地鐵車空調(diào)風(fēng)道及車室內(nèi)氣流組織數(shù)值仿真

于淼，王東屏，襲望，黃少東

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.中國北車集團(tuán) 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035)*

0 引言

近年來，為了緩解交通出行的壓力，我國各大城市大力發(fā)展地鐵的建設(shè).隨著我國城軌空調(diào)列車應(yīng)用的迅速發(fā)展，人們對(duì)空調(diào)客車客室內(nèi)的舒適狀況和空氣品質(zhì)的要求越來越高.對(duì)于以乘客為服務(wù)對(duì)象的地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)，僅僅提供滿足負(fù)荷要求的制冷量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠地，車內(nèi)的舒適性問題也越來越得到更多人的關(guān)注［1］.風(fēng)道送風(fēng)的均勻性是否均勻、客室內(nèi)溫度場分布是否均勻穩(wěn)定、風(fēng)速大小控制是否合理都與地鐵車內(nèi)乘客乘坐舒適性息息相關(guān).在車廂內(nèi)的空氣溫度分布合理和風(fēng)速符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下，還需要考慮溫度場和速度場分布的均勻性，否則，不但會(huì)影響乘客乘坐舒適性，而且會(huì)造成能源的浪費(fèi)［2］.目前國內(nèi)有關(guān)地鐵車廂內(nèi)氣流組織研究方面的文章較少，由于地鐵車輛受限界的影響，實(shí)現(xiàn)風(fēng)道均勻送風(fēng)，還需要深入研究［3］.針對(duì)地鐵空調(diào)的運(yùn)行特點(diǎn)，本文主要對(duì)風(fēng)道的速度場以及車廂內(nèi)的速度場和溫度場進(jìn)行了模擬分析.對(duì)改進(jìn)和優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計(jì)，提高地鐵車內(nèi)環(huán)境的熱舒適性有著重要的應(yīng)用參考價(jià)值.

本文首先用ProE軟件建立頭車風(fēng)道和車體的三維模型，然后利用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格以適應(yīng)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，最后在FLUENT軟件中完成模擬計(jì)算.采用有限體積法中常用的SIMPLE算法對(duì)離散方程進(jìn)行求解，離散方程時(shí)，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，粘性項(xiàng)采用二階中心差分格式.

1 數(shù)學(xué)模型

研究風(fēng)道和車廂內(nèi)流場的空氣動(dòng)力特性，其實(shí)質(zhì)是研究流體流動(dòng)問題.而流體運(yùn)動(dòng)是最復(fù)雜的物理行為之一，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)力分析等問題相比，其建模與數(shù)值模擬要困難得多.風(fēng)道及車廂內(nèi)流場的空氣流動(dòng)是三維、定常、不可壓縮流動(dòng).根據(jù)流場特點(diǎn)，描述空氣流動(dòng)的控制方程包括連續(xù)性方程、Reynolds時(shí)均 Navier-Stokes方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes，簡稱 RANS)以及湍流模型方程［4-5］.

對(duì)大多數(shù)工程問題，無法獲得精確解析解，只能用CFD數(shù)值模擬的方法求解.計(jì)算湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，還需要附加湍流方程，本計(jì)算采用了有適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)和合理的精度，且工程流場計(jì)算中常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型為主要計(jì)算工具.采用k-ε雙方程模型對(duì)空調(diào)領(lǐng)域多種流型的計(jì)算結(jié)果顯示，該模型優(yōu)于其他模型.

