地鐵列車采用兩側回風的載人客室車廂氣流組織方案分析

劉興之 計敏良

（廣州市地下鐵道總公司，廣東 廣州510000）

0 引言

廣州地鐵是中國第三大城市廣州市的城市軌道交通系統，于1997年6月28日開通，是中國大陸第四個開通并運營地鐵的城市。截至2013年12月28日，廣州地鐵共有9條營運路線，其中尤以3號線（包括番禺廣場—天河客運站和體育西路—機場南兩條交路）的客流壓力最大，全年工作日的列車滿載率基本均在120%以上，在早、晚高峰期，特別是夏季氣溫較高時期，客室經常出現短時溫度急劇升高現象，致使客室悶熱，影響了乘客乘坐地鐵的舒適度。

1 原因分析

經空調系統處理的冷空氣經送風口送入客室內，冷空氣與室內空氣相混和，進行熱濕交換，經回風口送入空調機組，進行循環。送風冷空氣與室內空氣存在壓力差、速度差、溫度差和濕度差，因此會引起車內空氣流動，形成一定的氣流組織，氣流組織的分布影響室內溫度場、速度場等的分布，氣流組織形式是影響室內熱環境的主要因素。

廣州地鐵3號線列車空調機組位于列車頂部，送風通道位于客室上方左右兩側，風從客室上方的送風通道流出，經送風格柵把風梳理形成發散風。因客室回風口位于送風通道中間，易導致送、回風短路（冷空氣未能充分下沉即從回風口流出，如圖1所示），使得回風溫度傳感器檢測到溫度比客室內實際溫度低，即客室實際溫度未達到設定溫度時，空調機組就停止制冷。這是造成車廂內實際溫度偏高的主要原因。

圖1 廣州地鐵3號線列車氣流組織示意圖

2 改進方案

根據上述對造成客室悶熱的原因的分析，計劃在新線列車設計中，要求列車采用兩側回風的氣流組織方案，即車頂兩側散流器送風，經內裝拐角頂板的縫隙及設在座椅下方的風口回風，如圖2所示。

3 仿真計算分析

3.1 客室物理模型

由于車體的形狀和內部結構較復雜，為了簡化流場模擬中計算模型，盡量完全反映車體結構中的細節，對車內氣體過于復雜但是對流動影響不大的區域進行了簡化處理。在Gambit生成車輛模型。選取的計算車輛為M車，為前后左右對稱結構，人員布置為48人。為簡化計算，建立的1／4客室模型及車頂送風口及回風布置如圖3所示。

圖2 兩側回風的列車氣流組織示意圖

圖3 客室幾何模型圖

3.2 邊界條件的設置

（1）入口的邊界條件：采用FLUNET軟件模擬計算過程中，速度入口（velocity inlet）用來定義入口邊界的速度以及溫度等屬性。本文將所有的送風口定義為速度入口，送風速度按送風矢量值計算，矢量值的大小由送風量決定，溫度按設計值計算。

（2）出口的邊界條件：車廂計算模型中回風口和廢排口都設定為outlet－vent，分別設定其阻力系數。

（3）壁面邊界：流場分析時，固體表面邊界一般按無滑移條件處理，車頂及側墻壁面、客室地板、內端墻取無滑移邊界條件。

車頂及壁面在考慮傳熱問題溫度場分析時，使用第三類邊界條件，列車車頂與車體側壁由于受室內外溫差作用，對車內產生作用，形成熱負荷。由試驗得出車體表面的換熱系數k為2.4W／（m2·K）。

（4）流體參數：假設車內空氣流動可認為是不可壓縮的穩態湍流，車內空氣設為理想氣體，并考慮重力與浮升力的作用。除了入口和出口外，假設車內空氣不從客室的其他任何縫隙處泄漏出去。

（5）人體邊界：夏季制冷考慮乘客較多時客室內空氣的溫度場和速度場，取人體壁溫35℃。

3.3 客室內熱環境分析

為方便分析溫度場、速度場分布規律及特點，選取了包括沿X軸、Y軸、Z軸（即車身的寬、高、長）3個方向的關鍵截面，其仿真模擬結果如下：

3.3.1 流量分配

根據合同規定的參數數據，在給定的設計值中：總風量8 500m3／h，新 風 量 2 600m3／h，回 風 量 5 900m3／h，廢 排2 600m3／h。在模擬的過程中，考慮到車身的對稱性和計算的快捷性，本文只對車身的1／4進行模擬計算，所以相應的風量也為1／4，車廂送風量為2 125m3／h。

在對拐角頂板和座椅下方排風口分別設定其不同的阻力系數后，最后模擬得到的M車流量分配結果為：側頂板處排風量為4 509.6m3／h；長座椅下方排風量為2 710.68m3／h；短座椅下方排風量為1 042.8m3／h。模擬結果基本符合設計要求。

3.3.2 速度場分析

從速度矢量圖（圖4）可以看出，送風口送出的空氣經循環后分別從座椅下方和側頂板處的排風口排出，沒有出現較大的短路現象，風速最大的位置出現在送風口和排風口處，其余絕大部分區域的速度均小于0.7m／s，滿足EN14750－1標準，客室氣流組織比較理想。

圖4 截面速度矢量圖

3.3.3 溫度場分析

從溫度云圖（圖5）中可以看出，在送風口位置，溫度比較低，人所處環境附近溫度稍高，其他大部分區域的溫度分布在23～26℃之間，符合EN14750－1標準的要求。但有乘客的區域溫度明顯高于沒有乘客的區域，說明人體散熱會對周圍的環境產生影響，在設定控制溫度時，應考慮載客量的影響，即載客量大的時候，適當提高空調的設定溫度。

圖5 截面溫度云圖

4 結論

本次仿真對載人客室的基本特征參數進行了詳細分析，對車體空調模型進行了合理的簡化，建立研究對象的物理模型，進行網格劃分，選擇適當數學模型，設定松弛系數、收斂標準和邊界條件，初始化進行數值迭代計算，得到以下結論：（1）地鐵列車采用兩側回風的方案，氣流的組織和流量的分配較為理想，沒有出現較大的送風短路現象；（2）地鐵列車采用兩側回風的方案，溫度場分布均勻，送風冷空氣能較好地與室內空氣混合，可以給乘客提供較高的舒適度；（3）乘客所處區域環境溫度高于周邊環境溫度，說明人體散熱對車廂環境造成了一定的影響，在對車內溫度進行設定時需考慮載客量的影響。

本文提出了地鐵列車采用兩側回風的空調設計方案，試驗結果表明該方案可以滿足乘客的乘坐舒適性需求，目前，廣州正在建設的7號線和9號線中，已要求廠家按該方案進行列車設計。

［1］南車株洲電力機車有限公司.廣州地鐵7號線項目車輛空調及通風系統技術規格書［Z］，2014.

［2］南車株洲電力機車有限公司.廣州地鐵9號線項目車輛空調及通風系統技術規格書［Z］，2014.

［3］易柯.地鐵車廂內回風方式數值仿真分析［J］.電力機車與城規車輛，2012（2）.

［4］劉洋.地鐵車輛風道系統出風均勻性設計［J］.電力機車與城規車輛，2011（1）.

［5］易柯.地鐵車輛空調系統氣流組織數值計算與分析［J］.城市軌道交通研究，2009（11）.