探究風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)地鐵車室內(nèi)氣流組織均勻性影響

劉晶

摘?要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，城市化的進(jìn)一步集中，城市交通中的地鐵已經(jīng)成為了現(xiàn)代交通的重要工具。其中，空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的好壞直接影響著城市地鐵乘客的舒適程度，同時(shí)也是地鐵車輛中最為重要的子系統(tǒng)之一，而空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)道結(jié)構(gòu)的均勻性，在很大程度上決定著乘客的熱舒適性。因此，本文對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)通風(fēng)量因素的內(nèi)部配置，新鮮空氣入口條件，內(nèi)部空氣出口條件做了一定的研究，通過(guò)改變進(jìn)口速度、出口位置，從而優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)，改進(jìn)室內(nèi)組織的均勻性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)道結(jié)構(gòu);均勻性;出口位置;熱舒適性

1 緒論

地鐵車廂由金屬制成，沒(méi)有可打開(kāi)的窗戶，因此安裝了機(jī)械通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)以供應(yīng)新鮮空氣并提供熱舒適的環(huán)境。在地鐵運(yùn)營(yíng)期間，室內(nèi)的溫度應(yīng)該保持在合理的溫度范圍之內(nèi)，而保持這種溫度的關(guān)鍵措施是通過(guò)采暖以及空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，其中，通過(guò)HVAC系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)跨腔邊界交換空氣。對(duì)于以乘客舒適性為主要要求的空調(diào)系統(tǒng)，在很大程度上取決于風(fēng)道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其均勻性是是否能滿足乘客的舒適性要求。

2 風(fēng)道結(jié)構(gòu)中的通風(fēng)道口

2.1 幾何模型

當(dāng)前的研究采用了一種特殊類型的地鐵中間車，其中包括一個(gè)乘客車廂，兩個(gè)通道，一個(gè)HVAC系統(tǒng)和一個(gè)風(fēng)道系統(tǒng)[2]。其中，空調(diào)系統(tǒng)位于地鐵車廂內(nèi)的頂部，在乘客艙內(nèi)布置的每一個(gè)空調(diào)都設(shè)置有一個(gè)入口以及兩個(gè)出口，對(duì)于HVAC系統(tǒng)的是數(shù)值模擬系統(tǒng)，可以采用速度入口以及出口邊界的方法，從而能夠有效的替代實(shí)際模型。

2.2 網(wǎng)格和邊界條件

當(dāng)選擇采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，要將進(jìn)氣口管道以及乘客艙的網(wǎng)格化進(jìn)行集中加密。其中，隔室表面的邊界網(wǎng)格第一層厚度為3mm，總網(wǎng)格數(shù)為1.1億。圖1所示為局部表面的網(wǎng)格化圖，將地鐵內(nèi)部的流場(chǎng)設(shè)置為湍流狀態(tài)。并且采用湍流模型可以得到有效的計(jì)算，y+（無(wú)量綱第一單元間距y+=y×ut×g-1，其中y表示為靠近壁的第一單元厚度，ut表示為在此過(guò)程中的摩擦力，湍流模型的速度（g為動(dòng)粘度）通常情況下設(shè)置為30—100。在此模擬過(guò)程中，構(gòu)造網(wǎng)格中y+平均約為34，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的要求。因此，兩個(gè)模型的網(wǎng)格滿足y+值的要求，從而將邊界設(shè)定條件如下所示：

（1）將空調(diào)出口，再循環(huán)空氣管道入口和排氣空氣管道入口設(shè)置為質(zhì)量流入口邊界條件。當(dāng)質(zhì)量流量的值為負(fù)時(shí)，空氣會(huì)流到計(jì)算域之外。供氣，再循環(huán)和排氣的流速分別為10000m3h-1、6800m3h-1和3200m3h-1，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)進(jìn)氣口和排氣口的面積，送風(fēng)、再循環(huán)空氣和排氣的速度分別為5261m3h-1、1.937m3h-1和3.922m3h-1。

