关键词：现代有轨电车；空调系统；风道设计；仿真计算；风道试验
1 概述
武汉市大汉阳地区现代有轨电车试验线工程车辆（以下简称大汉阳有轨电车）采用4模块编组，其空调系统是在中车株洲电力机车有限公司（以下简称中车株机公司）研发的储能式现代有轨电车平台空调系统上研发的新型高压直流变频空调系统。该空调系统基于成熟的技术平台进行开发，主要由空调机组、空调控制系统、风道系统、废排及其它部件组成。空调机组布置在车辆顶部，风道系统位于客室天花板上方，空调送风贯通所有模块，回风集中位于中间模块（M模块和T模块）机组下方，排风集成在储能电源上，排风同时用于储能电源的散热。
2 空调系统气流组织
大汉阳有轨电车风道系统由送风风道、回风风道及排气装置组成。其送风的源头来自于布置在车辆中间两个模块（M/T模块）顶部的空调机组。空调系统气流组织包括：
1)送风：通过布置在天花板顶部的2条出风格栅送风，送风道及出风格栅贯通整车长度方向，均匀送风，无送风死角；
2)回风：在车辆中间两个模块（M/T模块）天花板设有共4个回风口，回风口位于空调机组下方；
3)排风：车内废气经过车辆侧顶板预留的缝隙进入车顶空间，然后通过布置在车顶的储能电源上集成的排气装置排出。
空调通风系统示意如下图1：
图1 空调系统气流组织图
3 以往有轨电车风道设计
3.1 以往有轨电车风道设计
株机公司现代有轨电车的研制平台是在西门子comino plus原型车（以下简称西门子原型车）基础上设计开发的，因内装纵梁、灯带布置以及顶部设备需在车内维护等限制，中车株机公司研制的某项目储能式现代有轨电车（以下简称A项目有轨电车）及某项目现代有轨电车（以下简称B项目有轨电车）风道布置断面见图2所示，其内装断面图见图3所示，其风道截面类似于心脏形状，且为多曲线造型，通过滑轨与出风格栅进行安装，结构复杂且横截面积小，风道精度要求高且安装困难。
图2 A项目及B项目风道截面
3.2 以往有轨电车风道存在的问题
由于使用环境及载客量的差异，A项目及B项目有轨电车空调系统送风量与西门子原型车不一致。A项目及B项目有轨电车空调系统送风量较大，而风道截面积与西门子原型车保持一致，导致风道内风速增大，增加了送风阻力及气流噪音，经计算各个项目风道的内的送风风速下表1所示，由2及图3可见，除了截面风速较大外，以往有轨电车风道还存在其它一些问题，见表2所示。
4 大汉阳有轨电车风道优化设计
4.1风道优化设计思路
鉴于以往项目风道存在表2所示的问题，为从根本上解决以上问题，需要从风道结构及断面上进行优化设计。主要从以下两个思路着手。
4.1.1将风道断面优化为矩形
为优化风道结构，简化风道生产及其安装，将大汉阳有轨电车风道断面设计成规则的矩形结构，采用吊挂座进行安装，其断面图见图4所示，风道主体材料采用8mm厚轻量化复合材料。
4.1.2增大风道断面面积
大汉阳有轨电车设计的送风量为8500m3，为降低风道横截面风速，进而降低风道阻力及空调送风机压头，降低噪声，保证送风的均匀性，提高客室内乘客的舒适性，同时考虑车顶设备箱在客室内维护的检修空间，大汉阳有轨电车风道拟设计的断面净通风尺寸为：652mm*135mm，见图4所示，经计算，其断面送风风速为6.31m/s，远低于A项目及B项目有轨电车，且接近于西门子原型车。
4.2风道优化设计计算及仿真计算
为进一步验证以上设计思路的准确性，对风道进行了设计计算及仿真计算。
4.2.1风道设计计算
根据拟确定的风道断面及《工业通风》中关于通风管道的设计计算公式，经计算，风道所需全压（即阻力）为：
P=Pp+Pm+hm+hd=110 Pa
其中：
Pp—风道出风口前平均压力
Pm—风道沿程摩擦阻力
hm—风道送风口局部阻力
hd—风道进风口局部阻力
4.2.2风道仿真计算
经过以上对风道的设计计算，其阻力约110Pa，为进一步验证设计计算的准确性，又对风道进行了仿真计算，经过仿真建模、网格划分、仿真计算及计算后处理等步骤，得出了仿真结果，风道阻力约为116Pa,阻力值比风道设计计算的值稍大，风道出风口处的最大风速为2.29m/s，与设计风速2.5m/s比较接近，图5～图7为风道仿真计算过程及结果截图。
图7 风道阻力及出口风速仿真计算结果
由图7的仿真计算结果可知，设定风道入口处的入口压力为120pa（即机组的机外静压值），出口压力最小为3.6pa，由此可知，风道的最大阻力约116pa，与之前的风道设计书所算出的阻力值110pa相差不大，出口风速在1.75m/s～2.3m/s，也设计值2.5m/s比较接近，风速也比较合理，但存在局部风速不均匀的情况，需通过地面风道试验进一步进行优化调整。
5 风道与机组匹配试验
设计计算及仿真计算毕竟是理论上的，因此最终还需要通过风道与空调机组匹配试验来对设计计算及仿真计算进行验证。风道与机组匹配试验采用半列车实物风道（Mc模块和M模块）与本项目的1台空调机组样机（已达到首检状态）进行地面匹配联调试验，其目的有两个，一是验证风道的设计是否合理，二是验证空调机组内送风机的选型是否与风道匹配。
经过为期一周的试验，风道入口处的阻力约为80pa，低于设计计算及仿真计算值，加上回风阻力约30Pa，系统总阻力约110pa,空调机组的机外静压为120pa,比系统总阻力稍大，作为设计余量。半列车送风量试验结果见表3所示，其风速均匀性试验结果见表4所示，试验结果均达到了设计预期，送风机压头与风道系统阻力匹配合理。同时模拟车辆实际装车高度，对风道下方的噪声进行了测量，其结果见表5所示，经过优化后的风道设计，机组正下方的噪声相较于以往项目降低了约3个dB（A）。
表3 半列车（2个模块）送风量试验结果
6 结论 通过以上风道与空调机组匹配试验结果可知，对大汉阳现代有轨电车风道系统的优化设计达到了设计预期，阻力匹配合理，送风量及送风均匀性均满足设计要求，且送风量还留有一定的裕量；同时经过优化设计后的风道结构解决了以往有轨电车风道存在的问题，降低了生产成本，提高了生产效率及客室内的舒适性。
参考文献：
[1] 吴望一.流体力学（上下册）[M]. 北京：北京大学出版社，2004
[2] 孙一坚.工业通风（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社，1994
项目名称及编号：武汉大汉阳地区现代有轨电车试验线工程车项目（2016KJ12）
论文作者:王正 易柯
论文发表刊物:《科技中国》2018年4期
论文发表时间:2018/8/10
标签：风道论文; 阻力论文; 有轨电车论文; 风速论文; 机组论文; 大汉论文; 所示论文; 《科技中国》2018年4期论文;