基于Fluent的铁路客车空调数值仿真平台[1]

第31卷 第4期2010年8月大连交通大学学报J OURNAL OF DA L I AN JI AOTONG UN I VER SI TYV o.l31 N o.4A ug.2010文章编号:1673 9590(2010)04 0109 04基于Fl uent的铁路客车空调数值仿真平台王东屏1,耿平2,兆文忠2(1.大连交通大学机械工程学院,辽宁大连116028;2.大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028)摘 要:利用V is ua l Basic6.0设计面向对象的铁路客车空调数值仿真平台.该平台通过调用基于F luent二次开发的解释性脚本语言 Journal语言,进行参数化建模、自动数值计算;利用欧洲铁路联盟(U IC553)标准对直观显示车厢内的气流组织状况的后处理结果进行评估;对标准测点的计算温度数据与实验温度数据进行对比.基于该平台,那些不太熟悉CFD软件的工程师们就可以快速进行空调通风系统的数值仿真计算,从而提高方案对比效率.一个具有代表性的工程实例的应用证明了该平台的有效性与实用性.关键词:CFD数值仿真;参数化建模;空调通风系统;平台文献标识码:A0 引言随着铁路客车高速化、舒适化发展,车厢内部的空气质量、环境舒适度越来越受到人们的关注.由于车厢内部环境受太阳辐射和乘客散热的影响,车内结构复杂、人员变化大,用实验方法研究车厢内部的气流组织难度大、成本高[1 2].随着计算机仿真技术的发展,CFD数值仿真技术因具有成本低、周期短、可重复等优点,并能相对准确地反映流体流动的细节,如速度场、压力场、温度场等,得到了快速发展.此外,该技术还能对实验难以测量的量进行定量分析,以待改进[3].近几年,生产厂家都认识到CFD数值计算的重要性,但目前并没有将对产品的数值模拟纳入到产品设计流程中,CFD软件需要全职专业的人员,对使用者是很大的负担.设计工程师学习应用软件,熟练进行流场分析需要花费大量精力,使得CFD软件并没有发挥出人们预想的效果.当前迫切需要一种展示方案快速对比的研究平台进行数值仿真计算,直观展示空调车厢内的气流组织状况,方便设计工程师解决实际问题,提高设计效率.1 程序设计1.1 程序设计目标空调数值仿真平台是采用CFD数值仿真的方法对空调车厢内的气流组织进行研究,通过调用Ga mb it软件和Fl u ent软件中自行更改和保存的Journa l文件,能自动划分网格,设置边界条件,求解,展示计算结果,评估设计方案,还可将计算温度结果与实验进行对比,验证数值计算的准确性.该平台通过对复杂的Ga m bit和F l u ent命令流进行后台封装,用于辅助那些不熟悉软件的工程设计人员直观地看到计算结果,很好地进行空调通风装置的设计,尤其在系列化设计方案对比中.1.2 程序设计内容利用Fluent软件进行数值模拟的步骤主要包括前处理(生成计算网格模型)、求解(选择求解方程,设置边界条件,选择解法器)和后处理(显示输出计算结果)过程,因此,平台系统利用的二次开发流程图如图1,程序设计的内容有:(1)用V isua l Basic语言编制面向对象的友好、方便、快捷的人机交互界面及可视化程序,方便工程师使用[4];(2)编写自动进行三维实体建立模型,网格划分和边界条件设置的G a m b it解释性脚本语*收稿日期:2009 10 10作者简介:王东屏(1962-),女,教授,博士,主要从事计算流体力学方面的研究E m ai:l w dp@.110 大连交通大学学报第31卷言 Journal 语言;(3)Fl u ent 中也有类似于G a m b it 读取Journa l 语言的特点,编写Fluent 的Journa l 语言包括网格检查,湍流模型选取,边界条件设置以及离散方法的选用,后处理过程中特征图像和相关数据的提取,与实验温度结果进行对比等.图1 平台系统流程图1.3 程序设计平台程序的设计平台是基于W indo w s XP 的V isu al Basic 6.0、G a m b it 2.3.16、Fl u ent 6.3.26编程,采用面向对象的程序设计方法.平台的基本框架利用V isua l Basic 6.0来进行方便快捷地设计,首先设计与用户接口的基本对话框,然后设置编译环境,向程序框架中添加数据接收、合法性验证和交换语句等程序代码,在对话框需要注意的地方添加消息语句,以实现程序特定的功能.2 参数化建模参数化建模是在实际应用中提出的课题.几乎所有产品的设计都是基于知识经验反复修改、不断完善的改进型设计,而且大约70%的新品的设计都要重新利用原来的产品模型.传统技术不能有效地支持系列化设计,从而使得设计中存在大量重复劳动,影响设计效率.