A型地鐵空調(diào)系統(tǒng)及客室內(nèi)流場數(shù)值分析

王東屏+張澤云+韓璐+李良杰

摘要： 為給目前國內(nèi)A型地鐵車輛的舒適度設(shè)計(jì)提供理論參考，針對(duì)地鐵車輛靜壓風(fēng)道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于kε兩方程湍流模型和SIMPLE算法，建立包含空調(diào)送風(fēng)風(fēng)道和客室的三維計(jì)算模型.對(duì)計(jì)算模型的空氣流動(dòng)和傳熱狀況進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算.計(jì)算過程綜合考慮車體壁面?zhèn)鳠岷腿梭w散熱等多種傳熱.分析計(jì)算結(jié)果得到客室內(nèi)溫度場和速度場的分布規(guī)律，并對(duì)空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行量化評(píng)估.計(jì)算結(jié)果表明：客室內(nèi)人體頭部區(qū)域溫度場分布均勻，平均溫度為26.6 ℃，最大溫差為 6℃；車廂內(nèi)有較理想的氣流組織形式，速度分布范圍為0.50～0.79 m/s，而且客室端部和中部區(qū)域人體頭部周圍速度較大.將計(jì)算結(jié)果與歐洲EN 147501標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為乘客的舒適性較好.

關(guān)鍵詞： A型地鐵； 客室； 流場； 靜壓風(fēng)道； 壁面?zhèn)鳠幔?溫度場； 速度場； 舒適度； 數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)： U270.38；TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)是軌道交通裝備的重要輔助系統(tǒng)之一，其性能直接影響車內(nèi)空氣質(zhì)量、環(huán)境舒適度和乘客健康.因此，對(duì)地鐵車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)性能和客室內(nèi)空氣質(zhì)量及氣流組織形式的研究極為重要.[1]

隨著我國軌道交通裝備的迅速發(fā)展，國內(nèi)各相關(guān)單位已對(duì)地鐵車內(nèi)流場進(jìn)行很多深入研究.龔繼如[2]通過對(duì)國內(nèi)某A型地鐵列車空調(diào)風(fēng)道內(nèi)氣流組織仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證仿真方法的可靠性；周生存等[3]研究A型地鐵車靜壓腔式風(fēng)道有效氣流分配問題，并對(duì)主風(fēng)道送風(fēng)均勻性和客室內(nèi)的氣流分布進(jìn)行模擬；臧運(yùn)蕾等[4]利用FLUENT對(duì)北京地鐵空調(diào)客車客室內(nèi)的溫度場和流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到滿足人體舒適性要求的送風(fēng)工況；陳江平等[5]將空調(diào)送風(fēng)風(fēng)道納入車室計(jì)算區(qū)域，對(duì)客室內(nèi)流場和溫度場的分布進(jìn)行數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究.吳俊云等[5]對(duì)空調(diào)客車廂體結(jié)構(gòu)傳熱進(jìn)行數(shù)值分析，認(rèn)為車身的骨架結(jié)構(gòu)引起的熱橋傳熱對(duì)車室內(nèi)的空調(diào)負(fù)荷影響不能忽略.

目前，國內(nèi)各科研單位對(duì)地鐵列車車內(nèi)流場的研究已經(jīng)取得具有實(shí)際意義的成果.隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，現(xiàn)有的研究成果已不能滿足當(dāng)前地鐵列車的發(fā)展需求.為給地鐵列車的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，本文總結(jié)現(xiàn)有的研究方法，參照文獻(xiàn)[5]的研究，將地鐵車空調(diào)送風(fēng)風(fēng)道納入客室計(jì)算區(qū)域，并將空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)和客室作為整體研究對(duì)象.由于車體各壁面的熱橋傳熱、車窗熱流和乘客散熱等對(duì)客室內(nèi)熱環(huán)境有很大影響，所以基于文獻(xiàn)[6]的研究，將其加入仿真計(jì)算.

