C型地鐵列車主風(fēng)道出風(fēng)均勻性研究

王友君， 穆廣友， 李元開， 姜海英

(1. 上海海洋大學(xué) 制冷與空調(diào)系， 上海 201306； 2. 上海阿爾斯通交通設(shè)備有限公司 設(shè)計部， 上海 200245；

3. 上海同濟(jì)工程項目管理咨詢有限公司 項目管理部， 上海 200092；

4. 山東電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 建設(shè)管理中心，山東 濟(jì)南 250001)

C型地鐵列車主風(fēng)道出風(fēng)均勻性研究

王友君1， 穆廣友2， 李元開3， 姜海英4

(1. 上海海洋大學(xué) 制冷與空調(diào)系， 上海 201306； 2. 上海阿爾斯通交通設(shè)備有限公司 設(shè)計部， 上海 200245；

3. 上海同濟(jì)工程項目管理咨詢有限公司 項目管理部， 上海 200092；

4. 山東電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 建設(shè)管理中心，山東 濟(jì)南 250001)

利用數(shù)值模擬方法研究了風(fēng)量不對稱條件下C型地鐵列車主風(fēng)道內(nèi)的空氣流動特性和出風(fēng)均勻性.研究結(jié)果表明：最大風(fēng)量出風(fēng)口位于左、右兩股氣流的碰撞區(qū)，碰撞區(qū)向小送風(fēng)量一端偏移；左、右風(fēng)機(jī)送風(fēng)量差異越大，碰撞區(qū)偏移對稱面的距離越大，風(fēng)道送風(fēng)均勻性越差；大風(fēng)量風(fēng)機(jī)提供的送風(fēng)一般體現(xiàn)為小風(fēng)量風(fēng)機(jī)一端出風(fēng)口的出風(fēng)量增加.

出風(fēng)均勻性； 不對稱送風(fēng)量； 送風(fēng)風(fēng)道； 地鐵列車

地鐵列車的空氣環(huán)境并沒有人們想像的那么潔凈，客室空氣品質(zhì)對乘客健康具有重要的影響[1-4]，而送風(fēng)量和送風(fēng)均勻性是決定客室空氣品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一[5].為了保證送風(fēng)量和送風(fēng)均勻性，每節(jié)地鐵列車往往采用2臺相同型號風(fēng)機(jī)對吹方式進(jìn)行送風(fēng)[6].但是，在實際運(yùn)行中，有時會出現(xiàn)2臺風(fēng)機(jī)性能工況不同或1臺風(fēng)機(jī)故障停機(jī)的情況.這時，不僅地鐵列車客室的左右風(fēng)機(jī)送風(fēng)量(或總送風(fēng)量)發(fā)生變化，而且送風(fēng)均勻性如何變化不得而知.因此，本文采用數(shù)值模擬方法分析風(fēng)量不對稱條件下一種C型車主風(fēng)道的空氣流動特性和送風(fēng)均勻性.

1　試驗與數(shù)值模擬準(zhǔn)備

1.1試驗簡介

本文研究對象是上海一種C型地鐵列車中間客室的主風(fēng)道(除去兩端的短風(fēng)道)，該風(fēng)道既左右對稱，又前后對稱，其前后對稱結(jié)構(gòu)如圖1所示.風(fēng)道長為8278 mm，高為100 mm，頂面寬為1186 mm，底面寬為1216 mm.風(fēng)道兩端風(fēng)機(jī)送風(fēng)口尺寸為762 mm× 284 mm，風(fēng)道出風(fēng)口尺寸為200 mm×100 mm.對稱布置的短斜擾流板(2對)和垂直短擾流板(4個)的尺寸均為313 mm×50 mm，垂直長擾流板(4個)的尺寸為700 mm×30 mm.斜擾流板與前后對稱面的夾角為45°，各擾流板間的距離如圖1所標(biāo)注.

試驗時，風(fēng)道左端風(fēng)機(jī)送風(fēng)量為1951 m3/h，右端風(fēng)機(jī)送風(fēng)量為2313 m3/h.監(jiān)測風(fēng)道各出風(fēng)口風(fēng)量來驗證數(shù)值模型.監(jiān)測風(fēng)量所用儀器為Tsi8357型風(fēng)量罩，風(fēng)量罩位于圖1所示的8個位置：左i、左ii、左iii、左iv和右iv、右iii、右ii、右i.其中，每一位置處風(fēng)量罩測量對應(yīng)的若干個出風(fēng)口(見圖1)的總風(fēng)量.

