空調(diào)客車內(nèi)氣流組織與污染物濃度場數(shù)值模擬

向立平 ，王漢青

(1. 中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 湖南科技大學(xué) 能源安全與工程學(xué)院，湖南 湘潭，411201；3. 湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲，412008)

客車是人們出行的主要交通工具之一，人們在車內(nèi)度過的時間越來越長。目前，要求高速行駛的客車車廂內(nèi)有很好的密閉性，車內(nèi)環(huán)境主要依靠空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)維持。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，約65%的駕駛員在駕車時會出現(xiàn)頭暈、困倦和咳嗽等現(xiàn)象[1-2]。車內(nèi)污染可能是現(xiàn)代社會中人體健康的主要威脅之一，因此，創(chuàng)造舒適的乘車環(huán)境、降低能耗和運行成本具有重要意義。人們對此進(jìn)行了大量研究[3-12]，但大多是集中于對轎車的空氣溫度場及車內(nèi)和外界熱交換熱輻射等進(jìn)行研究，而對空調(diào)客車氣流研究較少，對車室內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的研究更少。在此，本文作者在考慮人體散熱和太陽輻射對流場影響的基礎(chǔ)上，研究人體呼出的CO2作為污染源對車內(nèi)環(huán)境的影響，以期指導(dǎo)車室內(nèi)氣流組織優(yōu)化設(shè)計和改善車室內(nèi)空氣質(zhì)量。

1 模型的建立

1.1 空調(diào)客車物理模型的簡化

研究對象是有49個座位的豪華空調(diào)客車?？照{(diào)客車車室內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為此建立典型的簡化客車結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其幾何參數(shù)為：車室內(nèi)長為11.05 m，寬為2.50 m，高為2.79 m；玻璃窗為普通玻璃，厚度為5.00 mm；左右對稱布置12排乘員座椅。對車室內(nèi)空氣流動進(jìn)行數(shù)值模擬時，將蒸發(fā)室隔離出來；風(fēng)道位于車頂左右兩側(cè)，送風(fēng)口沿風(fēng)道長度方向均勻布置；回風(fēng)口位于車頂中央，通過走廊集中回風(fēng)。

圖1 空調(diào)客車車室簡化模型Fig.1 Diagram of air conditioning vehicle

1.2 數(shù)學(xué)模型

空調(diào)客車室內(nèi)的氣流運動屬于紊流運動，在紊流的工程計算中，k-ε湍流模型的應(yīng)用最廣泛，并取得了較好的結(jié)果[13]。這里采用的 k-ε湍流模型在車壁上符合對數(shù)定律，進(jìn)行如下假設(shè)和簡化：(1) 車廂內(nèi)流動和傳熱視為穩(wěn)態(tài)過程；(2) 車廂內(nèi)空氣視為不可壓縮流，而且密度符合 Boussinesq假設(shè)；(3) 忽略固體壁面間熱輻射，車內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)，不參與輻射；(4) 空調(diào)車室密閉良好，除送風(fēng)口和回風(fēng)口外沒有空氣泄露；(5) 忽略送風(fēng)氣流中 CO2含量，只考慮人體呼出的CO2含量；(6) 假定車內(nèi)CO2做跟隨運動，不影響空氣的流動。在假設(shè)和簡化的基礎(chǔ)上，建立含連續(xù)性方程、動量方程、紊流動能方程(k方程)、紊流動能耗散方程(ε方程)、能量方程和組分輸運方程等在內(nèi)的一套封閉的方程組，其通用形式如下：

式中：各參量的意義和模型建立過程見文獻(xiàn)[10, 13]。

2 邊界條件和數(shù)值求解方法

在數(shù)值計算中，建立空調(diào)車室的邊界條件特別是熱邊界條件是關(guān)鍵。整個車廂按定員考慮，人體散熱量按 105 W/人計算，將這些熱量均勻分布在座位上方，對于太陽輻射影響，采用Monte Carlo法[14]對太陽透射輻射能在車室內(nèi)表面的分配比例進(jìn)行計算，從而得出太陽透射輻射在空調(diào)車室內(nèi)各表面引起的附加熱流變化，以此2項作為能量方程的附加源項。

