基于計算流體動力學的地鐵車廂氣流性能評價分析

宣守旺 曹從詠 周 鵬

（南京理工大學自動化學院，210094，南京∥第一作者，碩士研究生）

乘客對地鐵空調舒適性的要求越來越高。相關研究表明，良好的氣流組織對車廂內熱環(huán)境的舒適性有重要影響。近年來，計算流體動力學（CFD）越來越多地應用于列車車廂內氣流性能評價分析［1-5］，對于改善車廂熱舒適性、提高服務水平具有重要意義。本文以南京地鐵2號線某型列車為研究對象，運用Fluent軟件模擬了夏季地鐵車廂不同送風工況下的空氣流場，并根據模擬結果進行氣流性能評價分析，得出最優(yōu)工況。

1 地鐵車廂內氣流性能評價方法

評價地鐵車廂氣流性能時，需考慮車廂內溫度與速度分布均勻性程度，氣流溫度與速度綜合作用下的人體熱舒適程度，以及氣流組織的能量利用效率。通過地鐵車廂氣流性能評價指標來評判氣流組織的好壞［6］。

1.1 均勻性指標

不均勻系數為均勻性指標，反映氣流組織的性能，反映溫度場與速度場分布的均勻性。不均勻系數可分為溫度不均勻系數Kt與氣流速度（風速）不均勻系數Ku。

在工作區(qū)取n個測點，測得測點i的溫度ti與氣流速度值ui，并分別計算各測點的溫度算術平均值ti及氣流速度算術平均值u，則有：

由此得到，車廂內空氣溫度的均方根偏差σt與氣流速度的均方根偏差σu為：

則有：

1.2 空氣分布特性指標

空氣分布特性指標（IADP）為工作區(qū)內有效溫度差在-1.7～1.1℃范圍內的測點數占測點總數的百分比。IADP將空氣溫度、氣流速度與人的舒適感三者聯系起來，若IADP=100%，表示全室內的人員都感到舒適；當IADP＞80%時，則認為氣流組織效果滿意；當IADP≤ 80%時，則認為有人感到不舒服，可能存在吹風感。其計算公式為：

其中，θ——有效溫度差，反映溫度與速度綜合作用的指標，且

θ=（tx-tr）-M（ux-ur）（5）

式中：

tx——測點x的空氣溫度；

ux——測點x的氣流速度；

tr——給定的室內溫度，取27℃；

ur——停滯區(qū)氣流速度，取0.15 m/s；

M——單位氣流速度效應相當的溫度值，一般為 7.66 ℃/（m/s）。

1.3 能量利用系數

能量利用系數η可用來評價氣流組織的能量利用有效性，η越高表明能量利用越充分。計算式為：

式中：

tp——排風溫度；

tn——工作區(qū)平均溫度；

t0——送風溫度。

2 地鐵車廂流場模擬計算與方法

本文運用Fluent軟件對車廂空氣流場進行數值模擬，采用基于壓力隱式穩(wěn)態(tài)求解器，選取k-ε標準湍流模型模擬空氣三維湍流流動。

2.1 物理模型

以南京地鐵2號線某型列車一節(jié)車廂為樣本，建立車廂物理模型。X方向為車長方向，Y方向為車寬方向，Z方向為車高方向。車廂長24.50 m，寬2.80 m，以地板為基準的頂板高度為2.12 m。車廂內有58個座椅，頂板上設有送風口和回風口，側墻上設有排風口、車門和車窗。為模擬地鐵車廂滿載工況下的空氣流動，在車廂內添加簡化的乘客模型。乘客定員292人，有站立姿勢和坐態(tài)。其中，站立乘客234人，坐態(tài)乘客58人，站立乘客平均身高為1.70 m，坐態(tài)乘客平均身高為1.26 m。物理模型如圖1所示。送風口、回風口、排風口的尺寸、數量和位置見表1。

