近几年来，随着我国铁路空调客车应用的迅速发展，人们逐渐的认识到空调客车室内气流组织是影响旅客热舒适性的主要因素。气流组织的研究内容包括速度场、温度场、浓度场及相对湿度的分布等。传统的铁路空调客车室内气流组织设计是将送风气流看成射流，通过求解射流的经验公式来确定车厢内各个断面的温度和速度分布，并采用调整送风口位置、尺寸、送风风速等方法改变温度分布和速度分布使其满足设计要求。而射流的经验公式无法考虑到具体车厢内的形状及座椅、茶几、行李架等的影响，也不能考虑排风气流对射流造成的影响。[1~3]所以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。计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics 简称CFD）的发展和应用，在一定程度上解决了空调系统设计中单凭经验和感觉进行设计而造成的不足。本文以25K型硬卧空调客车为研究对象，采用k-ε两方程紊流模型，并结合CFD软件之一 — Airpak软件对其进行数值模拟和分析。
1 Airpak软件的主要特点
CFD是运用流体动力学的基本原理进行“三传”（传热、传质、动量传递）及燃烧、多项流和化学反应研究的重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境和化工等诸多领域，其中暖通空调领域是CFD应用的主要领域之一。用CFD技术对一定空间中的气流组织进行模拟，通过建立数学物理模型，根据提供的合理的边界条件和参数，可以对空调区域内空气流动形成的温度场、速度场和浓度场等进行模拟，直观的显示其设计结果，并根据设计结果对其可行性和合理性进行分析研究，不断优化设计方案，寻找有规律性的知识，更好的指导工程设计。
Airpak软件是在FLUENT（CFD技术的一个软件包）基础上发展起来的一个工具软件。主要是针对通风系统的空气品质、热舒适性、空气调节及污染控制进行气流组织的模拟。Airpak提供了强大的物理模型创建功能和快捷全面的网格处理能力。将通风系统中常见的各种物理模型如墙、人、散流器和桌椅等以形象的实体模型表示，并提供了各种材料的物性数据库，满足不同系统设计的需求。Airpak在进行传热、传质以及流体流动的计算时将调用FLUENT软件的处理器。该处理器使网格可以有多种形状。对二维流动可以生成三角形和矩形网格；对于三维流动可以生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算还可以生成混合网格；其自适应功能能对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。处理器的数学模型是以 N-S 方程组为主体，再加上一些在主体方程组上补充附加源项、附加输运方程与关系式的附加模型。采用有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都优于传统编程中使用的有限差分法。采用压力校正法作为低速不可压流动计算方法，而可压缩流动采用耦合法。最后，Airpak根据计算结果进行后处理，其后处理模块具有三维显示功能来展现各种流动特性，还能以动画功能演示非定常过程。图1为Airpak应用流程图。[4，5]
图1 Airpak应用流程图[4]
2 研究对象的物理模型
本文以25K型空调硬卧客车内部气流组织作为数值模拟计算对象。计算区域如图1所示。计算区域不包括车厢两端的乘务员室、配电室和洗手间，只选择车厢的中部即长为18865mm，宽为3105mm，高为2790mm的空间，车厢一侧有22组卧铺共66个铺位。送风方式采取顶部散流器送风，共有11个散流器。回风口设在车厢两端面的门上。[6~7]
图2 计算区域图
2.1 边界条件
入口边界条件：送风温度为18度，送风方式采用速度为u=0，w=v及u=0，w= -v的散流器两面送风方式，k=0.002，ε=0.00008；
出口边界条件：回风压力为环境压力，k、ε为自由滑动；
壁面边界条件：车内两端墙取为绝热面，地板也视为绝热面。车顶及两侧的壁面边界条件取为第三类边界条件，并取车体的综合传热系数K=1.16W/m2.K。
客车内热负荷：人体散热量按每人115W计算，在模型中假设该热量均匀分布在卧铺的表面。车内机电设备散热量为22个功率均为60W的灯管散热量。
2.2 网格的划分