为缩短产品开发周期,提高设计效率,参数化建模应运而生[5].该平台采用Ga mb it 软件进行参数化建立模型,通过前台友好、方便、快捷的人机交互界面输入铁路客车的设计参数,例如车体的外形尺寸,进、回、排风口的位置、长度等,具体参数见图2,用Journa l 文件记录保存三维实体网格模型的整个建模过程,便于随其结构数据的调整而自动修改生成新的模型.首先,建立合适的参数输入界面,如图2;其次,编写与该界面相适应的Ga m b it 软件的Journa l 文件,具体包括以下几点: 创建三维实体模型(通过直接成体和点线面成体交替使用,符合几何结构的参数约束关系);!对计算区域划分网格(面网格和体网格相结合);∀检查网格划分情况;#设置边界类型;∃输出网格文件(.m sh).最后,将界面和程序结合起来,完成参数化建模过程.图2 模型参数输入界面3 计算模型任何流动均满足质量、动量、能量守恒方程.计算车厢内的湍流流动时,需要附加湍流方程,在此选用 - 双方程模型.连续方程 t +x i( u i )=0(1)第4期王东屏,等:基于F luent的铁路客车空调数值仿真平台111动量方程t(u i)+xj(u i u j)=-px i+!ijx j+g i+F i(2)能量守恒方程t(h)+x i(u i h)=x i(k+k t)Tx i+S h(3)湍动能 方程D kD t =x i(∀+∀t#k)kx i+G k+G b- (4)湍动能耗散率 方程D D t =x i(∀+∀t# )x i+C1k(G k+C3 G b)-C22k(5)∀t=C∀C D 2(6)有效的粘性系数 ∀=∀t+∀l(7)数值计算时,采用有限体积法中常用S I M PLE (Se m i I m plicit M ethod fo r Pressure L i n ked Equa ti o ns)压力连接方程的半隐式求解以上离散方程组[6 7].在离散方程时,为简化问题,计算时作如下假设:车厢内空气低速流动,忽略密度变化,认为是不可压缩流体;!空气流动是稳态湍流流动;∀门、窗、墙壁密闭性好;#满足Boussinesq 假设:认为流体密度的变化仅对动量方程中的浮升力产生影响;∃对流项采用二阶迎风格式,粘性项采用二阶中心差分格式.该平台调用根据上述理论编写Fluen t软件的Journa l语言,配合与参数化建模类似的边界条件(进风口、排风口、回风口的速度,温度;车厢外环境温度;车体车窗的传热系数等)输入界面,完成自动数值仿真计算,输出某些特定面的温度、速度分布图,显示标准点的温度、速度值,评估计算结果.该平台还可将标准测点的实验温度值与计算值进行对比,评估两者之间的相对误差.4 工程应用实例本文以动车组头车车厢内的空调通风系统为例进行平台试验,此空调通风方式为顶送风,顶回风,两侧排风,定员为56人.计算结果如下:图3~图5是利用该平台计算的车体截面上的温度云图以及该截面上标准测点的温度值.将计算值与平均值的差值与标准偏差2%进行比较.图中纵向断面温差较小,温度比较均匀,在垂向断面存在超出限定标准的点,通过对比发现在z=7.8~9.3之间沿车体垂向温度偏高,可以增加该区间段对应的进风口的送风量,优化设计方案.图3 x=0.28m断面温度分布图4 y=1.1m断面温度分布图5 z=4.8m断面温度分布图6是沿纵向车体截面上的速度矢量图以及该截面上标准测点的速度值.将计算值与环境平均温度下相对应的速度允许值(U I C553标准)进行比较[8].图示截面上的速度值均低于允许值,说明沿车厢垂向速度分布相对均匀.图6 z=10.8m断面速度矢量分布图7是中间过道处乘客坐姿头部高度处沿车体纵向分布的温度曲线图,两条蓝色直线中间为温度合格域.将计算值与平均值的差值与标准偏差2%进行比较.图示处的温差在2%以内,温度在合格域内分布相对均匀.与人员密集区相比,空气流动强度较大,温度相对较低.112大连交通大学学报第31卷图7 乘客坐姿头部高度处的温度曲线图5 结语本文通过以动车组空调为例的数值仿真平台的研究分析,得出如下结论:(1)通过对商用软件Fluent进行研究,探索出了V isua l Basic6.0与Ga m bi,t Fluen t之间的数据接口的方法,为参数化建模,自动计算和展示后处理结果提供了方便快捷的人机交换功能;(2)该平台充分利用了F l u ent中的命令流语言,实现了计算和后处理自动化的强大功能,并将其与实验数据,标准测点坐标相结合,丰富了后处理的功能,为CFD软件的更广泛及有效使用提供了新的思路;(3)该平台具有完备的系统开放性,可利用语言编制自己需要的通风形式的程序模块来丰富其功能,为工程设计和研究提供有力的开发平台和分析工具,在工程上有着非常广阔的应用前景.参考文献:[1]杨晚生,张梅艳,张吉光.