技术分享 | 如何获得更好的火车供暖、通风和冷却(HVAC)系统设计？（二）

很长一段时间以来，西门子使用CFD评估铁路客车气候控制，但是仿真并未对设计流程产生重大影响，这个情况直到近期才发生变化。内存和处理功能的限制使我们无法将整个车厢作为求解域。这意味着结果的可靠性取决于为问题指定边界的准确性。令人遗憾的是，大多数边界所位于的区域，无论是通过测量还是理论计算都无法进行准确确定。例如，许多列车都有为回流留有开口的内门。唯一能准确预测流经这些开口的气流的方式是，将门另一侧的空间也包含在求解域内。

                                                                 ICE 4 列车的仿真模型

久而久之， 西门子气候控制工程师有能力向他们的管理人员展示仿真的价值，并利用所需的计算资源，以扩大模型的范围，直至它们把整个车厢包含在内。计算域的边界从提取的流体内部的浸湿表面移动到车辆的外墙。通过使用共轭热传递，外墙可被当作固体包含在模型内。外墙通常是一个由塑料、隔热材料和铝材等构成的多层结构，每一层都必须进行建模。根据标准要求来定义环境条件。此外，还需根据标准中所规定的，将乘客热源添加到模型中。

每节铁路客车由15万个组件组成。HVAC仿真所需的部件数量大于结构仿真的部件数量，但仍然远远小于总体仿真的部件数量。从产品数据管理系统手动传输所需的部件极为耗时。只要设计有显著变化，就需要重复该流程。因此西门子工程师研发了一个例行程序，该例行程序能够将PDM系统中选定的本地或中性格式的数据自动导出，并将数据转换为Ansys SpaceClaim格式。

然后，工程师使用SpaceClaim 半自动工具清理螺栓和螺栓孔等小部件以及复杂的供应商部件。所有几何相关的细节均进行显式建模。工程师还创建了用于流体分析的反向几何模型。

“这些成本节约还意味着能够加速产品交付，并增加收入。”

                                                             气候风洞中的 ICE 4 列车

                                                     车厢内部仿真模型的详细视图

西门子工程师使用 Ansys Meshing 自动化例行程序来划分表面网格和体积网格。他们创建了大约200个不同的子域，这样就能针对模型的不同区域优化网格。对于有复杂几何模型的区域，四面体网格是最佳选择。

针对尤其需要较高的边界层精度以准确计算固体表面热传递的边界层，可配合使用六面体单元以及混合的四面体-六面体网格。共轭热传递仿真可用于预测乘客可能会接触的墙壁的表面温度，以及与列车内部交换热量的通道的表面温度。结果是一个通常有5亿到6亿个单元的仿真模型，该模型可使用 Ansys Fluent 在高性能计算(HPC)集群上进行求解。

可协助工程师检查体积流率和能量分布，以及包括车厢内所有座椅位置在内的400多个测量点的仿真结果。西门子工程师详细地评估仿真结果，将它们与EN13129标准以及客户的额外要求进行比较。仿真结果帮助工程师全面了解车厢内的温度和气流分布，并提示能够对设计进行改进的地方。工程师经常手动开展参数研究，以确定HVAC系统运行的最佳方式。

“西门子工程师的设计一次性成功，有望将风洞测试的工作量减少50%，相当于缩短两个月时间。”

仿真验证是CFD流程中一项严格的要求。工程师首先为仿真的参考项目开展验证，然后在气候风洞中进行测试。试验研究的结果与CFD仿真的结果良好吻合，但也显示了该流程仍需要改进的地方。

借助仿真准确预测HVAC系统的性能，让西门子工程师在建造和测试第一个产品之前就能以高精确度验证车厢内的各种条件。在大多数情况下，他们能让设计一次性成功，有望将风洞测试的工作量减少50%，相当于缩短两个月时间。

这样可节省风洞租赁费、人力和设备成本。如此一来，西门子工程师能够更轻松地评估备选设计方案，将乘客的舒适度提升到标准要求之上，同时无需测试多个产品变型。一旦HVAC系统成为项目的关键路径（虽然这种情况不常见），这些成本节约还意味着能够加速产品交付，并增加收入。

“西门子工程师成功利用Ansys Fluent CFD软件对完整的铁路客车进行了准确的仿真，得到的详细结果与物理测量结果极为吻合。”