第一章绪论
1.1研究背景
目前我国铁路电气化率己经达到了36.7%，承担全部铁路货运量的50%，经济效益和社会效益十分显著。根据《综合交通网中长期发展规划》，到2020年，中国铁路营业里程将达到12万公里以上，其中电气化铁路比重将达60%。图1一1显示了近20年中国电气化里程数及其占铁路总运营里程的百分比。由图中可以看出，中国的电气化铁路在近10年内的发展迅速，已经达到了世界第二，步入了世界电气化铁路的先进行列。随着我国电化铁路的发展，2003年至2005年内株洲南车集团先后向伊朗、乌兹别克斯坦、哈萨克斯坦出口了整车电力机车，说明我国的列车制造技术已经达到了世界领先水平。
电力机车作为现代电气化铁路的一个重要组成部分，具有“重载、高速”特点。重载主要体现为大功率，特别是单轴功率的增加，我国的电力机车单轴功率已经由630kw发展到I000kW;调速经历从直流传动到交直传动，然后进入交直交传动时代，现在国内主要采用的是调节电频和电压的交流电机调速方式。由于出口机车的运行环境条件较广，乌车的运行环境温度为一40OC一50OC，哈车的运行环境温度为一50℃一45℃，运行时受到太阳辐射的影响大，而且机车司机室围护结构的组成复杂，机车内发热部件多，导致机车司机室内的工作条件很恶劣，因此空调系统成为电力机车司机室中很重要的部分之一。
1.2电力机车空调系统综述
1.2.1电力机车通风系统
我国电力机车通风系统从传统的、单一的设计模式走向多样化、简统化的设计模式，简单来说就是其发展经历了一个从不断完善到简单统一再到自成一体的过程。机车通风方式概括起来讲可以划分为车体通风方式、独立通风方式和车顶夹层通风方式三种(见表1一1)。目前我国的直流传动电力机车和动力车组，要求直接使用风冷冷却电气设备，对冷风干燥度有严格要求，故大都采用车体通风方式;而交流传动电力机车和动力车需要冷却的电气设备较少，也允许有少量雨水混入，故对于空气的含水量要求相对宽松，常采用室内无负压的独立通风方式或车顶夹层通风方式。
2.2电力机车司机室空调系统的特点
列车的发展经历了从第一次工业革命出现的蒸汽机车到内燃机车，然后到近几十年发展起来的电力机车。世界上第一台列车空调出现与20世纪30年代，而电力机车空调的出现则更晚。随着科技的不断发展，列车时速也不断增加，导致原本就处于恶劣环境中工作的司机及助手出现身体不适，注意力和反应能力降低的情况;另外由于机车在高速运行时，车内的发热设备如果不能很好的将热量散出，会导致设备由于温度过高而启动自保护发生停机等故障。国外某大学的研究报告指出:当室外环境温度32℃时，没有安装空调的列车比安装了空调的列车发生故障的几率增加了40%。
由于机车在运行过程中，司乘人员要开门开窗对机车或设备进行定期察看，此时室外热空气及机械间内的热空气(电力机车机械间采用独立通风方式，冷却风不与机械间内空气混合，机械间空气温度较高，约40℃左右)进入司机室，导致司机室温度骤升，因此要求司机室空调系统必须具有较高的降温速率。在铁道部发布的标准TB/T2866一1997中关于机车空调的部分也作出了相应的规定:在机车静止状态下，室内空调的降温速率不得低于8℃。
空调机组按其结构形式可以分为整体式空调和分体式空调两种。分体式空调分为室内机和室外机两部分，分体式空调具有外形美观、式样多、占地小、噪声低(可以低于40一50dB)、使用灵活等特点，可以多个室内机组和一个室外机组配套使用，室外机组的外形尺寸不受限制。但采用分体式空调一方面增加了成本，另一方面容易造成室内无新风，而且增加了部件之间的连接管和接头，导致制冷剂泄露的可能性和功耗增加。
第二章司机室空调系统试验研究
2.1引言
由前文的介绍可知，司机室内良好的气流组织方式能够让人感到舒适，增加人员工作的安全性，因此为了评价机车司机室内空调系统的气流组织，本章首先对南车集团试验站内的Kz4AC型电力机车司机室进行了试验研究，并测量出室内一些具有代表性的点和截面速度、温度值，与后文的数值模拟结果进行比较分析;同时测量出送、回风参数作为下一章计算模型的边界条件。
2.2电力机车简述
试验对象是南车集团运往哈萨克斯坦使用的Kz4AC型号电力机车。该型号机车采用整体承载式轻量化结构车体;设备布置采用集成化柜，平面斜对称布置，按照人机工程学设计的司机室符合中亚人的审美观。机车的基本技术参数如表2一1所示。图2一1就是试验电力机车的外观图。
2.3机车司机室空调系统
