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。
随着旅客对轨道车辆舒适度要求的不断提高，车厢内部的空气质量、环境舒适度越来越受到人们的关注。相比传统理论计算无法确定风道送风均匀性、车内气流组织、温度分布的弱点，计算流体力学（CFD）技术可以对空调系统管路及车内流场分布状况进行分析，确定风道阻力及各风口风量分配、车内流场相关参数。该技术具有成本低、周期短、可重复等优点，适合在前期指导列车空调通风系统的设计。本文以列车流场仿真分析实例为基础，对CFD技术在列车通风系统中的应用进行说明。
一、车内流场分析控制方程及计算模型处理
1.求解控制方程
空调系统及车厢内的流体流动为稳态、粘性、紊流流动的空气，采用带有浮升力效应的k —ε 高R e数两方程紊流模型对流场做三维紊流流动和传热计算，需用到的控制微分方程包括：连续性方程、动量方程、能量方程、紊动能方程及紊动能耗散率方程。微分方程组采用有限体积法求解，方程的对流项采用二阶精度的迎风差分格式，压力速度的耦合采用SIMPLE算法。
连续方程： （1）
其中，ρ 为流体的密度， 为方向的速度分量。
动量方程： （2）
其中， 是静压力， 是应力矢量， 是重力， 是微元体受到的体积力。
能量守恒方程： （3）
其中， 是焓， 是分子传导率， 是由于紊流传递而引起的传导率， 是定义的体积热源。
2.几何模型的处理
进行列车空调通风系统流场分析需建立列车内部空间及风道系统的几何模型，对于考虑车内旅客的计算工况，还需建立人体几何模型。针对不同的分析目的可适当地简化分析模型，如忽略对空调通风系统影响较小的几何特征；用于指导风道设计时，可仅建立风道几何模型，通过调整风道结构使其满足相关标准及车辆使用要求；用于指导整车空调通风系统布置时，可仅建立列车内部空间的几何模型，将风道风口特性作为边界条件，进行车内气流组织的分析。为了使分析结果更接近实际情况，可将调整好送风特性的风道与列车进行整体分析。
3.模型前处理及计算条件设置
目前针对流体分析的前处理软件有很多种，可选用Spaceclaim和WorkBench中自带的网格划分工具进行前处理。在网格处理时选择合适的网格尺寸，在边界和几何较复杂区域进行加密，可提高计算精度。
对于列车空调通风系统流场分析，若仅考虑车内的气流组织，仅设置流动边界条件即可，若考虑车内温度分布则还需设置热边界条件，若考虑车内湿度还需设置组分条件。
二、车内流场分析实例
以某车型为例，分析该车送风道的送风特性、车内气流组织和车内温度场，因此分别建立了送风道模型、空调系统管路及额定载客量时车辆整体几何模型。首先对送风道的送风特性进行分析，并调整结构直至风道流速及出风均匀性满足要求，然后将该风道与车辆模型合并，整体分析车内气流组织及温度场分布。
1.送风道送风特性分析
（1）送风道几何模型及边界条件设置。
如图1所示，该车送风道位于车顶两侧，采用条缝式出风口，每侧61个条缝式出风口，该风口与客室顶板相连。为了稳定计算，在模型处理时将出风口延长一定长度。
风道入口取流量边界条件，出口取压力边界条件。为了真实模拟风道的送风特性，用于调节送风均匀性的孔板使用无厚度的面体，赋予多孔介质属性对其阻力特性进行模拟，使用多孔介质跳跃模型计算阻力，其公式为：
Δp =-（µν /α +0.5C 2ρν 2）Δm （4）
其中，Δm 为孔板厚度，取0.002m；µ 为空气的粘度，取1.7894x10-5k g/m-3；ρ 为空气的密度，取1.225k g/m3；α 为表面渗透率，取3.5788e-7m2；C 2为压力阶跃系数，取3265.3m-1。
（2）送风道出风口速度的计算结果与测试结果对比。
从计算结果中提取一侧送风道61个条缝式出风口的风速，与对应出风口实测速度进行对比，对比图如图2和图3。