（2）將車廂表面設(shè)為熱通量壁邊界條件，將傳熱系數(shù)25W（m2K）-1定義為K值。

（3）所有表面均設(shè)置為防滑墻邊界條件。

（4）這項(xiàng)研究檢查了夏季的全乘客工作條件，類比于現(xiàn)實(shí)條件中，假定地鐵車廂內(nèi)有300多位乘客，并且在此過(guò)程中保持室外的溫度維持34℃不變。由于乘客在乘坐期間會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，因此在數(shù)值模擬中考慮了人類的熱源。根據(jù)歐標(biāo)EN14750中得出，可以將乘客的熱源規(guī)定為120w左右，并將其作為體積源裝入計(jì)算域的相應(yīng)人為活動(dòng)區(qū)域。體積熱源設(shè)置為294.5Wm3，由于乘客車廂包含大量熱源，因此新鮮空氣溫度設(shè)置為13°C。

（5）本研究測(cè)試了三種用于數(shù)值模擬的通風(fēng)面板模型：分別為原始模型、多孔介質(zhì)模型和多孔跳變面模型。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的通風(fēng)面板型號(hào)

本研究選擇了三種類型的通風(fēng)面板模型進(jìn)行數(shù)值模擬，將其中的“原始模型”定義為以空調(diào)系統(tǒng)中的通風(fēng)面板的實(shí)際尺寸為標(biāo)準(zhǔn)。其中，原始模型還需要大量的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行支撐，而在此應(yīng)用較好的模型為多孔介質(zhì)以及多孔跳躍界面模型，本次研究著重于使用所提出的通風(fēng)板模型對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。為了更好地理解多孔跳躍面模型，通風(fēng)面板定義為單位表面。

通過(guò)本研究中的實(shí)驗(yàn)獲得了在不同風(fēng)速下的上通風(fēng)板和側(cè)通風(fēng)板的壓力損失，在國(guó)內(nèi)的中南大學(xué)模型測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行了該實(shí)驗(yàn)，該平臺(tái)已獲得中國(guó)計(jì)量認(rèn)證（CMA）資格（證書編號(hào)2014002479K），人們?cè)谠擁?xiàng)目中可以查詢到更多有關(guān)該平臺(tái)的信息。將地鐵車廂內(nèi)的空氣速度分別設(shè)置為1、2、3、4和5ms-1，從而可以根據(jù)通風(fēng)面板的實(shí)際尺寸構(gòu)造實(shí)驗(yàn)，如圖1（a）所示。如圖1（b）所示，選擇了Honeywell DC030NDC4壓力傳感器進(jìn)行壓力測(cè)量，在這組測(cè)試中，傳感器的采樣頻率為1kHz，測(cè)量精度為0.01Pa。另一方面，對(duì)于速度上的測(cè)量，可以使用TSI9525風(fēng)速計(jì)，測(cè)得其中的精度為0.01ms。在每次測(cè)試之前，必須保證負(fù)載測(cè)量的誤差在0.2%以內(nèi)，從而可以滿足精度上的測(cè)試要求。

在數(shù)值模擬中，使用ANSYS Fluent中的多孔單元區(qū)域條件設(shè)置通風(fēng)面板的多孔介質(zhì)模型，并使用多孔跳躍邊界條件設(shè)置多孔跳躍面模型。為了使用這兩個(gè)模型對(duì)地鐵車廂的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，需要多孔介質(zhì)參數(shù)1/a和C2以及孔隙率。在多孔介質(zhì)模型中，在“單元區(qū)域條件”部分中將通風(fēng)面板區(qū)域定義為“多孔區(qū)域”。對(duì)于多孔跳躍面模型，在“邊界條件”部分中將通風(fēng)面板的面選擇為“多孔跳躍”，并輸入通風(fēng)面板的厚度Dn。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

在本研究中應(yīng)用了三種通風(fēng)面板模型進(jìn)行比較，將數(shù)值結(jié)果與地鐵火車中間車的真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，然后確定了能夠使用最少的計(jì)算能力有效地對(duì)地鐵車廂內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬的模型，從而對(duì)優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)的均勻性進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)。

4.1 真正的地鐵實(shí)驗(yàn)

