设计提供依据。
2 CFD仿真模型的建立
CFD是近年来迅速发展的复合学科，它将近代流体力学、数值数学与计算机科学相结合，数值求解描述不同种类流体运动及传热传质规律的偏微分方程组，得到确定边界条件下的工质流动、输运、相变等数值解。本文正是基于CFD技术研究主风道的流动分布特性，所用计算软件是Star-CCM+®。
2.1 几何模型
主风道结构如图1所示，拥有1个进风口、2个出风口，两分支流道通常被设计师形象地称为“直腿”和“弯腿”。风道内布有7块导流板，以求使两出风口的流量尽可能相等，同时减小两分支的沿程压力损失和局部涡流。
图1 主风道结构示意图
2.2 网格划分
本文选用多面体网格划分主风道结构，可以在保证计算精度的同时，提高计算速度。为防止计算过程中出现回流，导致迭代不易收敛，还需对出口网格进行拉伸操作。最终生成多面体网格约87万，顶点数约270万。
2.3 计算参数设置
本文主要分析进风量为50m3/min时主风道的流动特性，按定常不可压缩流动进行模拟，主要计算参数设置如下：采用两方程k-ε模型描述湍流行为；采用壁面函数模拟近壁面流动特性；模型仅考虑质量和动量控制方程，无需联立能量控制方程，求解过程视为等温；采用二阶迎风格式离散对流项和扩散项，避免数值假扩散的误差；采用分离式SIMPLE求解器处理离散所得方程组。
3 主风道流动特性的分析及试验对比
当进风量为50m3/min时，主风道进风口的法相流速约为19.1m/s。以进风口中点为基准，沿流动方向将风道从中央剖开，其剖面速度分布如图2所示。可以看出：来流在进风口附近的扩口、风道中央的导流板以及两分支的出口处明显减速，而在弯腿的拐角处明显加速，速度最大值接近35m/s。此时，直腿与弯腿出口的流量比为1.014，沿程损失分别约为393Pa和410Pa。
图2 剖面处的速度分布云图
主风道内部的速度流线分布如图3所示。可以看出：风道内空气流动比较顺畅，仅在少数区域存在涡流，以进风口附近的扩口和弯腿出口处最为明显。不过受设备舱其他部件的外形限制，主风道外轮廓在实际设计时很难有大调整，其性能改进一般从内部导流板入手。
图3 主风道内部的速度流线分布图
为验证仿真计算的正确性，还进行了风道相关性能数据的试验测试，全部基于《工业通风机用标准化风道进行性能试验》（GB/T 1236-2000）完成，如图4（a）所示。对于进口流量测试而言，在风道进口侧按面积等分的方法选取测点，利用毕托管与电子微压差计测得进风口风速，取各测点的平均值作为风速值，然后根据速度面积法求得风量。对于出口流量测试而言，由于在出口侧风速分布极其不均匀，因此出口的风速将基于风量测试值计算得到，直接利用Model8373套帽式风量罩测试出风口风速，如图4（b）和图4（c）所示。对于压力测试而言，在风道进口测点布置与风速测试相同，利用毕托管与微压差计测量各测点的动压、静压和全压值。测试的环境温度为20℃。
分析试验结果后得出，直腿与弯腿的风量相差很小，在50m3/min运用工况下二者的分流比试验值为1.041，与仿真结果基本一致。但沿程压力损失试验值要高于仿真值，分别约为直腿455Pa和弯腿464.7Pa，原因可能在于仿真模型无法反映风道壁面的实际粗糙度。但总体上看，仿真得到的主风道流动特性与试验结果吻合度良好，说明了本文仿真建模思想的正确性。
（a）测试用主风道实际结构；（b）弯腿出口测试；
（c）直腿出口测试
图4 主风道试验设置
4 结语
本文使用CFD分析了指定进风量时主风道的空气流动特性，所得结论如下：在50m3/min的指定进风量下，主风道两分支出口流量比基本接近1，较好地满足了主要设计目标；弯腿沿程压力损失略大于直腿，但两者相差并不大，仅为数Pa左右。
参考文献
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作者简介：林鹏（1982-），男，山东烟台人，中车青岛四方机车车辆股份有限公司国家工程研究中心高级工程师，工学博士，研究方向：力学。
（责任编辑：黄银芳）