高速动车换气口流动阻力实验台设计

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2013年第 41卷第 9期 流 体 机 械 77文章编号： 1005—0329(2013)09—0077—04高速动车换气口流动阻力实验台设计何忠韬。方海容(南京铁道职业技术学院，江苏 南京 210031)摘要： 探讨了高速动车换气口流动阻力实验台相关问题，根据流体力学相关原理，提出用低速风洞模拟列车外界风速场，换气口试件置于风洞试验段中，将列车外界风速、流经换气口的风量模拟量都设计成可调控的实验参数，搭建了用于换气口流动阻力及其影响因素的实验平台。实验实例表明，本文方法建立的高速动车换气口流动阻力实验台方案是可行的，测量结果是可信的。

关键词： 高速动车；列车换气口；流动阻力；实验台设计中图分类号 ： TH137 文献标识码： A doi：10．3969／j．issn．1005—0329．2013．09．017Experimental Platform Design on Flowing Resistance of Air Vents for Bulet TrainHE Zhong—tao，FANG Hal-rong(Nanjing Institute of Railway Technology，Nanjing，JiangSu，210031)Abstract： Problems about an experimental platform are discussed，recurring to which，the flowing resistance of air vents on thebulet train can be researched．According to the principle of fluid mechanics，it is put forward that the train wind field outside canbe simulated by the low speed wind tunnel，the ventilation test piece is placed in the test section of wind tunnel，the wind speedoutside and the flowing rate through the air vents are tunable，then a experimental platform for flowing resistance of air vents isbuilt．The experimental results show that the scheme of the experimental platform is feasible，and the measurement results arecredible.

Key words： bulet train：air vents；flowing resistance characteristics；design of experimental platform 1 引言列车换气口包括新风口和排气口，换气系统是列车空调系统的重要组成部分，是一年四季全天候工作的设备，换气口又是换气系统的重要部件，无论是通风系统的阻力计算还是通风机的选择，都要求事先获得换气口的局部阻力损失。描述换气口流动阻力的特征参数是流动阻力系数，是综合反应换气 口局部阻力的技术参数。流体流经换气口是一个复杂的过程，与其相关的影响因素较多，有流体的空间边界条件、气动参数、物件的结构，而且换气口的种类繁多，形态变化复杂各有不同，仅依靠理论难以确定换气口的流动阻力系数，必须借助于试验测得换气 口的流动阻力系收稿日期： 2013—04—22 修稿 日期： 2013—06—24基金项目： 南京铁道职业技术学院2013年校级立项课题(Y13004)数 。

Changnon对风 口相关 的应用情况做 了研究? ，尤其是受到外界影响时排风口的性能；美国的Dietrich和Fred等对风口的空气动力学性能做了试验研究L2 J，分析了影响其阻力系数大小的因素。Elmulim对管状的排风型风口进行了试验研究L3]。Brian和Dandan等提出了客室内置通风设计方法，用来提高客室内的空气质量 。莫培杰对上海地铁车辆空调通风系统进行了试验研究 ]。孙相业，王书傲和谈越明等对列车的通风情况做了研究 ]，宋丹辉等对在静止状态下的铁道车辆的排风帽的排风特性与排风口面积之间的关系做了试验研究，得出了当出风口的面积增大会减小排风帽的流动阻力，有导风环时风口面78 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013积增大对流动阻力或阻力系数减小的影响和出风口位置有直接的关系 。

本文探讨新风口流动阻力试验系统相关问题，根据流体力学的相关原理，用低速风洞模拟列车外界风速场，将试验用的新风口试件置于风洞试验段中，可调节模拟列车外界不同的风速、不同的新风量，为试验研究新风口的流动特性阻力特性及其影响因素提供试验平台。

2 测量流动阻力试验原理当流通截面大小和形状发生急剧变化的管件，由于边壁的急剧变化，从而造成局部区域能量的损失，称之为局部阻力[1 。换气口类似于管件的局部阻力，由于局部流动的复杂性，目前还无法从理论上来分析出局部流动阻力的一般规律，在工程上管件的局部阻力一般是通过试验得到的，试验证明，局部阻力系数可以根据试件进出口之间的压差来测得，即：： (1)pv式中 ——局部阻力系数t，——通过新风口的平均流速，m／s△p——由于新风口的结构产生的内外压力损失，Pap——空气密度，kg／m图 1示出了列车在运行的工况下，存在由于车速运动而产生的外界风速 和速度方向。同时列车通风系统由通风机通过图中所示的新风口将外界的新鲜空气 吸入风道内，由此便产生新风量9，方向如图所示。

