CFD技术在轨道车辆空调系统设计中的应用

本文以计算流体力学(CFD)为基础,采用有限体积法,建立列车风道及车厢模型,对列车流场进行数值模拟,得到速度及温度场的分布.并对模型处理方法进行阐述,计算结果进行分析,进一步提出CFD技术在轨道车辆空调系统中的应用方向.     

动车组明线运行速度提高对空调工作的影响

为研究列车运行速度提高对空调工作的影响,采用三维定常不可压缩k-ε湍流模型,对不同运行速度下4辆编组的某新型动车组明线运行的空气动力学特性进行仿真,分析在不同运行速度下客室和司机室的空调冷凝器进、出口表面压力变化规律,预测冷凝风机通风量随列车运行速度提高的变化规律。计算结果表明:随着运行速度的提高,动车组车体表面和冷凝器进出口表面压力逐渐降低,冷凝器进、出口压差基本呈降低趋势,头车司机室和客室的前通风机通风量逐渐降低,尾车司机室和客室的后通风机压差为负且绝对值逐渐增大,说明通风机通风量逐渐提高。     

B型地铁列车空调通风系统气流组织数值模拟

以B型地铁列车为研究对象，通过对地铁列车空调系统和车厢内部空气组织的初步调查，采用理论定性分析和CFD数值模拟两种的方法对地铁车辆的空气分布进行了分析。在现有的理论基础上，对B型地铁列车进行分析，提出了在送风道中增加调节板，以保证列车各出风量的均匀，通过模拟仿真得出在增加调整片后，进气口端的风量显著增加，末端风量减小，各个出风口的出风量相对均匀，各风道压力分布较为均匀。     

考虑人体散热的轿车座舱内流场数值仿真研究

研究提高轿车热舒适性,汽车座舱空气的对流和人员体温,都会影响舒适度,有必要在开发前期,用数值方法对轿车座舱内流场进行仿真.根据雷诺平均的方法,应用RNGc-E湍流模型,为了控制舱内舒适性能,采用分区域划分网格的方法,对座舱内空气三维流场和温度场进行了数值仿真研究.引入人体模型,考虑车内人体散热对座舱内环境的影响,建立了轿车座舱舒适性研究的模型.给出了座舱内不同位置的速度分布和温度云图,分析了空调给风角度、空调给风口位置以及空调回风口位置对座舱内气流组织及温度场的影响.结果表明,采用前-中给风的给风口布置和后回风形式以及上攻角的给风口设计,均可以提高轿车座舱内乘员的热舒适性.     

钢轨火焰热处理温度场数值模拟

为在钢轨火焰热处理时使钢轨接头达到规定的温度和合理均匀分布的温度场,在Abaqus中建立PD3钢轨的三维有限元模型,通过调整加热火焰模型的热流密度,模拟钢轨的温度场,获得钢轨异形结构对钢轨温度场的影响规律.结果表明：在采用均匀热流密度加热火焰模型时,钢轨底部升温速度最快,钢轨头部最慢;加热完成后钢轨底部平均温度最高,钢轨头部最低,钢轨温度场分布均匀性较差,而对于钢轨心部,钢轨腰部升温速度最快、平均温度最高,钢轨头部升温速度最慢、平均温度最低.经过对加热火焰模型热流密度的优化,钢轨表面和心部温度场分布的均匀性得到很好改善,可为实际生产中火焰热处理设计提供参考.     

汽车乘员舱空调制冷CFD瞬态分析

为提高汽车乘员舱的热舒适性,缩短空调制冷系统的开发周期,降低开发成本,对某车型乘员舱空调制冷过程进行30 min的CFD瞬态计算.由管道流量分配和总压分布可知,各管道流量分配较均匀,总压分布合理,没有压力损失过大的区域.由气流速度分布和温度场随时间变化情况可知,空调开启15 min后乘员舱温度基本稳定不变,达到人体舒适温度,但舱内后排中间位置温度偏低.计算得到的舱内监控点温度曲线与试验所测温度曲线基本吻合,证明该数值仿真方案有效.     

连铸板坯三维瞬态温度场的软件模拟实现

连铸过程实际是一个凝固传热过程.连铸过程中的铸坯温度分布及其变化对于产品质量是非常重要的,人们不断地研究和调整连铸工艺参数.目的就是为了获得理想的温度分布.近年来广大研究者对铸坯凝固的温度场进行了大量深入细致的研究.并开发出了很多温度场模拟的模型和软件.但大都是二维的,只能用于离线工况的静态模拟,不能有效模拟连铸过程中经常存在的非稳态情况.本文建立了板坯连铸传热过程的三维非稳态数学模型,可以实时的反映不同连铸工艺参数对铸坯温度场的瞬态影响,并将计算结果与实测结果进行了比较来说明模型的准确性.为制定合理的二冷制度,和确定动态轻压下的压下位置提供可靠的依据.     