1模型概述

某A型地鐵車輛平面圖見圖1.整個(gè)模型通風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)道和客室車廂2部分組成，其中風(fēng)道包括4個(gè)均布器、5組大風(fēng)道和4組空調(diào)機(jī)組底部的小風(fēng)道.大風(fēng)道與小風(fēng)道的區(qū)別在于風(fēng)道橫截面積不同，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和通風(fēng)原理相同.以2號(hào)風(fēng)道為例，簡述A型地鐵車靜壓風(fēng)道結(jié)構(gòu)和風(fēng)道送風(fēng)原理.靜壓風(fēng)道由主風(fēng)道、靜壓風(fēng)道和擾流板組成.主風(fēng)道與靜壓風(fēng)道之間的擋板開有圓孔，作為空氣流通孔.2號(hào)風(fēng)道三維實(shí)體模型見圖2.

1，2，3—小風(fēng)道； 4，5—大風(fēng)道； 6—空調(diào)機(jī)組； 7—均布器； 8—客室

圖 1某A型地鐵車輛平面圖

Fig.1Planar graph of typeA subway vehicle

圖 22號(hào)風(fēng)道三維實(shí)體模型

Fig.23D solid model of No.2 air duct

由伯努利定理可知，當(dāng)流體處于同一水平面上流動(dòng)時(shí)，若截面2比截面1大很多，則截面2處的流速就遠(yuǎn)小于截面1處的流速，截面2處的靜壓也就大很多，這就是靜壓箱的原理.[3]靜壓箱的作用是將送風(fēng)動(dòng)壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓， 從而起到穩(wěn)定氣流和減少氣流振動(dòng)的作用.空調(diào)機(jī)組的風(fēng)機(jī)將空氣經(jīng)分布器分流后直接送入主風(fēng)道；在主風(fēng)道內(nèi)，空氣通過擋板圓孔進(jìn)入靜壓風(fēng)道，靜壓風(fēng)道內(nèi)的空氣在靜壓箱內(nèi)靜壓的作用下經(jīng)送風(fēng)格柵射出，從而達(dá)到均勻送風(fēng)的目的.2號(hào)風(fēng)道截面結(jié)構(gòu)及氣流組織形式見圖3.

圖 32號(hào)風(fēng)道截面結(jié)構(gòu)及氣流組織形式

Fig.3Sectional structure and airflow form of No.2 air duct

2模型建立

2.1三維幾何模型

為簡化計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行簡化處理.空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)僅考慮分布器、靜壓風(fēng)道和送風(fēng)格柵，客室模型只創(chuàng)建影響空氣流動(dòng)的250名乘客人體模型，忽略座椅等次要因素.建模過程中，在側(cè)墻上劃分門、窗等區(qū)域，以便定義邊界條件.為減小計(jì)算量，只對(duì)單邊風(fēng)道、客室和人體模型建立三維幾何模型，見圖4.

圖 4定員滿載（250人）三維計(jì)算模型

Fig.43D calculation model under full load（250 people）

2.2網(wǎng)格劃分

對(duì)A型地鐵車風(fēng)道、客室和乘客的三維幾何模型進(jìn)行CFD網(wǎng)格劃分.為適應(yīng)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格.一般而言，網(wǎng)格尺寸太小，網(wǎng)格數(shù)目過多，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量巨大或計(jì)算機(jī)性能不足；網(wǎng)格尺寸太大，雖網(wǎng)格數(shù)目減少，但會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量降低，得不到理想的收斂結(jié)果.本文所計(jì)算的三維模型計(jì)算區(qū)域較大，風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，送風(fēng)格柵幾何尺寸相對(duì)較小，車廂內(nèi)部人員分布密集，因此采用分塊劃分網(wǎng)格的方法對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行加密處理：送風(fēng)格柵采用尺寸較小的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；客室空間較大，采用網(wǎng)格尺寸較大的四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格.由網(wǎng)格尺寸較小區(qū)域向網(wǎng)格尺寸過大區(qū)域過渡時(shí)，應(yīng)考慮相鄰區(qū)域之間網(wǎng)格尺寸的變化梯度.較小的網(wǎng)格尺寸變化梯度，可以減小計(jì)算量并加快收斂速度.計(jì)算模型網(wǎng)格由Gambit軟件生成，網(wǎng)格單元數(shù)為980萬個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量良好.

