段远程测量装置见图5。

4. 实验数据采集及处理

4.1 包厢垂直切面测量

图6是高档软卧车1：1原型（未加电动风口时）。在包厢内选取一垂直于X轴，距原点180cm的YZ平面，平面上布置了30个测点，测点布置如图7所示，实验实测数据见表1。用相关软件插值处理后可以得到切面速度等值图8

　　
　　图5 实验室远程测量装置　　　　　　　　　　　图6 包厢测量实验段

　　
　　　图7 速度测点布置　　　　　图8 切面速度等值图　　　　　　图9 切面温度等值图

可以看到，包厢内除去布置于送风口附近的一个测点速度达到3m/s外，其余各测点最大速度出现在近回风口一侧贴近壁面处，气流速度达到了0.5m/s；风速最低点出现在贴近地面的测点，速度小于0.1m/s；分析原因是由于送风沿壁面做贴附流动，但是送风口出风有一50º仰角，斜吹向顶板，所以气流在顶部并不做贴附流，而是气流受顶壁反弹后以一定角度斜向下吹，到近回风口一侧壁面后做贴附流动。所以在近壁面处风速最大。

在同一切面均匀布置温度测点，各测点实际测量温度见表2（测量中未考虑太阳辐射与人体影响）。

将测量结果用数据插值处理后得到图9所示的温度等值图。由图中可以清楚的看到，包厢内除去靠近壁面处受外墙壁温的影响，工作区内最高气温出现在近地面处，这是由于回风口在贴近地面处，气流在近地面处滞留时间最长，所以导致接近回风口处，温度高于工作区温度。

4.2 床上部水平面

为了研究软卧车内睡眠时人体的的舒适性，在.床面上部30cm处取平行于床面的XZ平面，均匀布置速度及温度测点，各测点温度测量结果见表3所示；

　
　　　图10 距床面30cm处温度等值图　　图11 距床面30cm处速度等值图

由实验结果可以看出，在床上部30cm处平面的温度分布基本均匀一致，温度在20℃到21℃之间，而速度分布从图11可以看到分布较不均匀，靠近回风口侧的速度平均值要大于床中心处的速度，而且近回风口侧床边的微风速偏大，比床中心区高0.3m/s,这就会导致人在睡觉是会有吹风感，影响了人体的舒适性；分析其主要原因是由于包厢内只有两个回风口，且回风口均集中于床下面，必然会导致靠近回风口一侧的床面微风速过大，这一点也可以从图2的CFD仿真气流流线图看出。所以有必要在后面的优化中考虑到这一实际情况，对回风进行分流。

4.3 包厢水平平面

在包厢内距地面1.2m取一水平面布置速度与温度测点，测得结果如图12、13所示。

由图12可以看出，在距离地面1.2m处的速度分布有较大梯度，近回风口一侧速度最高，而在床上部速度最低，有较大的速度梯度，原因也是由于回风口均集中于床下部，且床上部没有送风口，所以产生了较大的速度梯度，故有必要对现有的风口布置进行优化，以提供更加舒适的环境。

由图13的包厢温度等值图可以看出，包厢内除去贴近壁面处受壁温的影响外，包厢内最高温度在床的位置，达到22℃，最低温度在立柜到回风口一侧的接近壁面处，工作区温度在20.5℃到21.5℃之间，这与仿真结果吻合。包厢内的温度分布稍有不均。

　　　
　　　　　　图12 距地面1.2m处整个包厢的速度场等值图　图13 .距地面1.2m处整个包厢的温度场等值图

由实验的结果可以看到，包厢内温度场，速度场都出现了分布不均匀的现象，对于高档软卧车包厢来说有必要对系统进行优化。

5 优化

本文根据以上CFD仿真与实验结果分析提出了两种优化方案。

5.1 优化方案1

在立柜下方加两个回风口。由图2的气流流线图可以看出，由于包厢内只有两个回风口，且两个回风口均集中于床下，导致在靠近回风口一侧的气流速度要大于工作区速度，而且由实验所测结果也可以看出，如图11所示，由于回风口主要集中于床下，在床上30cm平面，速度梯度变化较大，影响了睡眠的舒适性，不适于高档软卧车的要求，所以有必要对回风分流，可以在立柜下方加装两个回风口，形成如图14所示的四回风口系统(设计中，四个回风口的风量等同)。

将四个回风口的CFD仿真与两个回风口的CFD仿真加以对比（图14—16是四个回风口的CFD仿真）。图14与图2的风口流线图对比可以看出，由于加了两个回风口，送风气流明显出现了分流，气流组织比两回风口时更加均匀；由图15也可以看出，包厢内速度梯度与优化前比效果并不明显。

下面再来比较一下优化前后的温度变化。比较图4与图16在距地面1.2m处包厢温度场，可以看出优化后的温度场分布较优化前有明显提高。优化前，包厢内最高温度25℃，最低温度22.3℃，最高温差2.7℃；优化后，包厢内最高温度25℃，最低温度23.0℃，最大温差2.0℃。包厢内温度梯度减小，温度分布更加均匀，特别是在床上部位置，温度场较优化前更加均匀。