2 風(fēng)道和車體的計(jì)算模型

2.1 風(fēng)道的組成和工作原理

車廂頂部有兩臺(tái)空調(diào)機(jī)組，空調(diào)機(jī)組分別分布在左右兩側(cè)，空氣先通過導(dǎo)流板進(jìn)行分流，分別向地鐵風(fēng)道的兩側(cè)流動(dòng)，其中風(fēng)道中的空氣由于孔板的阻擋，速度逐漸降低，使空氣向靜壓腔中流動(dòng)，通過間隙風(fēng)由主風(fēng)道傳送到靜壓風(fēng)道，最后經(jīng)靜壓腔底部的條縫式送風(fēng)口，把風(fēng)送入地鐵車廂內(nèi)，兩條風(fēng)道匯合后向司機(jī)室送風(fēng).模型包括4個(gè)供風(fēng)入口，121個(gè)風(fēng)道出風(fēng)口，風(fēng)道內(nèi)部共有40個(gè)孔板.風(fēng)道每側(cè)有兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口，60個(gè)出風(fēng)口，風(fēng)道前端有一個(gè)風(fēng)道出風(fēng)口通往司機(jī)室.靜壓風(fēng)道截面結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 靜壓式送風(fēng)風(fēng)道斷面三維模型

2.2 車體的構(gòu)成和計(jì)算模型

地鐵TC車(頭車)車體及乘客計(jì)算模型，車廂內(nèi)定員226人，如圖2所示.主風(fēng)道沿車頂中部設(shè)置，兩個(gè)空調(diào)機(jī)組通過車頂?shù)臈l縫向車廂內(nèi)送風(fēng)，車廂內(nèi)的廢排口在座椅下部，通過側(cè)墻型腔進(jìn)行排氣，廢排經(jīng)廢排管道送往車頂由廢排煙囪排出，通往大氣的廢排煙囪位置不設(shè)風(fēng)機(jī)裝置，完全靠大氣壓力進(jìn)行排風(fēng).

圖2 滿載時(shí)地鐵頭車車體及乘客計(jì)算模型

如圖3所示，地鐵頭車的排風(fēng)方式為上送上回下排.送風(fēng)口、回風(fēng)口和排風(fēng)口的位置設(shè)置都會(huì)影響到地鐵車室內(nèi)氣流組織其中包括車內(nèi)溫度場分布和速度場的分布等.

圖3 地鐵頭車車廂內(nèi)的送風(fēng)和排風(fēng)方式

2.3 參數(shù)設(shè)置

對(duì)地鐵車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，簡化處理了地鐵頭車計(jì)算模型，僅考慮地鐵車廂內(nèi)空氣流通主要空間、座椅及人對(duì)氣流的影響，并假設(shè)人員不走動(dòng).因此，邊界設(shè)置為固定客室內(nèi)壁面、坐椅表面及人員表面為壁面參數(shù)，送風(fēng)口作為計(jì)算進(jìn)風(fēng)邊界條件，回風(fēng)口和廢排風(fēng)口為計(jì)算出風(fēng)邊界條件，給定車廂內(nèi)的送風(fēng)量和司機(jī)室內(nèi)的送風(fēng)量，忽略車廂空氣泄漏.設(shè)置的參數(shù)為車輛運(yùn)行狀態(tài)下的車內(nèi)溫度場和流速場分布的初始條件.具體參數(shù)如下:車廂外溫度取為35℃，冷風(fēng)入口溫度取為18℃，廢排出口設(shè)置為壓力出口，工廠提供的車體傳熱系數(shù)為2.4 W/m2K，車窗傳熱系數(shù)為3.1 W/m2K，車門傳熱系為數(shù)4.6 W/m2K，按整車車廂內(nèi)滿員226人計(jì)算，送風(fēng)口使用導(dǎo)風(fēng)格柵進(jìn)行散流.

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 風(fēng)道的壓力和速度分布

由于地鐵頭車的風(fēng)道顯對(duì)稱式，為簡化計(jì)算，取半個(gè)風(fēng)道為研究對(duì)象，除司機(jī)室以外的60個(gè)風(fēng)道出風(fēng)口速度分布如圖4所示.