2.3計(jì)算工況

在定員250人滿載工況下，客室人員中部排布密集，兩端稀疏，見圖4.空調(diào)機(jī)組總供風(fēng)量為10 000 m3/h，新風(fēng)量為3 200 m3/h.冷風(fēng)溫度為18 ℃，外界環(huán)境溫度為32.5 ℃ ，車內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為27 ℃，人體表面輻射溫度為36 ℃.車體各部位表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)見表1.

表 1車體各部位表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

Tab.1Surface heat transfer coefficients of parts of car bodyW/（m2·K）表面部位傳熱系數(shù)車頂1.59車窗3.48車門4.37表面部位傳熱系數(shù)側(cè)墻1.85地板1.02端墻3.30計(jì)算過程綜合考慮車體壁面?zhèn)鳠岷腿梭w散熱等多個(gè)傳熱階段.被車體圍護(hù)外表面吸收的熱量經(jīng)過以下3個(gè)階段傳遞到客室內(nèi)部空氣.[7]

第一階段：外界空氣熱量以對(duì)流換熱形式傳到車體圍護(hù)外壁面.Q=αHFTH-T1（1）式中：Q為單位面積壁面熱交換熱量，J；F為車體壁面表面積，m2；αH為車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)流換熱系數(shù)；T1為車體隔熱層車外表面溫度，℃；TH為隔熱壁外側(cè)環(huán)境溫度，即車體環(huán)境溫度，取32.5 ℃.

第二階段：車體圍護(hù)外壁總熱量以導(dǎo)熱形式傳到車頂內(nèi)壁面.Q=R-1FT1-T2（2）式中：R為車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻，可計(jì)算得到；T2為車體隔熱層車內(nèi)表面溫度，℃.

第三階段：車頂內(nèi)壁面所得總熱量以對(duì)流換熱的形式傳到客室內(nèi)空氣.Q=αNF（T2-TB）（3）式中：αN為車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)，取5 W/（m3·K）；TB為隔熱壁內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度，即車體設(shè)計(jì)溫度，取27 ℃.

整理式（1）～（3）得

T2=（αN+αH+αNαHR）-1×αHTH+

αNT2+αNαHRTB（4）

αH與列車運(yùn)行速度密切相關(guān)，αH=9+3.5×v0.66（5）當(dāng)?shù)罔F車以v=100 km/h速度運(yùn)行時(shí)，計(jì)算得αH=41.5.車體圍護(hù)表面熱阻R=K-1-α-1H-α-1N（6）式中：K為車體圍護(hù)綜合傳熱系數(shù)，W/（m3·K）.

計(jì)算得到車體圍護(hù)內(nèi)壁接觸的空氣溫度T2，見表2.

表 2車體表面溫度

Tab.2Temperature of car body surfaces℃位置T2車頂28.75車窗30.87車門32.2位置T2側(cè)墻29.2地板28.11端墻30.63

2.4算法原理和必要假設(shè)

風(fēng)道和滿載客室內(nèi)的空氣流動(dòng)十分復(fù)雜，易形成大量渦流，須按照湍流流動(dòng)處理.將整個(gè)計(jì)算模型空氣流動(dòng)過程視為穩(wěn)定的、不可壓縮的湍流流動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程.用FLUENT對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行仿真計(jì)算.湍流模型方程采用kε兩方程模型.采用有限體積法中常用的SIMPLE壓力連接方程的半隱式求解離散方程組，在離散方程時(shí)，對(duì)流項(xiàng)采用2階迎風(fēng)格式，黏性項(xiàng)采用2階中心差分格式.[89]

為簡化問題，在使用湍流控制方程時(shí)進(jìn)行如下假設(shè)：

1）室內(nèi)氣流為低速流動(dòng)，可視為不可壓縮流體，滿足理想氣體狀態(tài)方程，且符合 Boussinesq假設(shè)，認(rèn)為空氣密度變化僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響.