送風(fēng)口邊界條件如下：送風(fēng)口垂直方向的氣流速度w=2 m/s；u和v為相互垂直的兩水平方向的氣流速度，u=v=0；tin=18 ℃，k=0.02，ε=0.008。

出風(fēng)口邊界條件如下：邊界為壓力出口邊界，出口壓力為環(huán)境壓力；k和ε為自由滑移參數(shù)。

對車室內(nèi)氣固耦合問題采用整體求解，固體區(qū)域黏性系數(shù)取大值，車頂及車兩側(cè)壁面、車室地板、行李架符合無滑移邊界條件，即ui=0。車頂、地板及兩側(cè)壁面取定熱流邊界條件，給定車廂外部環(huán)境溫度，根據(jù)不同的墻結(jié)構(gòu)確定其換熱系數(shù)。

污染源邊界條件為：車內(nèi)乘客呼出 CO2含量按0.014 4 m3/(h·人)計算[15]，將這些污染物作為CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)方程的附加源項。

為較好地逼近車室內(nèi)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，采用貼體坐標(biāo)劃分計算網(wǎng)格。為節(jié)省計算機內(nèi)存和計算時間，在壁面處采用壁面函數(shù)法處理。應(yīng)用有限差分法和交錯網(wǎng)格離散控制微分方程，采用壓力修正法即SIMPLE算法[13]求解離散控制方程：(1) 對流項采用迎風(fēng)差分格式，將擴散項與對流項的影響系數(shù)分離，使方程絕對穩(wěn)定；(2) 把相鄰節(jié)點的影響系數(shù)表示成對流分量與擴散分量之和，將對流部分歸入源項。

3 計算結(jié)果分析

因車廂幾何結(jié)構(gòu)左右對稱，取車室室內(nèi)左邊結(jié)構(gòu)各斷面的速度場、溫度場和 CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布組合，如圖2～7所示，其中：圖2～4所示為x=1.31 m和x=10.20 m時斷面的速度、溫度、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布圖；圖5～7所示為x=5.20 m和x=9.14 m時斷面的速度、溫度和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布圖；圖8所示為z=1.46 m斷面的溫度和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖。x=10.20 m時斷面為駕駛員區(qū)，x=5.20 m時斷面為車廂中部，且經(jīng)過回風(fēng)口。

圖2 x為10.20 m和1.31 m時的斷面速度場Fig.2 Velocity fields at x=10.20 m and 1.31 m

圖3 x為10.20 m和1.31 m時的斷面溫度場Fig.3 Temperature fields at x=10.20 m and 1.31 m

圖4 x為10.20 m和1.31 m時的斷面CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Concentration fields at x=10.20 m and 1.31 m

3.1 氣流速度分布

由圖2和圖5可知：流場具有很強的對稱性，不同斷面的氣流流線也幾乎相似；送出的冷射流軸心速度垂直向下，擴散角度很小，在座椅處產(chǎn)生較大的流動渦旋，空氣流動強度較大；回風(fēng)口對空調(diào)車內(nèi)流場影響較大，距回風(fēng)口越近，流動強度越強，速度流線偏向回風(fēng)口，風(fēng)速逐漸趨近于回風(fēng)口速度，回風(fēng)口處風(fēng)速大約為4.64 m/s；回風(fēng)速度較大，從而導(dǎo)致風(fēng)機噪聲增加，影響乘客舒適性。

3.2 溫度分布

由圖3、圖6和圖8可知：由于空調(diào)客車車廂較長，駕駛區(qū)因太陽輻射溫度較高，司機區(qū)的溫度高達(dá)35.4 ℃；車廂尾部因太陽輻射和發(fā)動機傳熱溫度稍高，達(dá)26.5 ℃。顯然，駕駛區(qū)溫度較高，應(yīng)該增加駕駛區(qū)的送風(fēng)量。由于送風(fēng)口靠近窗側(cè)，鄰窗區(qū)的溫度比鄰過道區(qū)溫度稍高；冷射流在座位區(qū)形成渦旋區(qū)，使座位區(qū)的溫度比座位區(qū)上部和座椅下部溫度高。由圖 8可知：在乘坐區(qū)頭部高度水平面內(nèi)，除靠近駕駛區(qū)溫度偏高外，溫度分布均勻，比較理想，平均溫度為26 ℃。