圖1　送風(fēng)風(fēng)道示意圖Fig.1　Sketch of air supply duct

1.2數(shù)值模擬描述

本文所考察的空氣流動屬于絕熱不可壓流，滿足歐拉守恒方程[7]，如式(1)所示.

(1)

式中：ρ為空氣密度；Φ為通用變量，可代表速度分量、溫度等求解變量；t為時間；u為速度矢量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項.

采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格把圖1所示風(fēng)道劃分為44499個四面體單元.擾流板、隔板孔洞和出風(fēng)口附近流場變化劇烈，所以，其邊界上的網(wǎng)格加密，最小網(wǎng)格點(diǎn)間距為16.67mm，縮小網(wǎng)格間距不再增加求解精度.選擇Fluent軟件中的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型進(jìn)行湍流計算.在滿足工程求解精度前提下，利用一階差分格式的有限體積法將歐拉方程離散成代數(shù)方程，并利用SIMPLE方法耦合壓力場和速度場[7].風(fēng)道對稱面、入風(fēng)口、出風(fēng)口、隔板孔洞和固體壁面分別定義為Symmetry,Velocity-inlet,Pressure-out,Interface,Wall，并假設(shè)進(jìn)風(fēng)湍流強(qiáng)度為10%，壁面光滑.除了試驗工況(左、右端風(fēng)機(jī)送風(fēng)量分別為1951 和2313m3/h)， 本文又模擬了4種風(fēng)機(jī)風(fēng)量配對工況：(1)左、右送風(fēng)量均為2000m3/h，代表列車客室一般的設(shè)計風(fēng)量，且左、右風(fēng)機(jī)性能一致的理想狀態(tài)；(2)左、右送風(fēng)量分別為1500和2000m3/h， 代表左風(fēng)機(jī)送風(fēng)性能降低，總風(fēng)量降低12.5%；(3)左、右送風(fēng)量分別為1500和2500m3/h，代表左風(fēng)機(jī)性能降低而右風(fēng)機(jī)性能提高，總送風(fēng)量不變；(4)左、右送風(fēng)量分別為0和2000m3/h，代表左風(fēng)機(jī)故障停機(jī)，只有右風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，總送風(fēng)量降為50%，仍能滿足列車的最小安全風(fēng)量.

2　數(shù)值模型驗證

為了驗證數(shù)值模型，試驗與模擬得出的風(fēng)道各出風(fēng)口出風(fēng)量數(shù)據(jù)如圖2所示.由圖2可知，模擬數(shù)據(jù)變化趨勢與試驗數(shù)據(jù)大體一致，模擬的平均出風(fēng)量比試驗值約小2%.因此，數(shù)值模型可以用來研究C型地鐵列車送風(fēng)風(fēng)道的空氣流動特性和出風(fēng)均勻性.

圖2　模擬與試驗出風(fēng)量對比Fig.2　Comparison of simulation and test air-out capacity

3　模擬數(shù)據(jù)討論

3.1氣流組織

為了分析左、右風(fēng)機(jī)送風(fēng)量的不對稱性對地鐵列車風(fēng)道送風(fēng)均勻性的影響，在4種風(fēng)量配對條件下鉛直高度為75 mm(z=0.075 m)水平剖面上的速度矢量分布如圖3所示.

