地鐵車空調風道及車室內氣流組織數值仿真

于淼，王東屏，襲望，黃少東

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028;2.中國北車集團 唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035)*

0 引言

近年來，為了緩解交通出行的壓力，我國各大城市大力發展地鐵的建設.隨著我國城軌空調列車應用的迅速發展，人們對空調客車客室內的舒適狀況和空氣品質的要求越來越高.對于以乘客為服務對象的地鐵車輛空調系統，僅僅提供滿足負荷要求的制冷量是遠遠不夠地，車內的舒適性問題也越來越得到更多人的關注［1］.風道送風的均勻性是否均勻、客室內溫度場分布是否均勻穩定、風速大小控制是否合理都與地鐵車內乘客乘坐舒適性息息相關.在車廂內的空氣溫度分布合理和風速符合標準的情況下，還需要考慮溫度場和速度場分布的均勻性，否則，不但會影響乘客乘坐舒適性，而且會造成能源的浪費［2］.目前國內有關地鐵車廂內氣流組織研究方面的文章較少，由于地鐵車輛受限界的影響，實現風道均勻送風，還需要深入研究［3］.針對地鐵空調的運行特點，本文主要對風道的速度場以及車廂內的速度場和溫度場進行了模擬分析.對改進和優化風道設計，提高地鐵車內環境的熱舒適性有著重要的應用參考價值.

本文首先用ProE軟件建立頭車風道和車體的三維模型，然后利用Hypermesh軟件進行網格劃分，采用四面體非結構性網格以適應復雜的幾何結構，最后在FLUENT軟件中完成模擬計算.采用有限體積法中常用的SIMPLE算法對離散方程進行求解，離散方程時，對流項采用二階迎風格式，粘性項采用二階中心差分格式.

1 數學模型

研究風道和車廂內流場的空氣動力特性，其實質是研究流體流動問題.而流體運動是最復雜的物理行為之一，與結構設計領域中應力分析等問題相比，其建模與數值模擬要困難得多.風道及車廂內流場的空氣流動是三維、定常、不可壓縮流動.根據流場特點，描述空氣流動的控制方程包括連續性方程、Reynolds時均 Navier-Stokes方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes，簡稱 RANS)以及湍流模型方程［4-5］.

對大多數工程問題，無法獲得精確解析解，只能用CFD數值模擬的方法求解.計算湍流運動時，還需要附加湍流方程，本計算采用了有適用范圍廣、經濟和合理的精度，且工程流場計算中常用的標準k-ε湍流模型為主要計算工具.采用k-ε雙方程模型對空調領域多種流型的計算結果顯示，該模型優于其他模型.

2 風道和車體的計算模型

2.1 風道的組成和工作原理

車廂頂部有兩臺空調機組，空調機組分別分布在左右兩側，空氣先通過導流板進行分流，分別向地鐵風道的兩側流動，其中風道中的空氣由于孔板的阻擋，速度逐漸降低，使空氣向靜壓腔中流動，通過間隙風由主風道傳送到靜壓風道，最后經靜壓腔底部的條縫式送風口，把風送入地鐵車廂內，兩條風道匯合后向司機室送風.模型包括4個供風入口，121個風道出風口，風道內部共有40個孔板.風道每側有兩個進風口，60個出風口，風道前端有一個風道出風口通往司機室.靜壓風道截面結構見圖1.

圖1 靜壓式送風風道斷面三維模型

2.2 車體的構成和計算模型

地鐵TC車(頭車)車體及乘客計算模型，車廂內定員226人，如圖2所示.主風道沿車頂中部設置，兩個空調機組通過車頂的條縫向車廂內送風，車廂內的廢排口在座椅下部，通過側墻型腔進行排氣，廢排經廢排管道送往車頂由廢排煙囪排出，通往大氣的廢排煙囪位置不設風機裝置，完全靠大氣壓力進行排風.