道图 1 新风口工作环境示意在此工况下，必然会产生由于新风口的结构产生的内外压力损失却 ，即为压降，而通过新风口截面面积 的平均流速t，计算式为：= Q／A (2)式中 Q——由于新风口的结构产生的内外压力损失，PaA——新风口截面面积，In为了研究随着外界车速和通风量 Q发生变化时换气口的阻力变化规律，要求试验系统应能获取可以调节的车速和通风量，并能准确测量换气口局部阻力损失和空气密度。

3 试验系统及数据处理为了便于试验研究新风口在不同列车运行速度和不同新风量工况下的流动阻力特性，试验系统应能获得车外列车运行环境和列车通风系统新风流量的工况，对列车运行速度 “。(即风洞流速)，新风量 Q和新风口局部阻力损失 △p进行准确测量。

依据试验原理，建立试验系统，如图2所示。

该试验系统主要由风洞和新风系统组成。风洞主要用于模拟列车换气 口外侧环境，新风系统主要用于建立换气口的新风系统。

风扇段试验 轴 新风 风机 段 ＼扩压段 ／ 用哥Ⅲ 耕 JxL稳定段 圆变方＼收缩段＼厕 ＼l j风洞进口 侧板j风道二段＼风道二段＼风道一段 转弯段 减缩管图2 试验系统示意3．1 风洞 系统建立一个开路低速风洞来模拟新风口外侧的工作情况(如图 2)，风洞总长约 13．4 m，包括进口、稳定段、收缩段、圆变方、实验段、方变圆、扩压段、风扇段、风扇、电机等u 。风洞选用的风扇电机型号 Z4—250—12 。为了能模拟列车不同运行时速的工作环境，定量调节风洞的风速，在风扇电机旁边设置电机控制装置。为了标定风洞风速，需要获得风洞试验段中的流速，因此在风洞稳定段两侧分别安置 2个毕托管，将毕托管分别连接在倾斜式微压计上。试验时调节电机不同转速，待系统稳定后，在 2个倾斜式微压计上读出h d01(mmH20)和 do2(mmH20)。

3．2 新风系统●■t●●●●●●●●●●●●● 2013年第41卷第9期 流 体 机 械 79为了试验研究通风系统不同新风量 Q对新风口的阻力特性的影响结果，需建立只用于新风口的新风系统。

由于试验场地有限，新风系统有一段转弯。

新风系统总长约 8．7 m，包括风道一段，风道二段、转弯段、减缩管、流量测量段、新风通风机等。

3．3 新风流量测量装置如图3所示，为了保证准确测量新风量 Q，在流量测量段上，距流量测量段起始端 3 m处设置流量i贝0量装置。本试验采用动压平均管，根据其外形，又称为笛形管。动压平均管是一只沿管道直径插入管道内的细圆管，在对着来流方向开一些圆孔，作为测量全压只用。各孔测得的全压由于开孔位置不同而不同，在管内平均后被导出；在测量截面的管道壁上开2、3个测量静压的圆孔。

动压平均管流速与压差的关系为：～ ， ，’ 、1／2=KdI po l (3) 、
P式中 —— 动压平均管流速，m／s— — 流量系数△P0——全压与静压之差，PaP’——被测流体的密度，kg／m图3 新风流量测量断面位置示意由于测得的是全压的平均值与静压之差，因而可算得平均流速。这里的关键是平均动压管测量全压的孔的开孔位置和数目，这又与湍流流动在圆管截面上流速分布的数学模型有关：选用不同的数学模型，开孔位置也不同。

根据以上笛形管测速原理，如图4所示，流速测量断面笛形管上开4个直径 1 mm的孔；边上的两个孔，中间的两个孔和圆管截面分别在一组同心圆上，边上的两个孔分别距圆心0．8881R(是圆管内截面半径)，中间的两个孔分别距 圆心0．4597R。将笛形管沿管道直径插入管道内，将管上孔向着来流方向，并用软管连接笛形管开口端。在流速测量截面下方和水平两侧分别开3个直径 1 mm的测压孔，并用软管连接起来。将连接笛形管的软管和连接测压孔的软管连接在倾斜式微压计上，读数为h 。(mmH 0)。