由于车厢内结构复杂，为了更准确的反映车内的气流组织，在划分网格时对有物体的地方，如卧铺、茶几、电灯、散流器等处网格相对其他地方更细密。如图3所示为不同截面的网格分布。
z=1截面的网格
x=8.87截面的网格y=1.38截面的网格
图3 计算区域的网格
3 数学模型
在不考虑列车运行影响的情况下，可以将客室内空气流动视为一般室内气流组织的模型进行研究。
3.1 对于该紊流流动模型，采用k-ε两方程紊流模型进行数值模拟，假设条件为：
（1）客车室内气体为不可压缩流体，且满足Boussinesq假设：认为流体密度的变化仅对浮升力产生影响；
（2）流动为紊态流动；
（3）假定流场具有高的紊流Re数，流体的紊流粘性具有各向同性；
（4）气流为低速流动，可忽略由流体粘性力作功所引起的耗散热；
（5）不考虑漏风的影响，认为车厢内除了在两个车门处的排风口外，车内气密性良好。
3.2 控制方程
对于不可压缩、定常的流动，根据以上的假设，该模型的控制方程可用如下的通用形式：
[8] （1）
式中 
为扩散系数；
为源项。该控制方程的具体形式以张量的形式表示为：
（1）连续性方程
i，j=1,2,3
（2）能量方程
(3)紊流动能方程(k方程)
i，j=1,2,3
(4)紊流动能耗散率方程(ε方程)
i，j=1,2,3
紊流粘性系数的表达式:
式中：
、
、
、
、
、
、
、
为经验常数 [8]；
为空气定压比热；
g为重力加速度；
k为流体紊流动能；
P为时均压力；
为热源强度；
Pr为充分紊流时的普朗特数；
T为流体温度；
T0为参考温度；
Ui为速度分量，当i=1、2、3时分别代表X、Y、Z方向；
ε为紊流能量耗散率；
和
分别为层流和紊流的动力粘性系数；
ρ为流体密度；
β为流体体积膨胀系数。
4计算结果分析
计算所得车厢各截面的速度场、温度场如图3-5所示。图4为xoy平面当z=1m时的温度和速度分布；图5为yoz平面当x=8.87m时的温度和速度分布；图6为xoz平面当y=1.38m时的温度和速度分布，y=1.38m正好是客室中铺的上表面。
温度分布（℃）
速度分布（m/s）
图4 z=1截面的温度、速度分布
温度分布（℃）速度分布（m/s）
图5 x=8.87截面的温度、速度分布
温度分布（℃）
速度分布（m/s）
图6 y=1.38截面的温度、速度分布
由以上的计算结果可以看出：
（1）采用车顶送风的上送风方式，客室上铺由于距离车顶较近，该区域内的风速比较大，上铺的旅客会有明显的吹风感，舒适性比中、下铺差。
（2）由于采用了散流器两面送风，从吹风口吹进的气流在客室内形成良好的回流，卧铺靠近车窗一端的气流流动加强，客室走道的气流也更加通畅。且每两组卧铺之间的过道上风速比铺位区域的风速大的多，铺位区域的风速能得到较好的控制，可以通过调整送风口的位置和风速来改善客室内的气流组织，使其达到理想的设计要求。
（3）25K型列车采用的是全封闭式，回风口设在车厢两头的走道内，客室内气流的回风只能通过客室两端车门上的百叶式回风口回风，造成客室两端的气流组织明显优于客室中部的气流组织，中部气流的流动性相对较差。
（4）当送风速度在一定范围内改变时，送风速度对客室内的气流组织影响不大，但各截面上的气流速度将随之而改变。客室上部区域流速较大，温度较低，下部区域速度减小，气流流动慢，温度相对较高，一定程度影响了旅客的舒适感。
（5）客室内人体的散热以及外界太阳辐射等对客室内流场的影响不大，但对温度场有较大的影响，因为在模型中假设人体的散热量均匀分布在各卧铺的上表面，使得在距离卧铺一定距离的上表面区域温度较高，而车窗附件受太阳辐射的影响温度也比中部区域高。
（6）车厢内的卧铺、茶几、行李架等对客室内的温度场和速度场影响较大。
5 结论
1）采用k-ε两方程紊流模型，结合Airpak软件对25K型硬卧空调客车车厢内气流组织进行数值模拟，可根据已知的外界条件和所要达到的要求，对车厢内的温度场和速度场进行模拟计算，为空调设计提供参考并进行改进和优化，节约了大量的时间和大量的人力、物力。
2）25K型硬座客车空调系统采用车顶中部孔板下送风的送风方式，使旅客座位都处于气流旋涡中，有利于旅客对空气流动的需求，但由于排风口设在车厢两端，造成车厢中部区域的空气流动差，影响了旅客的舒适性。
参考文献
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