圖2 滿載時地鐵頭車車體及乘客計算模型

如圖3所示，地鐵頭車的排風方式為上送上回下排.送風口、回風口和排風口的位置設置都會影響到地鐵車室內氣流組織其中包括車內溫度場分布和速度場的分布等.

圖3 地鐵頭車車廂內的送風和排風方式

2.3 參數設置

對地鐵車結構進行了分析，簡化處理了地鐵頭車計算模型，僅考慮地鐵車廂內空氣流通主要空間、座椅及人對氣流的影響，并假設人員不走動.因此，邊界設置為固定客室內壁面、坐椅表面及人員表面為壁面參數，送風口作為計算進風邊界條件，回風口和廢排風口為計算出風邊界條件，給定車廂內的送風量和司機室內的送風量，忽略車廂空氣泄漏.設置的參數為車輛運行狀態下的車內溫度場和流速場分布的初始條件.具體參數如下:車廂外溫度取為35℃，冷風入口溫度取為18℃，廢排出口設置為壓力出口，工廠提供的車體傳熱系數為2.4 W/m2K，車窗傳熱系數為3.1 W/m2K，車門傳熱系為數4.6 W/m2K，按整車車廂內滿員226人計算，送風口使用導風格柵進行散流.

3 計算結果及分析

3.1 風道的壓力和速度分布

由于地鐵頭車的風道顯對稱式，為簡化計算，取半個風道為研究對象，除司機室以外的60個風道出風口速度分布如圖4所示.

圖4 地鐵頭車風道的60個出風口的速度分布

由于有回風口的存在，會產生一個往回風口抽吸的氣流組織活動形式，位于空調機組下方的八個風道出風口有回流產生.由計算結果可知，空調機組下方的出風口10～13與出風口46～49平均速度較小.出風口10～出風口13的平均風速變化為0.06～0.21 m/s，出風口 12和13的出風速度較小，并且一部分風倒流回風道.所以目前設計方案是在最初方案的基礎上將每個空調機組下方的8個風道出風口去掉，風道的計算模型改為4個供風入口，105個風道出風口.由圖5可以看出，去掉空調機組下8個出風口后，地鐵風道的出風口均勻性得到了有效地改善.風道出風口的平均速度最大差值由2.92 m/s變為2.23 m/s.

圖5 地鐵頭車風道的52個出風口的速度分布

從模擬結果可以看出，風道中的空氣由于孔板的阻擋，速度逐漸降低，同時孔板使得空氣向靜壓風道中流動.因此，有出風口流入車廂內的空氣速度較小，使車內的環境更加舒適.風道進風口處的壓力較大，空氣流動過程中由于孔板的阻擋，使壓力不斷降低.由計算結果得到，風道內最大阻力為122.87 Pa.風道進口的平均靜壓為 252.67 Pa.總之，在修改風道的出風口個數后，除了靠近空調裝置的2個出風口平均速度較小外，其余出風口的平均風速均勻性較好.優化送風道的出風均勻性有助于改善車廂微環境，保證乘客乘坐的舒適性.

3.2 車廂內的溫度和速度分布

考慮到地鐵運行的實際情況，當地鐵車內乘客不多時，地鐵車內環境較為舒適，一般能夠滿足舒適性要求，在上下班高峰期時，當地鐵車內出現人員滿載或過載時，容易造成車內空氣流通不暢，可能導致乘坐的舒適性下降，所以我們主要對車內滿員的情況下進行了數值模擬分析.通過數值計算得到車廂內的速度場和溫度場的詳細信息.

