上海地鐵2號線車廂氣流組織分析

郝勝男， 于鳳嬌， 鄭學林

(上海海事大學商船學院，上海 201306)

0 引 言

隨著城市化水平的不斷提高，交通運輸方式一直在向著快捷、方便、經濟和安全的方向發(fā)展[1]。軌道交通作為一種現代化交通工具，由于其運輸量大、速度快、環(huán)境污染小、乘坐方便和安全舒適等特點常被稱為“綠色交通”[2-3]。快節(jié)奏的都市生活使得地鐵成為公共交通最為重要的角色，人們對地鐵車廂環(huán)境的要求也日漸提高。目前，影響地鐵車廂環(huán)境的主要因素有溫度、風速等。地鐵車輛大多在地下隧道行駛或者在地上地下交替行駛。當列車頭部或者尾部進入隧道時，由于受到隧道壁面的限制,列車周圍產生不穩(wěn)定流動[4]，從而影響車廂內的送風溫度及送風速度。故本文從送風溫度、送風速度和客流密度的角度出發(fā)，對地鐵車廂環(huán)境進行研究。首先實地調研地鐵運行過程中車廂內的溫度、風速情況，將實測得到的溫度和風速作為CFD[5]設定邊界條件的基礎。然后將模擬結果與測試結果進行比較[6]，控制兩者的誤差在合理的范圍內。最后驗證物理模型和數學模型的可靠性。以此為基礎采用數值模擬的方法通過調整送風溫度、送風速度和客流密度模擬地鐵車廂流場情況，對各種工況下的溫度場和速度場進行對比分析，進而得到滿足人體舒適度的最佳送風溫度和送風速度。

1 測試方法及結果

在夏季最熱工況下測試了上海地鐵2號線車廂內的溫度和風速，使用的測試儀器為“天建華儀WFWZY-1”手持式萬向風速風溫記錄儀。每節(jié)車廂內均布置12個測點。參考UIC553[7]中的規(guī)定(溫度測點距地板面高0.1 m、0.6 m、1.0 m、1.1 m和1.7 m)，同時考慮到地鐵車廂內裝和人均身高，將測點位置設置在距地板面高0.5 m、1.1 m、1.7 m、2.0 m處和回風口處，各測點位置與人體部位的對應關系見表1。各測點對應位置見圖1。

表1 溫度測點與人體部位的對應關系

測試車廂內不同高度處的平均溫度，每45 min計算一次同一高度上所有測點的溫度平均值，作出相應折線圖,見圖2。

注:標號1.7-1表示測點高度為1.7 m，記錄儀編號為1號；其他標號意義依此類推

圖1上海地鐵2號線車廂內溫度、風速測點布置

圖2 不同高度處溫度平均值折線圖

由圖2可知:車廂內溫度基本保持在22～25 ℃范圍內;溫度最高值出現在晚高峰時段，0.5 m高處在17:15—18:00時段的溫度平均值達到24.5 ℃;溫度最低值出現在非高峰時段10:30—11:15，1.7 m高處溫度平均值降至22 ℃;站姿乘客頭部平均高度(即1.7 m)處溫度平均值在22.5～23 ℃范圍內，溫度最高值出現在晚高峰時段17:15—18:00。

由圖2還可以明顯看出車廂內溫度有明顯的分層現象，1.7 m高處與1.1 m高處有1 ℃左右的平均溫差。這是由于車廂內乘客阻礙了上送上回的氣流。送風能夠有效到達1.7 m以上區(qū)域，但在1.1 m以下區(qū)域氣流受人體阻擋，人體散發(fā)的熱量在此區(qū)域堆積，導致此區(qū)域溫度升高。

根據舒適度要求,空調的平均溫度應為23～28 ℃[8]。因此,上海地鐵2號線車廂溫度在夏季是滿足人體舒適度要求的，只是在與地板垂直的方向上的溫度有輕微分層現象，車廂內越接近地面溫度越高。

在本次測試中2 m高處(送風口位置)平均送風速度為1.53 m/s，送風溫度為20 ℃。根據溫度、風速實測數據，模擬2號線車廂氣流組織。

2 模型建立及網格劃分

以上海地鐵2號線列車B型車作為研究對象。該車總長為19 800 mm，凈寬為2 800 mm，凈高為2 100 mm；送風量為9 000 m3/h，送風口分別設置在列車左、右兩側，尺寸為10 mm×19 048 mm，風口下方的導流板可將風引向車廂兩側；每節(jié)車廂共有2個回風口，設置在車廂頂部；每個機組下方布置1個回風口，尺寸為410 mm×308 mm；全車共有4個廢排風口，分別設置在車頂兩端[9]。