试验研究的空调采用上送下回形式，空气从后墙上方的栅格形送风口送入室内(如图2一2所示)，条缝形回风口设置在后墙下部(如图2一3所示)，在冬季采暖工况下，除了空调送热风外，在司机室正、副司机的脚踏位置，左右侧墙以及后墙下部均安装有暖风机(如图2一4所示)。司机室的平面图如图2一5所示。
第三章 司机室内气流组织数值模拟....................... 39-58
3.1 物理问题及模型的确定....................... 39-40
3.2 湍流数学模型的建立....................... 40-46
3.2.1 数学模型的建立 .......................40-44
3.2.2 边界条件的确定 .......................44-46
3.3 数值计算方法 .......................46-50
3.3.1 网格生成技术....................... 47-48
3.3.2 控制方程的离散 .......................48
3.3.3 流场的数值计算....................... 48-49
3.3.4 控制方程的求解....................... 49-50
3.4 数值计算结果分析....................... 50-55
3.4.1 制冷工况计算结果 .......................50-52
3.4.2 制热工况计算结果....................... 52-55
3.5 计算条件改进....................... 55-57
3.6 本章小结.......................-58
第四章 司机室内气流组织评价....................... 58-68
4.1 数值计算结果与试验结果....................... 58-61
4.2 气流组织评价指标 .......................61-63
4.2.1 技术指标 .......................61-62
4.2.2 经济指标.......................62-63
4.3 数值计算结果气流组织评价 .......................63-67
4.3.1 气流组织的合理性评价....................... 63-65
4.3.2 气流组织的均匀性....................... 65-67
4.3.3 气流组织的经济性评价....................... 67
4.4 本章小结 .......................67-68
结论
在过去很长一段时间内，人们都将研究的重点放在空调列车车厢内，研究车厢内的空气品质是否符合人员的热舒适性要求，而忽视了司机室内人员对空调的要求，司机室空调系统在很大程度上会影响工作人员的效率，同时也会影响行车的安全性，因此本文对株洲南车集团某型号机车司机室内空调系统进行试验研究，并采用计算流体力学的方法对司机室进行了三维数值模拟，将计算结果与试验进行对比，最后对室内的气流组织进行评价。通过本文的所作的工作，可以得到以下结论:
1.试验结果表明，机车司机室的传热系数比一般客车空调的传热系数大，一般普通空调客车的传热系数不超过1.16w/(mZ•K)，但是司机室的传热系数的推荐范围为1.7一2.3w/(mZ•K)，因此司机室内单位面积空调制冷量要比普通客车空调大很多，通过试验计算得到司机室传热系数为2.2995w/(mZ•K);
2.在室内布置的测点处，通过试验测得的速度、温度、相对湿度值都能够符合欧洲电力机车司机室UIC651标准的规定，司机室空调的加热效率(制冷效率)也能够满足在最不利工况下加热(冷却)到规定温度的时间不超过45min(ZOmin)的要求;司机室内外压差会随着车速的增加而减小，影响空调的效果，因此需要保证室内外压差不低于30Pa，本文测得机车静止时室内外压差为IOS.3Pa;
3.通过将考虑了太阳辐射的影响后的模拟结果与原来的模拟结果进行对比发现，列车在运行时由于各方向太阳辐射强度不同，造成各方向的室外综合温度不同，在作用到室内后使得室内垂直温度梯度增大;
4.通过将离司机室后墙1/3和2/3位置处截面的数值计算结果和试验测量数据进行对比发现，数值计算结果与试验数据变化趋势一致，且能够保证在试验允许的误差范围内，说明数值模拟具有较高的可信度和准确性，而且数值模拟还可以对室内整体和局部的气流组织作出详细的分析，可以作为试验的一个辅助手段来对司机室进行研究;