但是我们由图14－16还是可以看到优化方案1中，包厢内的最不利点仍集中于床的位置，这是由于送风口均集中于包厢内靠近写字台处，导致床上部风速较小，温度较高，在此基础上，本文又提出了第二种优化方案。

　
　　　图14 包厢风口流线图 　　　　　　　图15 距地面1.2m处速度场等值图

　
　图16 距地面1.2m处温度场等值图　　　　　　　　图17 包厢风口流线图

5.2 优化方案2

如图17所示，在四回风口的基础上，在床上部加装两个送风口，用来改善整个包厢内的气流组织。

图17与图2和图14相比，可以看出床面上部的气流明显增强，这就克服了原设计中床面温度与工作区温度梯度变化大的缺点。下面对优化方案2与未优化及优化方案1作对比。

　
　　　　图18 距地面1.2m处速度场等值图 　　　　　　　图19 距地面1.2m处温度场等值图

图3、15、18为三种情况下在距离地面1.2m处包厢内速度等值图。在图18中可以看出速度场分布更加均匀，速度梯度变化较缓，特别是床面速度与工作区的速度梯度明显减小。

再来比较一下三种情况下包厢内温度场的分布，对比图4、16、19在距离地面1.2m处温度等值图，可以看出，当未优化时，由实验及仿真可知，包厢内温度梯度变化大，包厢内的最大温差达到2.7℃，人体能感觉到包厢内的温度变化；若采用优化方案1，包厢内的温度变化梯度减小，最大温差2.0℃，但在床的位置温度略高，影响了睡眠时人体的舒适性，不适于高档软卧车的要求，需要进一步优化；而如果采用优化方案2，由图19可以看出，包厢内最高温度23.0℃，最低温度22.1℃，包厢内最大温差0.9℃，温度梯度极小，工作区与床上部几乎没有温度变化，人体基本感觉不到温差的存在。

5.3 三种方案的PMV比较

PMV指标代表对同一环境绝大多数人的冷热感觉。通过70年代的大量研究，丹麦Fanger教授的PMV指标为国际标准化组织所接受（ISO7730），是公认的较有普遍意义的热舒适评价标准。作为稳态热舒适环境的评价指标，PMV指标综合了影响人体热感觉的6个因素：空气温度、气流速度、湿度、平均辐射温度、人体着衣情况和活动情况而作出的指标。国际标准化组织IS0于1994年制定了IS07730标准，定义热舒适为：“人体对热环境表示满意的状况”，并推荐在热环境中 —0.5＜PMV＜0.5[2]

整个包厢内三种方案的PMV平均值分别为：

优化前：PMV＝－0.594；

优化方案1：PMV＝－0.556；

优化方案2：PMV＝－0.711；

由PMV值可以看出，总体来说三种方案下包厢内是略微偏冷，这主要是由于包厢内空载，虽然仿真过程中考虑到了人体的影响，但是未考虑设备的发热量，未考虑包厢内物体间的热辐射作用。而且在CFD仿真中，三面内墙按绝热计算，但实际过程中，是有热量传递的。

　
图20优化前距地面1.2m处PMV指标　　　 图21 优化方案1距地面1.2m处PMV指标

图22优化方案2距地面1.2m处PMV指标

图20到图22可以看出包厢内距地面1.2m处的PMV的分布。由图20可以看出，优化前包厢内的PMV分布略有不均，床上部PMV值较高，约等于-0.45，工作区PMV值较低，约等于-0.70，PMV相差-0.25；优化方案1的PMV分布也不均匀，床上部偏暖，PMV约等于-0.42，而工作区偏冷，PMV约等于-0.63，床与工作区PMV相差-0.21；由图22可以看到，优化方案2的PMV分布均匀度明显增加，床上部PMV值约等于-0.67，工作区PMV值约等于-0.77，PMV值相差-0.1。综合以上三种方案的PMV分析可以得出，优化方案2的PMV分布最为均匀，所以人体的舒适感最好。所以，我们从热舒适评价的角度来综合比较三种方案，优化方案2也是最优选择。（PMV分析过程中，包厢边壁及包厢内部分送风死角未考虑。）

综合以上CFD仿真比较可以看出，优化后的方案减小了包厢内的速度场、温度场梯度，增强了气流组织的均匀性，提高了人体的舒适程度。

6 结论

本文根据实际物理模型进行了CFD数值仿真计算，然后按照实际尺寸进行了1：1原型实验，通过将实验结果与数值仿真相结合，对气流组织特性进行了研究与分析，并以舒适性指标PMV为主要评判依据，对优化前后进行了全面比较，优选出了最终的优化方案。

1 陶文铨着，计算传热学的近代进展，科学出版社，2000

2 赵荣义，范存养，薛殿华等编，空气调节（第三版），中国建筑工业出版社，1994