圖4 地鐵頭車風(fēng)道的60個(gè)出風(fēng)口的速度分布

由于有回風(fēng)口的存在，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)往回風(fēng)口抽吸的氣流組織活動(dòng)形式，位于空調(diào)機(jī)組下方的八個(gè)風(fēng)道出風(fēng)口有回流產(chǎn)生.由計(jì)算結(jié)果可知，空調(diào)機(jī)組下方的出風(fēng)口10～13與出風(fēng)口46～49平均速度較小.出風(fēng)口10～出風(fēng)口13的平均風(fēng)速變化為0.06～0.21 m/s，出風(fēng)口 12和13的出風(fēng)速度較小，并且一部分風(fēng)倒流回風(fēng)道.所以目前設(shè)計(jì)方案是在最初方案的基礎(chǔ)上將每個(gè)空調(diào)機(jī)組下方的8個(gè)風(fēng)道出風(fēng)口去掉，風(fēng)道的計(jì)算模型改為4個(gè)供風(fēng)入口，105個(gè)風(fēng)道出風(fēng)口.由圖5可以看出，去掉空調(diào)機(jī)組下8個(gè)出風(fēng)口后，地鐵風(fēng)道的出風(fēng)口均勻性得到了有效地改善.風(fēng)道出風(fēng)口的平均速度最大差值由2.92 m/s變?yōu)?.23 m/s.

圖5 地鐵頭車風(fēng)道的52個(gè)出風(fēng)口的速度分布

從模擬結(jié)果可以看出，風(fēng)道中的空氣由于孔板的阻擋，速度逐漸降低，同時(shí)孔板使得空氣向靜壓風(fēng)道中流動(dòng).因此，有出風(fēng)口流入車廂內(nèi)的空氣速度較小，使車內(nèi)的環(huán)境更加舒適.風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口處的壓力較大，空氣流動(dòng)過程中由于孔板的阻擋，使壓力不斷降低.由計(jì)算結(jié)果得到，風(fēng)道內(nèi)最大阻力為122.87 Pa.風(fēng)道進(jìn)口的平均靜壓為 252.67 Pa.總之，在修改風(fēng)道的出風(fēng)口個(gè)數(shù)后，除了靠近空調(diào)裝置的2個(gè)出風(fēng)口平均速度較小外，其余出風(fēng)口的平均風(fēng)速均勻性較好.優(yōu)化送風(fēng)道的出風(fēng)均勻性有助于改善車廂微環(huán)境，保證乘客乘坐的舒適性.

3.2 車廂內(nèi)的溫度和速度分布

考慮到地鐵運(yùn)行的實(shí)際情況，當(dāng)?shù)罔F車內(nèi)乘客不多時(shí)，地鐵車內(nèi)環(huán)境較為舒適，一般能夠滿足舒適性要求，在上下班高峰期時(shí)，當(dāng)?shù)罔F車內(nèi)出現(xiàn)人員滿載或過載時(shí)，容易造成車內(nèi)空氣流通不暢，可能導(dǎo)致乘坐的舒適性下降，所以我們主要對(duì)車內(nèi)滿員的情況下進(jìn)行了數(shù)值模擬分析.通過數(shù)值計(jì)算得到車廂內(nèi)的速度場和溫度場的詳細(xì)信息.

從圖6中看出，車廂的進(jìn)風(fēng)口通過導(dǎo)流格柵進(jìn)入車廂，并且空調(diào)風(fēng)道采用了條縫形送風(fēng)口，其進(jìn)口氣流在車廂內(nèi)形成兩側(cè)擴(kuò)散的氣流分布模式，這樣有效避免了冷氣直接吹向乘客頭部.在車廂上方回風(fēng)口位置，速度約為0.5 m/s，在遠(yuǎn)離回風(fēng)口的其他位置，速度較小，車廂內(nèi)速度范圍為0.1 ～0.2 m/s.車廂內(nèi)的速度為 0.1 m/s左右，廢排風(fēng)道中的速度約為1.2 m/s左右.由于車廂內(nèi)的廢排口位于座椅的下方，其速度約為1.6 m/s，對(duì)車內(nèi)氣流組織有一個(gè)向下導(dǎo)流的作用，加強(qiáng)了車廂下半部分空氣的流通.地鐵頭車上送上回下排的排風(fēng)方式，有效地改善了車廂內(nèi)的環(huán)境溫度和空氣品質(zhì).