铁路客车高速化对其空调系统的发展要求探讨[J].铁道机车车辆,2005,25(5):38 39.[2]张登春,翁培奋,邹声华.旅客列车空调硬座车厢内热舒适性研究[J].铁道学报,2006,28(5):36 40.[3]S AM UEL HOL M ES,M ART I N SCHROEDER.H I GHSPEED PASSENGER AND I NT ERCITY TRA I N AERO DYNAM I C COM PUTER M ODEL I NG[C].T he2000Internati onalM echanical Eng i neer i ng Congress&Expo siti on,2000:5 10.[4]王栋.V i sua l Basic程序开发实例教程[M].北京:清华大学出版社,2006.[5]李贺佳,毕小平.基于F l uent二次开发的散热器芯部外形参数化建模[J].车辆与动力技术,2008(1):36 39.[6]陈焕新,黄素逸,张登春.空调列车室内气流分布的数值模拟[J].流体机械,2002,30(4):59 61.[7]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004.Study of Nu m erical Sim ulation P latfor m for A ir Conditioning in Rail w ayPassenger Car Based on F luent Soft w areWANG Dong ping1,GENG P ing2,Z HAO W en zhong2(1.Schoo l ofM echanical Eng i neeri ng,D ali an Ji aotong U niversity,D alian116028,China;2.Schoo l o f T ra ffic and T ransporta ti on Eng i neering,D ali an Jiao tong U niversity,D a lian116028,Ch i na)Abst ract:So ft w are V isual Basi c6.0is used to desi g n ob ject oriented num erical si m u lation platfor m for air condition i n g i n ra il w ay passenger car.The scri p ti n g j o ur nal l a nguage based on the secondar y develop m ent o f F l u ent is transferred by the p latfor m for para m eterized m ode li n g and auto m atic num erical ca lculation.Post pro cessi n g resu lts sho wn t h e airflo w status inside t h e co m part m ent intuiti v e l y is eva l u ated under the U I C553stand ar d.The ca lculated and experi m ental te m perat u res at standard m easuring po ints are co m pared.The p latfor m is desi g ned to aid eng ineers who are not fa m iliar w ith the CFD so ft w are to co m plete num erical si m u lated calcu la ti o n better and i m prove work i n g e fficiency i n co m par i n g a m ong all ne w desi g ns.Fina ll y,an eng i n eering de m o i n t h e rea lwo rl d is given to check its affecti v ity and practical va l u e i n th is platfor m.K ey w ords:CFD num erica l si m ulati o n;para m eterized m ode li n g;air cond ition ventilati o n syste m;p latf o r m。