地铁车厢内部流场模拟与分析.docx

地铁车厢内部流场模拟与分析摘要：本文主要针对地铁车厢空气流场存在的一系列问题，通过Fluent软件基于流体力学思想计算流体流动和传热问题，对地铁车厢内的温度场进行数值模拟分析，利用Gambit插件建立参数化的列车车厢三维模型,为以后软件修正模型提供可能。以便在地铁车辆规划设计阶段就能对各种方案快速比较，从而制定出最佳的通风方案。关键词：流体力学；Gambit；Fluent；车厢温度1软件简介计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。1.1CFD基本思想CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后通过迭代求解方程组获得场变量的近似值。CFD可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等。1.2常用CFD软件结构CFD软件的一般结构由前处理、求解器、后处理三部分组成。前处理、求解器及后处理三大模块,各有其独特的作用,分别表示如下:（1）前处理1）几何模型2）划分网格（2）求解器1）确定CFD方法的控制方程2）选择离散方法进行离散3）选用数值计算方法4）输入相关参数（3）后处理速度场、温度场、压力场及其它参数的计算机可视化及动画处理。1.3计算流体动力学的工作步骤采用计算流体动力学（CFD）对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤：1）建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。2）寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。3）编制程序和进行计算。4）显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，更加直观。这对检查和判断分析质量和结果有重要参考意义。以上这些步骤构成了CFD数值模拟的全过程。2地铁车厢模型的建立本次利用基于CFD思想的FLUENT软件进行数值仿真模拟。在模拟分析之前要用Gambit在计算机中建立模型。2.1车体模型建立由于所建车体模型是轴对称模型,可以通过半车镜像出整车,所以建立半车体模型，尺寸为:长1800cm，宽150cm，高380cm。如图1所示：图12.2半车体完整模型建立1）使用切割指令将所有门和窗户与车体连成一体；2）使用切割指令将所有的人和车体连接起来；3）使用切割指令将通风管连接起来；4）完成半车完整模型建立。2.3网格划分当Fluent要进行计算的集合区域已经确定了以后，就要把这个区域进行离散化，也就是要对它进行网格划分，方便软件后续进行迭代分析。2.4边界类型条件的设定本次边界条件设定的对象分别为乘客、入风口、回风口、出风口、车体侧墙、列车门、窗户。完成分析对象的设定后需要对其边界条件进行初始化，操作如下：1）设置入风口的边界条件此次设置为Z轴方向风速为0.825。2）设置回风口的边界条件将Z轴方向风速设置为0.5m/s，而软件所使用的温度单位均以开尔文温度为基准（公式：开尔文（K）=摄氏度(℃)+273）所以回风口温度Temperature（k）设置为297即26℃。同理完成其他边界条件温度的设定。3）设置出风口的边界条件将X轴方向风速设为0.2m/s，Temperature（k）设置为297。4）设置乘客的边界条件乘客的体表温度为36度，所以Temperature（k）设置为309。5）设置车体侧墙的边界条件温度条件设置为混合模式，导热系数设置为1.2。其余同为308。6）设置列车门的边界条件温度条件设置为混合模式，导热系数设置为1.67。其余同为308。7）设置窗户边界条件温度条件设置为混合模式，导热系数设置为2。其余同为308。3结论及建议本次使用CFD方法对地铁车厢在不同方案下的速度场和温度场进行分析研究，车体侧墙、窗户和列车门的温度和传热等初始条件不变，仅对进风口和出风口的位置、风速、进风温度进行改变，以此进行对比得出最优方案。3.1方案一分析方案一采取通风管(主风道前几个入风口相对后边尺寸大些)一端送风的方式，入风口的温度为17℃，外部温度29℃（夏天）,送风速度为Z方向0.826m/s，迭代步数为970。通过六个平面X=0.73，X=0.200，X=-0.42,Y=-0.901,Y=-1.032和Y=-0.415分别位于坐着平行人的头部处、脚处、站着平行人的头脚处、垂直坐着人头处、站着人头处和脚踝来观察车厢内空气流动