圖1 地鐵列車車廂物理模型

表1 各風口設置參數表

2個空調機組產生的冷風通過送風道從車廂頂板的送風口送入車廂內.冷熱空氣經過持續(xù)的熱濕交換進行溫度調節(jié)，一部分混合空氣通過頂板上的回風口返回空調機組，重新制冷后再循環(huán)利用，另一部分混合空氣通過設置在座椅下方的排風口排向外界。為了向車廂內補充新鮮空氣，空調機組正常工作時不斷吸入外界新風，相應的氣流組織示意圖如圖2所示。

圖2 列車空調通風系統(tǒng)氣流組織示意圖

2.2 網格劃分

本文研究的計算域是車廂內除去座椅和乘客所占空間的其他所有空氣流動區(qū)域。使用ICEM CFD網格劃分軟件生成非結構網格，即四面體網格和近壁面處的邊界層三棱柱網格。在風口等部位采用較小尺寸的網格單元，在乘客區(qū)域采用較大尺寸的網格單元，以實現較好的疏密過渡。四面體網格數量為3 035 850，三棱柱網格數量為588 840，網格節(jié)點數量為892 827。

2.3 初始條件與邊界條件

GB 50157—2003《地鐵設計規(guī)范》（文獻［7］）中規(guī)定：“夏季單節(jié)地鐵列車的單個空調機組的送風量不少于4 000 m3/h，且新風量須滿足每人12.6 m3/h的要求?！北疚目紤]了6種送風工況（如表2所示），其中送風角度即送風風向與豎直方向的夾角。

表2 送風工況參數表

邊界條件設置如下：

（1）送風口邊界條件：送風溫度為18℃（291 K），送風速度根據各工況的送風量及送風角度，以及送風口尺寸計算可得。

（2）回風口邊界條件：工況一、二、三的回風量為5 900 m3/h，回風速度為2.134 m/s；工況四、五、六的回風量為7 900 m3/h，回風速度為2.857 m/s。方向均為Z軸正向。

（3）排風口邊界條件：自由出流邊界。

（4）車體壁面邊界條件：壁面處默認為無滑移；車體側墻、車窗和車門采取第三類邊界條件，傳熱系數分別為 2.5 W/（m2·K）、3.1 W/（m2·K）、4.6 W/（m2·K）；外界空氣溫度為 35 ℃（308 K），車廂兩端、車頂、車底和座椅視為絕熱壁面。

（5）室內熱源邊界條件：將乘客人體散熱簡化為室內熱源項，設為第一類邊界條件，其溫度為36℃（309 K）。

3 模擬結果及氣流性能評價分析

3.1 監(jiān)測斷面與監(jiān)測點的選取

在車輛長度方向（X軸）選取有代表性的斷面，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測斷面位置示意圖

在每個斷面內選取20個監(jiān)測點，距車內地板的高度分別為0.1 m、0.5 m、1.2 m和1.7 m，即對應于乘客的腳部、膝部、坐下和站立時的頭部等位置，如圖4所示。

圖4 各監(jiān)測斷面內監(jiān)測點位置示意圖

由于乘客模型不是均勻對齊擺放的，因此斷面中的人形出現缺頭或缺腿的情況是正常的。

3.2 模擬結果分析

運用Fluent軟件分別對6種送風工況的空氣流場進行數值計算，計算完畢后讀取并統(tǒng)計60個測點的溫度與氣流速度值。

根據GB/T 12817—1991《鐵道客車通用技術條件》及國際鐵路聯合會標準《UIC 553客車通風采暖和空調》等資料，夏季車廂內空氣的適宜溫度范圍為24～28℃（297～301 K），適宜微風速范圍為0.07～0.35 m/s。在上述范圍內，溫度越低、風速越大，乘客熱舒適性越好。但站立乘客頭部位置風速若超過0.7 m/s，則乘客會有強烈的吹風感。