(a) 左送風(fēng)量為2000 m3/h，右送風(fēng)量為2000 m3/h

(b) 左送風(fēng)量為1500 m3/h，右送風(fēng)量為2000 m3/h

(c) 左送風(fēng)量為1500 m3/h，右送風(fēng)量為2500 m3/h

(d) 左送風(fēng)量為0 m3/h，右送風(fēng)量為2000 m3/h

對于左、右風(fēng)機(jī)送風(fēng)量相等的情況，由圖3(a)可知，因為風(fēng)道幾何結(jié)構(gòu)和送風(fēng)量均滿足左右對稱，所以氣流組織也體現(xiàn)出很好的左右對稱性.風(fēng)道中諸多擾流板的整體作用，是防止從兩端風(fēng)機(jī)送風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)道的空氣沿風(fēng)道中心直接流向左右對稱面區(qū)域.其中，鉛直寬度較大的擾流板(50 mm)能夠顯著地改變氣流大小和方向，迫使空氣流入兩側(cè)的混合腔；而鉛直寬度較小的擾流板(30 mm)雖然能適當(dāng)降低風(fēng)速大小，但是對風(fēng)速方向的影響則比較弱.需要特別指出的是:風(fēng)道兩端對稱布置的斜擾流板(50 mm) 雖然能夠使氣流向兩側(cè)混合腔流動，但是混合腔兩端的斜隔板和這些斜擾流板的綜合作用卻是通過阻礙擠壓氣流，產(chǎn)生較大流速(4.27～6.40 m/s) 的空氣直接流向風(fēng)道左右對稱面區(qū)域.所以，風(fēng)道兩端(混合腔兩端)附近區(qū)域的風(fēng)速雖然很大，但是流向側(cè)面混合腔的速度分量(y軸速度分量)卻相對很小.然而，風(fēng)道左右對稱面附近的風(fēng)速雖然很小(0.01～ 2.14 m/s),但是因為左右兩股氣流的碰撞，流向兩側(cè)混合腔的速度分量卻相對很大.

對于左、右風(fēng)機(jī)送風(fēng)量不相等的情況，由圖3(b) 和3(c)可知，氣流碰撞區(qū)，即流向兩側(cè)混合腔的速度分量相對很大的區(qū)域，向小送風(fēng)量的一端移動，而且左、右送風(fēng)量差異越大，氣流碰撞區(qū)向小送風(fēng)量一端的偏移量越大.當(dāng)左送風(fēng)量為1500 m3/h和右送風(fēng)量為2000 m3/h時，氣流碰撞區(qū)向左偏移約0.5 m (見圖3(b))；而左送風(fēng)量為1500 m3/h和右送風(fēng)量為2500 m3/h時，向左偏移近1.5 m(見圖3(c)). 至于風(fēng)道一端風(fēng)機(jī)故障停機(jī)的情況，即左送風(fēng)量為0 m3/h 和右送風(fēng)量為2000 m3/h時，右端風(fēng)機(jī)的送風(fēng)一直流到風(fēng)道左端，在受到壁面阻礙后，才會大量地向側(cè)面混合腔流動(見圖3(d)).

3.2出風(fēng)均勻性

為了進(jìn)一步理解風(fēng)道的出風(fēng)均勻性，在4種送風(fēng)量配對工況下風(fēng)道各出風(fēng)口出風(fēng)量如圖4所示.

綜合圖3和4可以看出，左、右風(fēng)機(jī)送風(fēng)量相等時，因為混合腔兩端的斜隔板和斜擾流板的綜合阻礙和擠壓作用，使得氣流直接流向左右對稱面區(qū)域，進(jìn)入混合腔兩端的空氣較少，所以風(fēng)道兩端出風(fēng)口(左1， 2， 3和右1， 2， 3)的出風(fēng)量相對較小，甚至有些出風(fēng)口(左1和右1)出風(fēng)量體現(xiàn)為負(fù)值(-25 m3/h)， 這些出風(fēng)口不僅不能有效地向客室送風(fēng)，還會吸入部分客室污染空氣.因為左、右送風(fēng)氣流在對稱面區(qū)域發(fā)生碰撞后向兩側(cè)混合腔流動，所以對稱面附近出風(fēng)口(左13和右13)的出風(fēng)量最大(121 m3/h). 最大出風(fēng)口風(fēng)量(左13或右13)比平均值高92%，最小出風(fēng)口風(fēng)量(左1或右1)比平均值低92%.總體而言，即使左、右送風(fēng)量相等時，本文所研究風(fēng)道的送風(fēng)均勻性仍然有待進(jìn)一步改善.