求得计算结果所有出风口的平均风速为3.98m/s，测试结果所有出风口的平均风速约为3.52m/s，偏差小于15%。且从对比图中可以看出，计算结果与测试结果吻合度较好。在风道端部，出风口风速较高；在空调机组正下方，出风口风速偏低；中间段的出风口风速较为均匀。
2.车内流场特性分析
（1）车内流场分析几何模型。
客室空调系统由车顶送风道、回风道及排风装置构成，其中送回风道口一端与车辆空调机组相连，一端与客室顶板风口相连。司机室空调系统由司机室通风机、司机室回风机构成。在求夏季额定载客量时，以车内流场和温度场的分布为例，建立几何模型如图4所示。
（2）网格划分。
使用CutCell笛卡尔网格划分模型（图5），总共生成694万网格，网格正交性质量高于0.15。
（3）计算条件设置。
流动边界条件设置，送风道入口按照实测数据的体积流量折算为质量流量；客室及司机室回风道出口采用压力边界条件。
热边界条件设置，车辆外部热负荷包括车体传热负荷Q 1及太阳辐射负荷Q 2，为了便于计算此处采用热流密度Q /f（传热热流密度Q 1/f 与太阳辐射热流密度Q 2/f 之和）加载到计算模型表面。由于各表面的太阳辐射负荷差异，需要分别计算车顶、左侧墙、右侧墙和地板表面的热流密度，加载在各边界上。
设置送风道入口温度，客室内的人体热负荷。
（4）计算结果及分析。
参照T B/T 2433-93《铁道客车空调装置运用试验方法》中的测点布置要求，在计算结果中提取车内特征截面（距地板0.5m、1.2m、1.7m高度处的截面，客室前部、中部、后部截面），风速及温度分布如图6～图17所示。
由图6～图11可以看出：计算模型车内风速分布总体较均匀，风道出风口处风速稍高，约为2m/s，满足T B1951对出风口风速1～3m/s的要求。由于一位端空调送风口距客室前部端面近，二位端空调送风口距客室后部端面远，因此前部出风口处风速稍高，后部出风口处风速稍低，该结果与实测情况吻合，如图3测试结果所示前部出风口风速高于后部。
由于计算模型空调系统风道出风口处没有设置出风格栅，因此风道出风口处风速比实际风速稍高，后续处理模型时可详细考虑出风口格栅的几何模型，进一步增加仿真计算的准确度。
车内的温度场计算结果分析由图12、图13可以看出：计算模型车内温度分布总体较均匀，在车辆满员的时候车内温度略高于27℃，满足车辆温度控制要求（额定工况下，车内温度低于28℃）。且由于客室前部比后部送风量高，客室后部流动较弱，因此客室前部温度低于后部温度。由于送风不均匀形成的客室前后部温差可以通过调节风道送风特性来减弱。
三、结论及展望
（1）送风口的分布及尺寸对车厢内气流组织影响较大，合理的送回风方式是保证流场参数均匀分布及热舒适性的关键；各支风道阻力的匹配也是保证送风均匀性的关键。但目前通常采用空调风道配套试验来调节风道风口及阻力，此方法需要消耗较多的物力财力人力且重复试验有较大难度。采用先进的计算机仿真技术，对特定结构送风系统的送风效果进行分析，可以提前发现不合理的设计，提高试验的成功率，降低成本。
（2）探索列车空调通风系统优化算法，通过设置风道系统优化参数及优化目标，使计算机自动重复计算并自动寻优，减少人工操作，提高技术人员的工作效率。
（3）计算模型、边界条件的处理对于分析结果的准确性均有较大影响，通过结果分析修正计算模型，积累分析经验才能更好地发挥CFD技术的作用。
（4）对于列车空调系统来说，CFD分析可完成风道内风速、风口出风风速、风道阻力特性、单独的车内气流组织、风道及列车整体模型的气流组织、静止及运行等多种状态下列车内的气流组织进行分析，并可对列车内温湿度、CO2浓度和舒适性进行判断。
总之，合理地利用CFD技术对指导列车空调通风系统设计具有重要的意义。