經過統(tǒng)計，在60個測點中，各工況滿足適宜溫度、適宜微風速的測點個數如表3所示，并且所有工況均不存在風速超過0.7 m/s的測點。

由表3可以看出，工況三的適宜溫度測點最多，工況六的適宜微風速測點個數最多。

表3 各工況滿足適宜溫度、微風速范圍的測點個數

統(tǒng)計位于同一高度測點的溫度及速度值得到平 均溫度及平均風速情況分別如表4及表5所示。

表4 各工況4個高度的平均溫度

表5 各工況4個高度的平均風速

由表4及表5可以發(fā)現，各種工況下，隨著測點高度從高到低變化，相應的平均溫度遞增變化，平均風速遞減變化。

根據適宜溫度范圍與適宜微風速范圍可以發(fā)現，工況六有2個高度的溫度最佳，1個高度的風速最佳，在各工況中表現最好。需要指出的是，雖然所有工況在站立乘客頭部高度的空氣平均溫度均低于適宜溫度的最低值297 K，但工況三和工況六較其他工況更接近適宜溫度。這是由于工況三、六的送風角度較大，對站立乘客頭部高度的影響較小。而工況四、五、六在這一高度的平均風速均略高于適宜微風速的最大值0.35 m/s，這是由于工況四、五、六送風量較大。此外，所有工況在乘客腳部高度的平均風速均低于適宜微風速的最小值0.07 m/s，說明這一高度的空氣流通性比較差。

3.3 車廂氣流性能評價分析

由于車廂氣流性能受很多因素影響，本文選取了空氣分布特性指標IAPP、能量利用系數、溫度不均勻系數Kt與風速不均勻系數Ku作為評價指標，各工況指標比較見表6。

表6 各工況氣流性能指標比較

由IAPP數據可以看出，所有工況的空氣分布特性指標都比較低，位于30%～40%范圍內，明顯低于80%。表4及表5表明車廂內從高到低的溫度及風速波動較大，其中站立乘客頭部高度的溫度偏低、風速偏大，乘客腳部高度的風速極小。這是致使IAPP值較低的重要原因。造成這一現象的根本原因是地鐵車廂自身的結構限制以及車室內人員密度大。

由上述數據可以看出，只有工況六的能量利用系數大于1。這說明工況六的系統(tǒng)經濟性最好，其能量得到了充分利用。

由Kt可以看出，工況六的Kt值最小，溫度分布最均勻。通過對比可以發(fā)現：提高送風量可較明顯地降低Kt值；而增大送風角度也可明顯降低Kt值，并且送風角度從45°增至60°時的Kt值降幅比從30°增至45°時的Kt值降幅大。

由Ku可以看出，工況二的Ku值最小，風速分布最均勻。通過對比可以發(fā)現，提高送風量使Ku值明顯升高，而改變送風角度對于Ku值的影響很小。

通過以上對6種不同送風工況下車廂溫度、風速及氣流性能指標對比分析可以看出：不同工況各有優(yōu)勢，最優(yōu)工況的各項指標并非都是最好的。由綜合對比可見，工況六（送風量為12 000 m3/h，送風角度為60°）是最理想的。

4 結語

本文采用Fluent軟件模擬分析了不同送風工況（送風量和送風角度）對車廂內溫度、速度及氣流性能的影響。模擬結果表明，在6種工況中，送風量12 000 m3/h、送風角度60°的送風工況是最優(yōu)工況，其氣流性能較其他工況更好?；贑FD的流場模擬可作為一種有效手段應用于地鐵車廂通風系統(tǒng)的設計與優(yōu)化中，從而有效提高地鐵車廂的熱舒適性與節(jié)能性。

［1］ 劉佳，張利明.地鐵車廂條縫送風方式數值模擬［J］.制冷與空調，2010，10（4）：72.

［2］ 林松.B型地鐵送風口特性研究及優(yōu)化［D］.青島：青島理工大學，2012.

［3］ 王斌.地鐵車空調通風系統(tǒng)及車廂內流場數值模擬［D］.大連：大連交通大學，2012.

［4］ 黃文杰.地鐵車廂空調氣流組織仿真及優(yōu)化［J］.建筑熱能通風空調，2009，28（6）：88.

［5］ 王志全.空調硬座客車車廂內部熱舒適性研究［D］.蘭州：蘭州交通大學，2012.

［6］ 孫寶紅.地鐵車廂圍護結構隔熱性能與車室內氣流組織的模擬計算［D］.長沙：中南大學，2013.

［7］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.地鐵設計規(guī)范：GB 50157—2013［S］.北京：中國計劃出版社，2013.