圖6 車廂廢排通道橫斷面的速度矢量分布

總體而言，車廂內(nèi)風(fēng)速較低，速度范圍為0.05～0.5 m/s，車廂內(nèi)乘客環(huán)境較舒適，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN14750-1(在28℃時(shí)最大氣流速度＜1.4 m/s).靠近車體壁處由于有外界溫度的影響溫度較高，外界溫度對(duì)車廂內(nèi)的溫度有一定的影響.如圖7所示，車廂內(nèi)冷風(fēng)入口的溫度為18℃，人體頭頂溫度約為19～20℃.由于車廂內(nèi)滿員時(shí)，人的密度較大，人員對(duì)冷風(fēng)的流動(dòng)起阻礙作用，所以冷風(fēng)很難往下流動(dòng)，人體下方周圍溫度較高，約為25℃，司機(jī)室內(nèi)比客室上部溫度略高，溫度范圍大致在21～23℃，人體周圍溫度大多分布在19～25℃.由模擬結(jié)果可知，車室內(nèi)最高溫度25℃，低于設(shè)計(jì)溫度28℃.

圖7 風(fēng)道靜壓腔處橫斷面的溫度分布圖

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)列車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)及車廂內(nèi)流場氣流組織進(jìn)行模擬仿真，形象直觀地對(duì)列車車箱內(nèi)的空氣流場作出分析和評(píng)價(jià)，得出如下結(jié)論:

(1)在回風(fēng)口分布的周圍，位于空調(diào)機(jī)組下方風(fēng)道出風(fēng)口有回流產(chǎn)生，并且機(jī)組送風(fēng)口下方的主風(fēng)道往靜壓風(fēng)道的送風(fēng)量較少，這就直接導(dǎo)致位于此處靜壓風(fēng)道下方的條縫出風(fēng)口出風(fēng)量很少.因此，將空調(diào)機(jī)組下方的八個(gè)風(fēng)道出風(fēng)口去掉，由模擬結(jié)果可以看出，地鐵風(fēng)道的出風(fēng)口均勻性得到了有效地改善.風(fēng)道出風(fēng)口的平均速度最大差值由2.919 m/s變?yōu)?.231 m/s;

(2)擋風(fēng)板明顯增加了空氣流動(dòng)的阻力，穿孔擋風(fēng)板可以使得由導(dǎo)流板分流出來的高速的送風(fēng)在此處得到一定的阻擋，增加一部分的風(fēng)量送入靜壓風(fēng)道內(nèi)，再通過靜壓風(fēng)道底部的條縫送風(fēng)口送入車廂，達(dá)到整條風(fēng)道均勻出風(fēng)的目的.壁面附近溫度較高，但就整體而言，溫度場和速度分布較均勻，說明條縫型送風(fēng)口能夠提供較好的空氣品質(zhì);

(3)由模擬結(jié)果可知，地鐵頭車的上送上回下排的排風(fēng)方式，通過選擇合適的送風(fēng)溫度與送風(fēng)速度的組合，車廂內(nèi)乘客環(huán)境較舒適，是比較合理的氣流組織方式.除了靠近空調(diào)裝置的2個(gè)出風(fēng)口的平均速度較小外，其余出風(fēng)口的平均風(fēng)速均勻性較好.車廂內(nèi)微風(fēng)速為0.05～0.5 m/s，在人體周圍大部分速度≤0.5 m/s，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN14750-1(在28℃時(shí)最大氣流速度＜1.4 m/s).人體頭部上方溫度19～20℃，由于車廂內(nèi)人員密集，空調(diào)冷風(fēng)的向下流動(dòng)困難，所以人體下側(cè)溫度略高，約為25℃，人體周圍溫度在21～25℃.該空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)能使車廂內(nèi)得到比較合理的微風(fēng)速分布，滿足設(shè)計(jì)溫度28℃的要求.

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