飞机座舱温度场数值仿真研究

要为飞机座舱空气分配系统以及飞机的环控系统提供更为可靠的设计依据.应寻求更加接近实际的座舱温度场的分布情况.根据飞机座舱内实际存在的传热过程,主要在导热-对流传热的基础上考虑了辐射传热,在利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent对飞机座舱温度场的数值仿真过程中,加入了离散坐标辐射模型,主要壁面采用了对流-辐射混合热边界条件,而且考虑了太阳辐射对舱内温度场的影响.针对某战斗机的设计状态点对其座舱温度场进行仿真,得到了该条件下的舱内温度分布和辐射换热量,计算结果跟传统方法进行了比较,表明了实际性和可行性.     

基于CFD的通信机房流场模型建立与分析

介绍了一种利用计算流体动力学技术分析通信机房流场分布的方法,找出合理的气流组织形式以达到节能的目的.对机房三维物理模型进行非结构化网格划分,选用标准的k-ε湍流模型,设定相应的边界条件,针对不同的空调风速工况,利用Fluent软件对机房内的温度场和速度场进行数值模拟与分析,研究得出合理的风速以降低能耗.该方法能够有效地建立通信机房的流场模型,对制定机房节能方案有重要的参考作用.     

关于外门换端时无法保持开门的改进设计

为了提高城际动车组、地铁车辆运用的可靠性,客室车门控制继电器按在列车安全电路中。客室车门系统在电气控制方面容易发生“在断开司机室主控钥匙时,打开的列车客室车门自动关闭”的故障,对其故障原因进行了分析,提出相应的改进措施,起到了良好的效果。     

汽车前舱热气流对制动盘散热性能的影响

针对制动盘对流传热计算多基于单个制动盘或基于整车外壳模型下的制动盘,未考虑汽车前舱内高温气流对制动盘散热性能影响的问题,基于含有前舱部件的某SUV整车模型,对其通风制动盘散热性能进行数值计算并分析,得到在不同前舱产热工况以及不同车速下通风制动盘的外流场、外温度场、表面对流传热系数和散热功率.在前舱热源相同时,车速变高会提高制动盘对流传热性能,而在车速固定时前舱热源越大则制动盘的散热性能越差.     

地铁站台空调系统非线性预测控制策略

地铁站台空调系统回路众多且具有强耦合和非线性特性,PID控制方法参数整定困难,无法兼顾乘客舒适性和能效最优,由于系统建模困难,非线性优化算法计算量大,智能控制方法难以实现工程应用.对此,提出一种地铁站台空调系统预测控制策略.首先,根据热湿负荷平衡和能量守恒定律建立地铁站台热动态特性预测模型;然后,将满足乘客舒适性并节省能耗作为系统优化目标,使用神经网络作为优化反馈控制器,将系统优化目标函数作为控制器优化性能指标,结合变分法和随机梯度下降法,对神经网络控制器的权值和阈值进行在线滚动优化,算法计算量小,占用存储空间适中.仿真实验结果表明,所提出的预测控制策略与传统PID控制方法相比,在满足乘客舒适性要求的前提下,系统响应时间可缩短约39.6%,末端风机能耗降低约73.39%.     

混合记录气膜温度场仿真

混合记录是实现超高密度存储的重要途径之一,是当前国际超高密度存储研究的热点。该技术利用高矫顽力的磁记录材料进行热辅助写入,并在常温下读出和保存,可克服超顺磁极限实现超高密度存储。基于对流换热理论建立了混合记录介质与浮动气膜间的对流换热模型。磁头在不同的飞行姿态下分别可以用层流换热模型和紊流换热模型来求解气膜温度场。注意到磁记录磁头飞高在纳米量级的特点,运用边界层理论求解了浮动气膜的温度场,得到了近场光、磁混合记录中由近场馈热导致气膜温升的影响规律及相关的数据,     

基于MC9S08GB60的汽车电控悬架控制系统设计

对空气悬架的控制是提高车辆行驶平顺性的有效方法。以MC9S08GB60为控制芯片,以YBL6891H型客车的1/4车辆模型为研究对象,设计了一种客车用空气悬架的电子控制单元。该控制单元通过调整空气弹簧的刚度,降低车身垂直加速度,并采用模糊PID控制算法,提高控制精度。试验表明:该电子控制单元能有效降低车身垂直加速度,在改善车辆行驶平顺性的同时,提高了操纵稳定性。     

An investigation of thermal comfort inside an automobile during the heating period

This paper describes a combined theoretical and experimental study of thermal comfort during the heating period inside an automobile. To investigate the effects of thermal conditions on the human physiology and thermal comfort during the heating period, temperature, humidity and air velocity were measured at a number of points inside the automobile, so thermal conditions were accurately determined. The human body was divided into 16 sedentary segments, and the change of temperature was observed both experimentally and theoretically. During transient conditions of the heating period, heat and mass transfer between the human body and the interior environment of an automobile were simulated by a computational model, and predictions were compared with the measured data. It is shown that there is a good agreement between the model predictions and experimental results. By means of the present model, the effects of the fast transient conditions of the heating period on the sensible and latent heat transfer from the body, body segments skin temperatures and thermal sensation were investigated in detail.     