借助于中南大學(xué)的平臺(tái)，進(jìn)行了地鐵車廂風(fēng)道試驗(yàn)，用于在實(shí)驗(yàn)中地鐵車廂的尺寸。選擇了四臺(tái)XFH空調(diào)設(shè)備，出產(chǎn)于自悅特通風(fēng)設(shè)備有限公司，每臺(tái)都可以產(chǎn)生將近2500m3/h的13℃新鮮空氣進(jìn)行輸送。該實(shí)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)氣管道中有四個(gè)進(jìn)氣口，其中的每臺(tái)進(jìn)氣口都會(huì)有一個(gè)空調(diào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，空調(diào)器產(chǎn)生的新鮮空氣直接進(jìn)入送風(fēng)管道。與此同時(shí)該試驗(yàn)并未設(shè)置再循環(huán)系統(tǒng)，取而代之的是，在乘客艙的每個(gè)再循環(huán)和排氣出口都設(shè)置了通風(fēng)機(jī)。每個(gè)循環(huán)呼吸機(jī)和排氣呼吸機(jī)的流量分別為3400和533m3h-1。該實(shí)驗(yàn)使用了功率為120w的加熱線圈，其中的數(shù)量為310個(gè)，可以很好地模擬在車廂內(nèi)乘客的工作條件。將其中的加熱線圈平均分布在車廂地板上，在空調(diào)和加熱盤管運(yùn)行約30分鐘后，測(cè)量乘客艙中的相關(guān)流場(chǎng)參數(shù)。此時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)預(yù)期車廂內(nèi)的溫度以及流場(chǎng)是穩(wěn)定不變的，可以有效的模擬地鐵車廂內(nèi)的乘客實(shí)際條件。

乘客艙中的壓力變化相對(duì)較小，并且高度為1.1m的水平面（Z=1.1m）的壓力差小于1Pa。因此，未考慮測(cè)量點(diǎn)的壓力，獲得了測(cè)量點(diǎn)的風(fēng)速和溫度。對(duì)于溫度測(cè)量，采用測(cè)量精度為0.01℃的AI5600手持式高精度溫度計(jì)。

4.2 內(nèi)部流場(chǎng)分析

將多孔介質(zhì)模型的數(shù)值模擬結(jié)果與原始模型的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，可以進(jìn)一步說(shuō)明用多孔介質(zhì)模型代替原始模型的可行性。在實(shí)際的地鐵車廂實(shí)驗(yàn)中，基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN14750，選擇了15個(gè)測(cè)量點(diǎn)，這些點(diǎn)分為兩組：水平組和垂直組，每個(gè)組對(duì)應(yīng)一個(gè)平面。結(jié)果，選擇了1.1m高的水平面（Z=1.1m）和對(duì)稱的垂直平面（Y=0m）進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)分析。考慮到其他方面的傳熱方式，比如車廂表面以及乘客本身的熱量傳輸，乘客艙內(nèi)的溫度場(chǎng)保持在相對(duì)平衡的狀態(tài)。因此，車廂的典型部分的速度和溫度分布可以代表地鐵車廂內(nèi)的速度和溫度場(chǎng)，由于乘客艙中的壓力變化相對(duì)較小，因此未研究壓力場(chǎng)。

圖2顯示了同時(shí)存在于地鐵車廂兩個(gè)典型區(qū)域中的原始模型和多孔介質(zhì)模型的速度分布。由于湍流不穩(wěn)定，并且兩個(gè)模型的速度變化范圍幾乎相同，因此兩個(gè)模型的速度場(chǎng)基本上是一致的。由于采用了再循環(huán)空氣系統(tǒng)，再循環(huán)空氣出口周圍的空氣速度要比隔室中的其他部分大，兩個(gè)模型的平均速度，水平速度差和垂直速度差基本一致。

通過(guò)對(duì)典型截面的速度和溫度分布的分析，可以得出兩個(gè)模型的內(nèi)部流場(chǎng)分布吻合良好的結(jié)論。因此，多孔介質(zhì)模型可以很好地替代通風(fēng)面板在地鐵車廂內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬中，將通風(fēng)管道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高室內(nèi)阻止氣流的均勻性。

5 結(jié)語(yǔ)

這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是在添加穿孔擋風(fēng)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了數(shù)值模擬，并建立了模型，提高數(shù)值的計(jì)算效率，并同時(shí)提高了室內(nèi)氣流組織的均勻性。

參考文獻(xiàn)：

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