圖6 x為5.20 m和9.14 m時的斷面溫度場Fig.6 Temperature fields at x=5.20 m and 9.14 m

圖7 x為5.20 m和9.14 m時的斷面CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.7 Concentration fields at x=5.20 m and 9.14 m

圖8 z為1.46 m時斷面溫度場和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.8 Temperature field and concentration field at z=1.46 m

3.3 濃度分布

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《長途客車內(nèi)空氣質(zhì)量要求》(GB/T 17729—1999)規(guī)定車內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得高于0.15%，換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不得高于0.22%。由圖4、圖 7及圖8所示的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖可知：在駕駛區(qū)域，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.07%，車廂前、后部乘客區(qū)域的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均約為0.24%，而車廂中部CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)0.41%。車廂內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)超出標(biāo)準(zhǔn)值，尤其是在車廂中部區(qū)域CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)嚴(yán)重超標(biāo)。其原因是乘客區(qū)域人員密集，而回風(fēng)口在車廂的車頂中部位置，車廂前后區(qū)域的污染物通過中部回風(fēng)口排走，因此，中部區(qū)域污染物CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大大高于前后區(qū)域的污染物CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(見圖8)；座位區(qū)是乘客的呼吸區(qū)，同時，由于空調(diào)系統(tǒng)送出的冷射流在座位區(qū)形成回旋氣流，污染物受座椅的影響不容易排出，從而污染物更容易在座椅區(qū)聚集；車廂的上部和下部CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，且上部區(qū)域CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨高度增加而逐漸降低，但中部區(qū)是乘客主要呼吸區(qū)，污染物CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚集，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)0.40%(見圖4和圖7)，使車廂內(nèi)乘客主要活動區(qū)空氣質(zhì)量變差，人體呼吸區(qū)空氣比較渾濁，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，嚴(yán)重影響了乘客的健康和舒適性。因此，應(yīng)優(yōu)化氣流組織設(shè)計，科學(xué)利用通風(fēng)換氣，降低車內(nèi)座位區(qū)污染物CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)。全面權(quán)衡車內(nèi)空氣質(zhì)量、能量消耗和噪聲等諸多因素，據(jù)控制車內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)、經(jīng)濟可行的原則，可以適當(dāng)增加新風(fēng)量。新風(fēng)量的增加會使送風(fēng)速度增大，從而引起能耗增加，噪聲增大，同時，使車內(nèi)微風(fēng)速增大，引起乘客有吹風(fēng)感。為了改善車廂中部CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于前后部CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的措施，可以在車廂的前后部各設(shè)置1個回風(fēng)口，減少污染物在車內(nèi)的排出時間，以盡快置換人員區(qū)的污染空氣，提高乘客的舒適性，防止人體健康受到危害。

4 結(jié)論

(1) 對空調(diào)客車室內(nèi)氣流組織、傳熱和污染物的數(shù)值分析，可以預(yù)測流場、溫度場和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況，篩選空調(diào)車室內(nèi)氣流組織設(shè)計最佳方案，從而縮短設(shè)計周期，節(jié)省人力、物力與財力?？梢詢?yōu)化控制，為乘客提供舒適、健康的乘車環(huán)境。

(2) 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)布置對空調(diào)車室內(nèi)微環(huán)境有較大影響，送、回風(fēng)口的布置對空調(diào)車室內(nèi)空氣流場、溫度場和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布影響較大。送風(fēng)氣流在車內(nèi)兩側(cè)形成比較大的回旋區(qū)，各對稱面氣流流型幾乎相同；靠近回風(fēng)口區(qū)域的流速較大，車內(nèi)氣流流線偏向回風(fēng)口，且距回風(fēng)口越近，流線偏轉(zhuǎn)程度越大。