Comparison of thermal comfort performance of two different types of road vehicle climate control systems

The performance of climate control systems in vehicles becomes more and more important, especially against the background of the important relationship between compartment climate and driver mental condition and, thus, traffic safety. The performance of two different types of climate control systems, an un-air-conditioned heating/cooling device (VW) and an air-conditioning climate control unit (BMW), is compared using modern and practical evaluation techniques quantifying both the dynamic 3-D temperature distribution and the local air refreshment rate. Both systems suffer from considerable temperature gradients: temperature gradients in the U-AC (VW) car up to 8-9 degrees C are encountered, while the AC (BMW) delivers clear improvement resulting in temperature gradients of 5-6 degrees C. The experiments clearly demonstrate the effect of the presence of even a single passenger on the thermal regime, increasing the existing thermal discrepancies in the compartment with 15% independent of ventilation rate. Furthermore, in terms of air refreshment rates in the vehicle compartment, an air-conditioning unit halves the air refreshment time at all positions in the vehicle cabin, delivering a significant improvement in terms of human comfort. Similarly, extra air inlets in the back compartment of a car deliver progress in terms of cabin refreshment rate (93 s down to 50 s).     

基于强化学习的地铁站空调系统节能控制

地铁站空调系统能源消耗较大,传统控制方法无法兼顾舒适性和节能问题,控制效果不佳,且目前地铁站空调控制系统均是对风系统和水系统单独控制,无法保证整个系统的节能效果.鉴于此,提出基于强化学习的空调系统节能控制策略.首先,采用神经网络建立空调系统模型,作为离线训练智能体的模拟环境,以解决无模型强化学习方法在线训练收敛时间长的问题;然后,为了提升算法效率,同时针对地铁站空调系统多维连续动作空间的特点,提出基于多步预测的深度确定性策略梯度算法,设计智能体框架,将其用于与环境模型进行交互训练;此外,为了确定最佳的训练次数,设置了智能体训练终止条件,进一步提升了算法效率;最后,基于武汉某地铁站的实测运行数据进行仿真实验,结果表明,所提出控制策略具有较好的温度跟踪性能,能够保证站台舒适性,且与目前实际系统相比能源节省约17.908%.     

Comparison of thermal comfort performance of two different types of road vehicle climate control systems

The performance of climate control systems in vehicles becomes more and more important, especially against the background of the important relationship between compartment climate and driver mental condition and, thus, traffic safety. The performance of two different types of climate control systems, an un-air-conditioned heating/cooling device (VW) and an air-conditioning climate control unit (BMW), is compared using modern and practical evaluation techniques quantifying both the dynamic 3-D temperature distribution and the local air refreshment rate. Both systems suffer from considerable temperature gradients: temperature gradients in the U-AC (VW) car up to 8–9°C are encountered, while the AC (BMW) delivers clear improvement resulting in temperature gradients of 5–6°C. The experiments clearly demonstrate the effect of the presence of even a single passenger on the thermal regime, increasing the existing thermal discrepancies in the compartment with 15% independent of ventilation rate. Furthermore, in terms of air refreshment rates in the vehicle compartment, an air-conditioning unit halves the air refreshment time at all positions in the vehicle cabin, delivering a significant improvement in terms of human comfort. Similarly, extra air inlets in the back compartment of a car deliver progress in terms of cabin refreshment rate (93 s down to 50 s).     

基于PID的轿车空调系统设计

轿车空调系统由鼓风机、循环风门、混合风门、蒸发器、加热器、太阳辐射、室外空气对室内空气影响、乘客热负荷、车速等部分构成,由热平衡原理及能量守恒定律建立完整的轿车空调系统数学模型。针对空调模型,设计相应的PID控制器,来调节混合风门的开度以实现轿车车室温度调节。在Matlab 2009仿真软件中,利用Simulink工具箱建立空调控制系统的仿真模型。在仿真试验中,车室温度的调节过程大约需要1 min,温度控制准确度高。由于将一些热负荷考虑到模型中,能够较好地实现对干扰信号如太阳辐射强度、系统参数如蒸发器温度等变化量进行抑制。仿真试验表明所建立的数学模型和控制器设计是正确、可行的。