動車組的高速化、舒適化對空調系統提出了更高的要求，車內環境的舒適程度直接關系到旅客的旅行生活質量。車內空氣流場的研究是車內環境控制的重要方面，合理的車內氣流組織能有效改善旅客的乘車舒適性。通過對影響車內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環境，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車為研究對象，對車內空氣流場進行了穩態數值分析，依據分析結果對其空調系統性能及車內組織布局進行評估。
2 計算模型及方法
2.1 計算模型及網格劃分
（1）計算模型
本文采用某高速動車組的一節車為計算模型，如圖1所示，包括車體、通過臺、設備間、廁所、車窗、塞拉門、內端門、車內部件及乘客。
該車空調送風道由主風道及支風道組成。主風道沿車頂中部設置，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；主風道兩側連有支風道，在夏季有25%的冷風通過兩側支風道，從車體下部進入客室內。
圖1 車體及乘客計算模型
采用六面體網格；在車內及乘客體表生成2層邊界層網格，總厚度為0.01m；在內端門下部通風孔等尺寸較小區域的設置網格加密區；整個計算域的網格總數約為980萬。圖2為整車、中間縱斷面、橫斷面及近壁面處和加密區的網格。
（a）整車
（b）縱截面
（c）橫截面及近壁面處網格
（d）加密區網格
圖2 網格劃分
2.2 邊界條件及計算設置
采用CFD軟件STAR-CCM+進行并行計算。空氣為恒定密度；流動為穩態流動；不考慮重力；采用Realizable K-eplison湍流模型和壁面函數法；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送風道數值計算得到的數據，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已知的流量分配采用split-outlet邊界。
3 計算結果及分析
為了得到詳細的車內速度分布信息，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顯示了客室內乘客腳部、膝部、肩部和頭部的速度分布情況。客室內空氣流動明顯低于車廂兩端通過臺；一位端因存在空調回風口，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；在空調排風口附近空氣流動明顯強于其他區域，可見空調排風口結構對車內流場存在較大影響。
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空氣流動；因一位端內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，客室內的流動情況趨于平緩。可見一位端內端門下部的通風孔、在一位端設置空調回風口等結構均對車內流場存在影響。
（b）二位側過道
（a）一位側過道
（c）一位側窗邊
（d）二位側窗邊
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。可以看出，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；其中客室中間過道兩側乘客周圍風速在0.02-0.5m/s之間，乘客腳部風速比其他區域稍高。
客室內一位側的行李架為整車長度，二位側的行李架為其長度的一半。由圖5（c）和圖（d）可知，一位側靠窗乘客比二位側靠窗乘客周圍的空氣分布更均勻，行李架的設置對客室內流動有較大影響。
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結構和風道結構不同，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 結論
本文采用CFD技術，對夏季工況下某高速動車組車內流場進行了分析。計算中考慮了車內部件及乘客對車內流場的影響，符合實際情況。本文的分析結果形象直觀地對客室內的空氣流場作出分析和評價，可為工程設計提供指導。
（1）客室內橫、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“客室內風速要求在0.05~0.6m/s之間”的規定。
（2）在夏季工況下，該空調通風系統能使車廂內得到比較合理的微風速分布，滿足乘客舒適性要求。
（3）空調送風口、排風口的位置和結構，以及車內部件布置，均對車內流場存在較大影響，可作為進一步優化研究的目標。
5 參考文獻
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