圖3為列車車廂簡化模型。為獲得較好的數值計算結果，采用非結構四面體網格對車廂模型進行離散化處理。經過多次試驗，最終獲得最匹配的網格尺寸，其中最小尺寸為2 mm，最大尺寸為85 mm，整體網格質量大于0.27。為加快計算速度，取半個車廂作為研究對象。

圖3 列車車廂簡化模型

3 數值模擬方法

采用RNGk-ε湍流模型。這個模型通過大尺度運動和修正后的黏度項體現小尺度運動的影響，從而將這些小尺度運動從控制方程中去除[10]。

αk=αε=1.39

η0=4.377,β=0.012,η=Sk/ε

C2ε=1.68

采用RNGk-ε湍流模型可以更好地處理高應變率和流線彎曲程度較大的流動[11]。鑒于基于雷諾平均Navier-Stokes方程(RANS)的CFD模擬在研究列車車廂內的氣流分布上已有不少成功的算例,本文采用SIMPLE算法、二階迎風(second order upwind)差分離散格式和Standard壓力插值格式。為計算方便作以下假設：(1)室內空氣為不可壓縮流體;(2)流體具有高雷諾數且黏性保持一致;(3)湍流流動為穩(wěn)態(tài);(4)車廂封閉性較好，不考慮漏風和外界壓力變化產生的穿堂風影響。

4 邊界條件

送風口采用速度入口(velocity-inlet)邊界條件，送風溫度分別設定為17 ℃和20 ℃,送風速度取值范圍為1～3 m/s，此處選擇2號線實測數據1.53 m/s和送風速度取值范圍的中間值2.0 m/s。

計算模型的出口為車廂內回風口和廢排風口?；仫L口采用速度入口邊界條件，風速方向垂直于風口向外,將車廂內部分空氣送回到空調機組，經計算得回風口風速為1.6 m/s。廢排風口采用壓力出口(pressure-outlet)邊界條件，根據一般列車車廂內壓力規(guī)律，設定廢排風口壓力值為50 Pa。

車體固體壁面主要為車身，包括車壁、車窗和車門等部件。模擬工況為地下隧道，因此無須考慮太陽輻射的影響，車壁、車窗和車門使用第3類邊界條件；根據列車運行規(guī)律，設置車廂兩端非門位置、車廂地板和天花板均為均熱邊界條件，不參與對流換熱；當列車運行時,其外表面換熱系數可參照《客車空調設計參數》進行計算，車壁、車窗、車門的換熱系數分別為2.4、3.1、4.6 W/(m2·K)。車廂端部連接前車廂，故在Fluent中設置連接面為symmetry；實際上只計算以車廂縱向豎直中剖面為分界劃分的車廂的一半，因此該中剖面也設置為symmetry。2017年7月上海平均溫度為35 ℃，因此以35 ℃作為外界空氣溫度。壁面?zhèn)鳠嵩O置為Mixed邊界條件，在車廂內建立人體模型，設定人體散熱邊界條件，將熱流量加載到人體模型表面。在室溫為20～25 ℃的條件下，單個人體散熱量取78 W[12]。

5 數值計算結果

本次計算共設有8個工況,均考慮人員散熱對車廂氣流組織的影響。工況1：送風溫度20 ℃，送風速度1.53 m/s,滿載。工況2：送風溫度20 ℃,送風速度2 m/s,滿載。工況3:送風溫度17 ℃，送風速度1.53 m/s,滿載。工況4：送風溫度17 ℃，送風速度2 m/s,滿載。工況5:送風溫度20 ℃,送風速度1.53 m/s,超載。工況6：送風溫度20 ℃，送風速度2 m/s,超載。工況7:送風溫度17 ℃，送風速度1.53 m/s,超載。工況8：送風溫度17 ℃，送風速度2 m/s,超載。各工況中:滿載指座位上全部坐滿乘客,無站立乘客;超載指座位上全部坐滿乘客,站立區(qū)也站滿乘客。為更直觀地展示和比較各個工況的計算結果，特選取部分典型截面進行分析，截面具體信息見表2。