(3) 太陽輻射和人體散熱對車廂內(nèi)流場、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布影響不大，但對車內(nèi)溫度場影響較大。由于受人體散熱和太陽輻射的影響，車內(nèi)座椅區(qū)溫度高于座椅上部和下部溫度，存在溫度梯度；由于車廂前玻璃面積大，受到太陽輻射強烈，導(dǎo)致駕駛區(qū)和前部乘客區(qū)溫度高于其他區(qū)溫度。

(4) 車室內(nèi)駕駛區(qū)的 CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，車室內(nèi)后部區(qū)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于中部區(qū)域CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)。但座位區(qū)由于乘客密集，人體呼吸區(qū)污染物聚集，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高；因回風(fēng)口位于車廂中部頂端，車室內(nèi)中部污染物CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)嚴(yán)重偏高。

[1] 朱天樂. 微環(huán)境空氣質(zhì)量控制[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2006: 339-360.ZHU Tian-le. Microclimate air quality control[M]. Beijing:Beihang University Press, 2006: 339-360.

[2] 鄧大躍, 陳雙基. 汽車內(nèi)空氣污染研究綜述[J]. 北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2004, 18(2): 52-59.DENG Da-yue, CHEN Shuang-ji. Study summary of pollutants inside vehicles[J]. Journal of Beijing Union University: Natural Science, 2004, 18(2): 52-59.

[3] Tohru K. Analysis of vehicle passenger compartment ventilation using experimental and numerical models[J]. SAE Trans, 1997,89(6): 392-400.

[4] Han T. Three-dimensional Navier-stokes simulation for passenger compartment cooling[J]. International Journal of Vehicle Design, 1989(2): 175-186.

[5] Hara J, Fujitanj K. Computer simulation of passenger compartment air-flow[J]. SAE Trans, 1988(6): 1375-1382.

[6] China H, Yamgimoto K. Prediction of internal air flow analysis of passenger car by three dimensional numerical flow analysis[J].JSAE Review, 1987(12): 1376-1381.

[7] Currle J. Numerical simulation of the flow in a passenger compartment and evaluation of the thermal comfort of the occupants[J]. SAE Trans, 1997, 106(1): 806-816.

[8] Lin C H, Han T, Koromilas C A. Effects of HVAC design parameters on passenger thermal comfort[J]. SAE Trans, 1992,101(55): 209-231.

[9] Fujita A, Kanemaru J, Nakagawa H, et al. Numerical simulation method to predict the thermal environment inside a car cabin[J].JSAE Review, 2001, 22(1): 39-47.

[10] 靳誼勇, 郁永章. 鐵路空調(diào)客車車內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬[J].制冷學(xué)報, 2002, 33(2): 30-34.JIN Yi-yong, YU Yong-zhang. Numerical simulation on airflow organizing inside the railway air-conditioning passenger car[J].Journal of Refrigeration, 2002, 33(2): 30-34.

[11] 連之偉, 張桂榮, 葉曉江. 鐵路空調(diào)客車氣流組織評價[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2004, 38(6): 961-966.LIAN Zhi-wei, ZHANG Gui-rong, YE Xiao-jiang. Evaluation of air distribution in an air conditioned railway carriage[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2004, 38(6): 961-966.

[12] 楊培志, 顧小松, 傅俊萍. YW25G型空調(diào)硬臥列車車廂內(nèi)氣流數(shù)值計算[J]. 中南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2005, 36(5):888-891.YANG Pei-zhi, GU Xiao-song, FU Jun-ping. Numerical simulation of air distribution in YW25G train compartment[J].Journal of Central South University: Science and Technology,2005, 36(5): 888-891.

[13] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2001:430-447.TAO Wen-quan. Numerical heat transfer[M]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press, 2001: 430-447.

[14] 卞伯繪. 輻射換熱的分析與計算[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,1988: 79-88.BIAN Bo-hui. Analysis and simulation of radiation and heat transfer[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1988: 79-88.

[15] 陳煥新, 楊培志, 張登春. 列車車廂中CO2濃度控制系統(tǒng)仿真[J]. 湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報, 2002, 23(1): 132-136.CHEN Huan-xin, YANG Pei-zhi, ZHANG Deng-chun.Emulation about the control system of CO2concentration in train compartment[J]. Journal of Xiangtan Mining Institute, 2002,23(1):132-136.