图4 平均动压管风量由变频器和调速风机调节，以确保不同试验工况下的进风量。为了能任意调节风量，实现无 级 调 速，选 用 变频 调 速 风 机 型 号 9—1911NO6．3A。

3．4 新风口局部阻力损失测量系统试验新风口试件位于风洞系统和新风系统的交界处，如图5所示，为了方便新风口的装卸，设计一个侧板，侧板使风洞试验段和新风风道连接在一起，并起到固定新风口的作用。

图5 风洞试验段结构布置分布爆炸如图6所示 ，为了测量不同工况下新风 口局部阻力损失，在试验段和新风风道上开 2排小孔，安置 2排笛形管。图6中新风口外侧笛形管处笛形管上的孔与来流方向垂直，即测量新风口入 口静压；新风口内侧笛形管处笛形管上的孑L向着来流方向，图中箭头表示风洞流速方向。每排笛形管用软管连接，分别接在倾斜式微压计上，读数为Ahi(mmH20)，Ah(mmH20)。

80 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013图6 新风口两侧笛形管布置3．5 试验数 据 处理测量风洞进口空气压力和温度，风洞内部流场稳定 后，在 2个微压计上 读出并记 录 h 。

(mmH2O)，hl1nl(mmH20)，hdD2(mmH2O)，Ahi(mmH 0)和zah(mmH 0)，根据文献处理实验数据，得到换气口流动阻力全部实验数据 ¨¨ j。

4 试验分析利用本文建立的试验平台对某国产高速列车上的排风风帽做流动特性试验，试验结果如图7，8所示。

邑 800司 O0 600 1200Q(m ／h)图7 新风口阻力损失与新风量关系0600 l200Q(m ／h)图 8 新风 口阻力系数与新风量关系如图7所示，在列车一定的运行速度的条件下，新风口阻力损失随新风量的增加而增加，增加趋势比较缓慢；如图8所示，在列车一定的运行速度的条件下，新风 口阻力系数随新风量的增加而减小。

试验结果表明，在列车运行条件下，新风量对新风口的阻力损失有较小的影响，而对新风口阻力系数有明显的影响。列车运行高速且新风量较低的条件下，阻力系数很大，随着新风量的增加迅速减小，最后趋向于水平直线。

5 结论(1)根据本文设计的试验平台，对风洞进 口空气数进行处理，可以得到新风口阻力损失和阻力系数。

(2)利用本文设计的试验平台对某国产高速列车上的排风风帽的流动特性的试验结果表明：在列车一定的运行速度条件下，新风口阻力损失随新风量的增加而增加，在新风量 100 m ／h左右，阻力系数很大，随新风量的增加而迅速减小，最后趋向于水平直线。

(3)试验结果表明，本文方法建立的高速动车换气口流动阻力试验平台技术上是可行的，测量结果是可信的。

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(下转第6O页)FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，20133~C；0．3m以外的区域，人体活动区温度梯度在0．9—2．6℃内，符合 ASHRAE手册中人体热舒适性标准的要求。建议采用重力循环系统形式时，将人员活动区设在距离重力循环柜水平 0．3m以外的区域，由PMV和 PPD值分析得知，重力循环供冷方式对室内热舒适性没有影响。

致谢：实验台的搭建得到德贝纳暖通节能技术有限公司的资助，在此表示感谢!参考文献[1] Jae—Weon Jeong．Energy conservation benefits of a ded·icated outdoor air system with Parallel sensible coolingby ceiling radiant Panels[C]．ASHRAE Transactions，2003，102(1)：627-637.

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作者简介：谷德军(1985一)，男，硕士研究生，研究方向为暖通空调系统的节能与优化。

通讯作者：金梧凤(1964一)，男，副教授，博士，主要从事暖通空调系统节能与优化方面研究，通讯地址：3000134天津市北辰区津霸公路东口天津商业大学制冷与空调工程系。

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作者简介：何忠韬(1957一)，男，汉，教授，主要从事铁道机车车辆研究，通讯地址：210031江苏南京市南京市浦口区珍珠南路65号南京铁道职业技术学院动力工程学院。