表2 典型截面信息

根據2017年7月上海室外平均溫度35 ℃對送風溫度作相應的調整。圖4～7分別為在送風溫度20 ℃、送風速度1.53 m/s的條件下滿載和超載時地鐵車廂內的溫度分布。

圖4 滿載時送風口處的溫度分布

圖5 滿載時1.1 m高處的溫度分布

圖6 超載時送風口處的溫度分布

圖7 超載時1.1 m高處的溫度分布

列車滿載時車廂內溫度較空載時有明顯上升，溫度最高處在乘客身體附近，達到37 ℃左右，符合人體正常體溫規(guī)律；列車壁面因受外界熱流影響其溫度也達到了30 ℃左右。從各云圖看，乘客的存在對溫度場的均勻性產生了一定影響。隨著乘客人數的繼續(xù)增加，車廂內溫度進一步升高。乘客密度增大，人體輻射的熱量增多，造成人體附近的溫度進一步升高，最高溫度大約為38 ℃。在此種送風溫度和送風速度條件下車廂內溫度明顯過高，乘客密度對溫度場均勻性產生了較大影響。

圖8～11分別為在送風溫度20 ℃、送風速度1.53 m/s的條件下滿載和超載時車廂內的風速分布。

圖8 滿載時送風口處的風速分布

圖9 滿載時1.1 m高處的風速分布

圖10 超載時送風口處的風速分布

圖11 超載時1.1 m高處的風速分布

隨著客流密度的增大，尤其是在站立區(qū)乘客較多時，不同位置的風速大小區(qū)別較為明顯，即風速不均勻度增大，造成有的乘客冷感強烈，而有的乘客熱感強烈。同樣,因人數增多，從頂部吹出的風受到阻礙，難以達到車廂下部(即座位區(qū))。

下面利用預測平均評價(predicted mean vote,PMV)值[13]評價人體舒適度[14]。表3是通過主觀感覺試驗確定出的絕大多數人的熱感覺分級。

表3 熱感覺分級

分別計算8種工況下的PMV值，分析8種工況下的熱感覺等級，從而找出上海地鐵2號線滿載和超載情況下最佳的送風溫度和送風速度。圖12為各工況下車廂不同高度處的PMV值。

圖12 各工況下車廂不同高度處PMV值

從圖12中可以看出:工況1和8的PMV值范圍為0～0.6，在所有工況中舒適度最優(yōu)，熱感覺介于微暖與適中之間;工況3和4的PMV值范圍為-2～-0.2，熱感覺介于適中與涼之間，偏涼;工況2、6和7的PMV值范圍為0.7～1.85，熱感覺處于適中與暖之間,偏暖;工況5的PMV值超過2,舒適度較差。因此可以得到:列車滿載時最佳送風溫度為20 ℃，最佳送風速度為1.53 m/s;列車超載時最佳送風溫度為17 ℃，最佳送風速度為2 m/s。

6 結 論

上海地鐵2號線車廂內溫度和風速的實測數據顯示,晚高峰時段車廂內溫度上升，在與地板垂直的方向上有明顯的分層現象，這是由于上送上回的氣流受到了車廂內人員阻礙。在0.5 m以下區(qū)域風流受人體阻擋嚴重，會造成人體發(fā)熱量堆積，溫度增高。

對比在送風溫度20 ℃、送風速度1.53 m/s條件下滿載和超載兩種工況的溫度分布和風速分布可知:隨著客流密度的增大，車廂流場的不均勻性不斷增強,車廂溫度和人體表面溫度均升高;由于0.5 m以下區(qū)域氣流受到人體阻礙，溫度偏高,座位上的乘客舒適度較差。

綜合考慮送風溫度和送風速度的影響，對照文獻[7]中滿足人體舒適度的最大速度表可得:在送風溫度為20 ℃、送風速度為1.53 m/s、滿載時，車廂內平均溫度為23.6 ℃；PMV值范圍為0～0.6，熱感覺介于微暖與適中之間；1.1 m高處的平均風速為0.15 m/s,風感不強，滿足舒適度要求。在送風溫度為17 ℃、送風速度為2 m/s、超載時，車廂內平均溫度為22.8 ℃；PMV值范圍為0～0.6，熱感覺介于微暖與適中之間。送風溫度17 ℃、送風速度2 m/s是超載情況下最理想的送風參數。

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