2）車室內(nèi)空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流，忽略流動(dòng)時(shí)黏性力做功引起的耗散熱.

3）人體熱源按人體表面積均勻分布，車體封閉性良好，不考慮車室內(nèi)空氣通過車體縫隙與外部流通和換熱.

3計(jì)算結(jié)果分析

為模擬實(shí)際工況，客室內(nèi)乘客分布密度較大，按照EN 147501標(biāo)準(zhǔn)[10]規(guī)定，當(dāng)站立乘客密度大于等于4 人/m2時(shí)，應(yīng)使用B類車評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地鐵車內(nèi)部空氣組織形式舒適性進(jìn)行評(píng)估.[11]分析典型截面溫度場和速度場的分布.水平截面（Ⅰ）距地板高1.1 m，橫截面（Ⅱ）距車廂橫向中心面8.7 m.

3.1客室溫度場分析

根據(jù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)舒適度條件要求，截面Ⅰ空氣溫度和客室垂直段中內(nèi)部空氣溫度范圍不得超過8 ℃.截面Ⅰ溫度分布見圖5，可知，客室內(nèi)各區(qū)域溫度分布情況與空調(diào)靜壓風(fēng)道橫截面積有關(guān).由橫截面積較大的風(fēng)道供風(fēng)的車廂區(qū)域送風(fēng)量較大，溫度偏低.此截面最高溫度達(dá)26.5 ℃；車廂兩端及車廂中部溫度偏低，分布范圍為22.1～24.2 ℃，截面溫差為4.3 ℃.

圖 5截面Ⅰ溫度分布，℃

Fig.5Temperature distribution on sectionⅠ， ℃

由圖6可知，因風(fēng)道出口冷風(fēng)下落區(qū)域在兩人體中間，因此冷風(fēng)下落趨勢(shì)較為順暢.在車廂中部，人體阻擋冷風(fēng)擴(kuò)散，人體頭部溫度偏高，約為26.4 ℃，下肢溫度為25.8 ℃.冷風(fēng)流經(jīng)區(qū)域溫度偏低，溫度分布范圍為20.4～23.6 ℃.靠近車廂側(cè)墻人體周圍，因車窗和側(cè)墻傳熱系數(shù)較大，吸收側(cè)墻熱量，溫度偏高.

圖 6截面Ⅱ溫度分布，℃

Fig.6Temperature distribution on section Ⅱ， ℃

總結(jié)2個(gè)典型截面溫度變化可知，車廂內(nèi)部溫度分布均勻，車廂內(nèi)溫差最大為6℃，小于EN 147501標(biāo)準(zhǔn)要求的8℃，滿足設(shè)計(jì)要求.

3.2客室速度場分析

EN 147501標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，B類地鐵車各溫度范圍下舒適風(fēng)速見表3.本文研究A型地鐵客室設(shè)計(jì)溫度為27 ℃，舒適風(fēng)速參考標(biāo)準(zhǔn)不得高于1.4 m/s.

表 3各溫度范圍內(nèi)舒適性風(fēng)速

Tab.3Comfortable air velocity in different temperature range車內(nèi)溫度/

℃舒適風(fēng)速/

（m/s）180.30220.35250.70車內(nèi)溫度/

℃舒適風(fēng)速/

（m/s）281.40302.00≥354.00

截面Ⅰ速度分布見圖7，可知，車廂頂部區(qū)域風(fēng)速與風(fēng)道橫截面積有關(guān)，車廂中部和車廂兩端因送風(fēng)量較大，人體周圍風(fēng)速為0.49～0.79 m/s.

圖 7截面Ⅰ速度分布，m/s

Fig.7Velocity distribution on section Ⅰ， m/s