從圖6中看出，車廂的進風口通過導流格柵進入車廂，并且空調風道采用了條縫形送風口，其進口氣流在車廂內形成兩側擴散的氣流分布模式，這樣有效避免了冷氣直接吹向乘客頭部.在車廂上方回風口位置，速度約為0.5 m/s，在遠離回風口的其他位置，速度較小，車廂內速度范圍為0.1 ～0.2 m/s.車廂內的速度為 0.1 m/s左右，廢排風道中的速度約為1.2 m/s左右.由于車廂內的廢排口位于座椅的下方，其速度約為1.6 m/s，對車內氣流組織有一個向下導流的作用，加強了車廂下半部分空氣的流通.地鐵頭車上送上回下排的排風方式，有效地改善了車廂內的環境溫度和空氣品質.

圖6 車廂廢排通道橫斷面的速度矢量分布

總體而言，車廂內風速較低，速度范圍為0.05～0.5 m/s，車廂內乘客環境較舒適，符合歐洲標準EN14750-1(在28℃時最大氣流速度＜1.4 m/s).靠近車體壁處由于有外界溫度的影響溫度較高，外界溫度對車廂內的溫度有一定的影響.如圖7所示，車廂內冷風入口的溫度為18℃，人體頭頂溫度約為19～20℃.由于車廂內滿員時，人的密度較大，人員對冷風的流動起阻礙作用，所以冷風很難往下流動，人體下方周圍溫度較高，約為25℃，司機室內比客室上部溫度略高，溫度范圍大致在21～23℃，人體周圍溫度大多分布在19～25℃.由模擬結果可知，車室內最高溫度25℃，低于設計溫度28℃.

圖7 風道靜壓腔處橫斷面的溫度分布圖

4 結論

通過數值模擬技術對列車空調通風系統及車廂內流場氣流組織進行模擬仿真，形象直觀地對列車車箱內的空氣流場作出分析和評價，得出如下結論:

(1)在回風口分布的周圍，位于空調機組下方風道出風口有回流產生，并且機組送風口下方的主風道往靜壓風道的送風量較少，這就直接導致位于此處靜壓風道下方的條縫出風口出風量很少.因此，將空調機組下方的八個風道出風口去掉，由模擬結果可以看出，地鐵風道的出風口均勻性得到了有效地改善.風道出風口的平均速度最大差值由2.919 m/s變為2.231 m/s;

(2)擋風板明顯增加了空氣流動的阻力，穿孔擋風板可以使得由導流板分流出來的高速的送風在此處得到一定的阻擋，增加一部分的風量送入靜壓風道內，再通過靜壓風道底部的條縫送風口送入車廂，達到整條風道均勻出風的目的.壁面附近溫度較高，但就整體而言，溫度場和速度分布較均勻，說明條縫型送風口能夠提供較好的空氣品質;

(3)由模擬結果可知，地鐵頭車的上送上回下排的排風方式，通過選擇合適的送風溫度與送風速度的組合，車廂內乘客環境較舒適，是比較合理的氣流組織方式.除了靠近空調裝置的2個出風口的平均速度較小外，其余出風口的平均風速均勻性較好.車廂內微風速為0.05～0.5 m/s，在人體周圍大部分速度≤0.5 m/s，符合歐洲標準EN14750-1(在28℃時最大氣流速度＜1.4 m/s).人體頭部上方溫度19～20℃，由于車廂內人員密集，空調冷風的向下流動困難，所以人體下側溫度略高，約為25℃，人體周圍溫度在21～25℃.該空調通風系統能使車廂內得到比較合理的微風速分布，滿足設計溫度28℃的要求.

［1］LIN C H，LELLI M A，HAN T.experimental and computational study of cooling in simplified GM210 passenger compartment［J］.SAE(society of automotive engineers)，1992，2(2):1-3.

［2］李超，齊朝暉，盛思思.地鐵車廂內氣流組織的探討［J］.制冷與空調，2009，23(3):109-112.

［3］楊柳.風道結構優化對地鐵車室內氣流組織均勻性影響的研究［D］.武漢:華中科技大學，2008.

［4］田紅旗.列車空氣動力學［M］.北京:中國鐵道出版社，2007:28-31.

［5］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.