圖4　出風(fēng)量隨出風(fēng)口位置的變化Fig.4　Dependence of air-out capacity on outlet position

當(dāng)左、右風(fēng)機(jī)送風(fēng)量不相等時，由圖3和4可知，因為氣流碰撞區(qū)向小送風(fēng)量一端(左端)偏移，所以最大風(fēng)量出風(fēng)口的位置也向小送風(fēng)量一端(左端)偏移.同時，以最大出風(fēng)量的風(fēng)口為界，小送風(fēng)量一端的其他出風(fēng)口的出風(fēng)量均有不同程度的增加，而大送風(fēng)量一端的其他出風(fēng)口的出風(fēng)量均有不同程度的減小.左、右風(fēng)機(jī)送風(fēng)量差異越大，最大風(fēng)量出風(fēng)口的位置向小送風(fēng)量一端的偏移量越大，最大風(fēng)量出風(fēng)口左、右兩端出風(fēng)口出風(fēng)量的差異也越大.在左、右送風(fēng)量極端不對稱情況下，即左端風(fēng)機(jī)停機(jī)時，右端風(fēng)機(jī)的送風(fēng)一直達(dá)到風(fēng)道左端壁面，才會受到壁面阻礙向兩側(cè)混合腔流動，所以最大風(fēng)量出風(fēng)口是風(fēng)道最左端的出風(fēng)口.但是，因為總送風(fēng)量降為設(shè)計風(fēng)量的50%，風(fēng)道內(nèi)平均風(fēng)速降低，靜壓送風(fēng)效果增加，出風(fēng)均勻性略有好轉(zhuǎn).總體而言，左、右風(fēng)機(jī)送風(fēng)量的差異越大，本文所研究這種結(jié)構(gòu)風(fēng)道的出風(fēng)均勻性則越惡化；大風(fēng)量風(fēng)機(jī)提供的送風(fēng)會體現(xiàn)為小風(fēng)量風(fēng)機(jī)一端的一些出風(fēng)口的出風(fēng)量增加.

4　結(jié)　語

本文利用數(shù)值模擬方法分析了4種送風(fēng)量配對工況下C型地鐵列車主風(fēng)道的出風(fēng)特征.模擬結(jié)果表明，即使左、右兩端風(fēng)機(jī)送風(fēng)量相等，各出風(fēng)口風(fēng)量之間的差異仍然較大，最大出風(fēng)量風(fēng)口位于氣流碰撞區(qū).隨著左、右送風(fēng)量之間差異的增加，出風(fēng)均勻性進(jìn)一步惡化，氣流碰撞區(qū)向小送風(fēng)量一端偏移，且大風(fēng)量風(fēng)機(jī)提供的送風(fēng)一般體現(xiàn)為小風(fēng)量風(fēng)機(jī)一端出風(fēng)口的出風(fēng)量增加.這種結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速過大，靜壓送風(fēng)的作用小，可能是導(dǎo)致出風(fēng)不均勻的主要原因.

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Study on Air-Out Uniformity of C Car-Type Metro Vehicle Main Air Duct

WANGYou-jun1,MUGuang-you2,LIYuan-kai3,JIANGHai-ying4

(1. Department of Refrigeration and Air-Conditioning Engineering, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;

2. Department of Design, Shanghai ALSTOM Transport Equipment Co. Ltd., Shanghai 200245, China;

3. Department of Project Management, Shanghai Tongji Project Management and Consulting Co. Ltd.,

Shanghai 200092, China; 4. Construction Management Center, Shandong Electric Power Economic Research Institute,

Jinan 250001, China)

Numerical simulation is carried out to investigate the airflow characteristic and air-out uniformity of C car-type metro vehicle main air supply duct on condition of asymmetrical air supply volumes. The results indicate that the outlets of maximum air-out capacity locate in the collision zone of two portions airflows, and the collision zone shifts to one side of the smaller air supply volume. The larger discrepancy of the two sides air supply volume is, the larger the offset of collision zone, and the worse the air-out uniformity. The air provided by the larger air volume fan will reflect the increasing air-out volumes of outlets located in the side of the smaller air supply volume.

air-out uniformity; asymmetrical air supply volumes; air supply duct; metro vehicle

1671-0444(2015)06-0834-04

2014-07-31

上海海洋大學(xué)博士科研啟動基金資助項目(A-2400-12-0000346)

王友君(1980—)，男，山東濟(jì)寧人，講師，博士，研究方向為交通環(huán)境空氣污染控制. E-mail:wangyoujun@shou.edu.cn

TU 843.3

A