城軌車(chē)輛客室采用上送上回與上送下回氣流組織仿真對(duì)比

丁前莊 許鈺文 楊天智 呂知梅

摘 要：目前城軌車(chē)輛客室內(nèi)部氣流組織一般采用上部送風(fēng)上部回風(fēng)或者上部送風(fēng)下部回風(fēng)方式，其中上部送風(fēng)上部回風(fēng)方式約占80%左右，本文采用數(shù)值模擬對(duì)比兩種氣流組織形式的差異，以及對(duì)客室內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響。

關(guān)鍵詞：城軌車(chē)輛;上部回風(fēng);下部回風(fēng);人體模型;阻力

中圖分類號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）09-0092-02

1 概述

本文通過(guò)模擬城軌車(chē)輛上送上回和上送下回兩種氣流組織方式對(duì)客室內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布影響，對(duì)比兩種氣流組織方式各自存在的問(wèn)題及后續(xù)的研究方向。

2 物料模型及模擬方法

使用GAMBIT軟件建模，F(xiàn)LUENT軟件模擬。由于地鐵車(chē)廂內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車(chē)內(nèi)障礙物較多，幾何模型需對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化[1]。

（1）考慮了車(chē)廂內(nèi)座椅對(duì)氣流的影響;（2）忽略了車(chē)內(nèi)燈、扶手等尺寸較小障礙物對(duì)氣流的影響;（3）由于車(chē)體呈橫向和縱向的對(duì)稱性，只考慮車(chē)體內(nèi)部1/4模型進(jìn)行計(jì)算。

車(chē)廂模型圖1所示，車(chē)廂模型數(shù)據(jù)表1所示。

關(guān)于人體模型的大小，參考了Airpak軟件自帶的人體模型尺寸。為了避免建模時(shí)出現(xiàn)網(wǎng)格劃分問(wèn)題，對(duì)人體模型尺寸進(jìn)行了的調(diào)整，如表2所示。

建模時(shí)采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，車(chē)廂內(nèi)空氣為不可壓縮氣體，符合boussinesq假設(shè)，車(chē)壁傳熱系數(shù)設(shè)置為2.4W/（m2·K），通過(guò)能量方程及k-ε湍流模型，對(duì)車(chē)廂內(nèi)部的溫度場(chǎng)、氣流速度進(jìn)行模擬。

3 上送上回載人車(chē)廂的數(shù)值模擬

以條縫型送風(fēng)口作為入口邊界，送風(fēng)速度為2.2m/s，送風(fēng)溫度設(shè)定為16℃。座椅座位坐滿人，站立72人，模型可站立區(qū)域面積18.93m3，則可求得模型的車(chē)內(nèi)站立密度為3.8人/m2。模擬得到車(chē)廂內(nèi)平均空氣溫度22.21℃，車(chē)內(nèi)不同截面的空氣溫度分布圖如圖2所示。

由圖2中的溫度分布情況可以得出結(jié)論：（1）通過(guò)圖2的溫度分布能明顯看出送風(fēng)氣流可達(dá)到人體活動(dòng)范圍內(nèi)，即頭部至膝蓋位置的空氣溫度能維持在25℃左右。（2）回風(fēng)口位置的冷空氣有回流現(xiàn)象，從圖中可以看出，人體附件區(qū)域與拐角頂板存在1-2K的溫差。

4 上送下回載人車(chē)廂的數(shù)值模擬

為了研究上送上回與上送下回通風(fēng)方式對(duì)車(chē)內(nèi)溫度場(chǎng)的區(qū)別，將回排風(fēng)口設(shè)置在座椅下方側(cè)墻位置，每排座椅下方設(shè)置兩個(gè)風(fēng)口，其他模擬條件不變。模擬得到車(chē)廂內(nèi)平均空氣溫度21.59℃，與上送上回方式的平均空氣溫度相差不大。車(chē)內(nèi)不同截面的空氣溫度分布圖如圖3所示。

從圖3可以看出，上送下回的通風(fēng)方式使得氣流有明顯的貼壁現(xiàn)象，即靠近車(chē)壁的空氣溫度明顯降低，但是中間區(qū)域的溫度已經(jīng)高于29℃。這非常不利于車(chē)內(nèi)站立乘客的熱舒適。

5 兩種氣流組織方式的差異

5.1 回風(fēng)阻力

上送上回這種通風(fēng)方式或多或少存在送風(fēng)短路的現(xiàn)象，尤其是在載人時(shí)，乘客量越大，人體對(duì)送風(fēng)的阻礙作用越大，氣流不能順利送至車(chē)輛底部，因此回流現(xiàn)象也越明顯。采用上送下回的通風(fēng)方式可以改善這一現(xiàn)象，充分利用送風(fēng)，優(yōu)化氣流組織，提高空調(diào)系統(tǒng)利用效率。上送下回通風(fēng)方式相比上送上回而言，由于氣流要經(jīng)過(guò)人體間隙，最終進(jìn)入回風(fēng)口，氣流阻力勢(shì)必增加[2]。表3所示列出了兩種送回風(fēng)型式的壓力值。

上送下回車(chē)廂的回風(fēng)阻力明顯高于上送下回車(chē)廂，相比于上送上回載人車(chē)廂，上送下回載人車(chē)廂的回風(fēng)阻力高出63.4%。文中模擬的載人車(chē)廂車(chē)內(nèi)站立密度為3.8人/m2，乘客之間還有許多空隙。而對(duì)于上送下回車(chē)輛，如果車(chē)內(nèi)人數(shù)增加，乘客之間的空隙減小，回風(fēng)阻力將會(huì)明顯增加。當(dāng)車(chē)內(nèi)站立密度高達(dá)8人/m2時(shí)，乘客之間幾乎沒(méi)有空隙，回風(fēng)阻力變得非常大，需要增加送風(fēng)機(jī)的壓頭以克服氣流的回風(fēng)阻力。

5.2 上送下回通風(fēng)方式的貼壁現(xiàn)象

通過(guò)圖2及圖3可以發(fā)現(xiàn)，上送下回的通風(fēng)方式極大的改善了送風(fēng)短路的現(xiàn)象，送風(fēng)能夠通過(guò)乘客之間的空隙，送至地板位置。但是由于回風(fēng)口的位置只能布置在座椅下方，使得氣流有明顯的貼壁現(xiàn)象，即靠近車(chē)壁的空氣溫度明顯降低，但是中間區(qū)域的溫度已經(jīng)高于29℃，這非常不利于車(chē)內(nèi)中部站立乘客的熱舒適性。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）上送上回的通風(fēng)方式在載人時(shí)容易出現(xiàn)車(chē)內(nèi)送風(fēng)短路的現(xiàn)象，上送下回的通風(fēng)方式能夠?qū)⒗錃饬鞒浞炙椭寥梭w活動(dòng)區(qū)，解決送風(fēng)氣流短路現(xiàn)象，但是回風(fēng)阻力會(huì)比上送上回的車(chē)輛大許多，同時(shí)上送下回易造成車(chē)廂乘客站立區(qū)域的溫度偏高的現(xiàn)象;（2）針對(duì)上述問(wèn)題，目前我們正在對(duì)上部回風(fēng)與下部回風(fēng)結(jié)合的方式進(jìn)行仿真研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 易柯.地鐵車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)氣流組織數(shù)值計(jì)算與分析[J].城市軌道交通研究，2009（11）：40-44.

[2] 丁前莊.城軌車(chē)輛客室中頂板格柵送風(fēng)與孔板送風(fēng)方案仿真對(duì)比[J].科技中國(guó)，2018（4）：334-335.