C型地鐵列車主風道出風均勻性研究

王友君， 穆廣友， 李元開， 姜海英

(1. 上海海洋大學 制冷與空調系， 上海 201306； 2. 上海阿爾斯通交通設備有限公司 設計部， 上海 200245；

3. 上海同濟工程項目管理咨詢有限公司 項目管理部， 上海 200092；

4. 山東電力經濟技術研究院 建設管理中心，山東 濟南 250001)

C型地鐵列車主風道出風均勻性研究

王友君1， 穆廣友2， 李元開3， 姜海英4

(1. 上海海洋大學 制冷與空調系， 上海 201306； 2. 上海阿爾斯通交通設備有限公司 設計部， 上海 200245；

3. 上海同濟工程項目管理咨詢有限公司 項目管理部， 上海 200092；

4. 山東電力經濟技術研究院 建設管理中心，山東 濟南 250001)

利用數值模擬方法研究了風量不對稱條件下C型地鐵列車主風道內的空氣流動特性和出風均勻性.研究結果表明：最大風量出風口位于左、右兩股氣流的碰撞區，碰撞區向小送風量一端偏移；左、右風機送風量差異越大，碰撞區偏移對稱面的距離越大，風道送風均勻性越差；大風量風機提供的送風一般體現為小風量風機一端出風口的出風量增加.

出風均勻性； 不對稱送風量； 送風風道； 地鐵列車

地鐵列車的空氣環境并沒有人們想像的那么潔凈，客室空氣品質對乘客健康具有重要的影響[1-4]，而送風量和送風均勻性是決定客室空氣品質的關鍵因素之一[5].為了保證送風量和送風均勻性，每節地鐵列車往往采用2臺相同型號風機對吹方式進行送風[6].但是，在實際運行中，有時會出現2臺風機性能工況不同或1臺風機故障停機的情況.這時，不僅地鐵列車客室的左右風機送風量(或總送風量)發生變化，而且送風均勻性如何變化不得而知.因此，本文采用數值模擬方法分析風量不對稱條件下一種C型車主風道的空氣流動特性和送風均勻性.

1　試驗與數值模擬準備

1.1試驗簡介

本文研究對象是上海一種C型地鐵列車中間客室的主風道(除去兩端的短風道)，該風道既左右對稱，又前后對稱，其前后對稱結構如圖1所示.風道長為8278 mm，高為100 mm，頂面寬為1186 mm，底面寬為1216 mm.風道兩端風機送風口尺寸為762 mm× 284 mm，風道出風口尺寸為200 mm×100 mm.對稱布置的短斜擾流板(2對)和垂直短擾流板(4個)的尺寸均為313 mm×50 mm，垂直長擾流板(4個)的尺寸為700 mm×30 mm.斜擾流板與前后對稱面的夾角為45°，各擾流板間的距離如圖1所標注.

試驗時，風道左端風機送風量為1951 m3/h，右端風機送風量為2313 m3/h.監測風道各出風口風量來驗證數值模型.監測風量所用儀器為Tsi8357型風量罩，風量罩位于圖1所示的8個位置：左i、左ii、左iii、左iv和右iv、右iii、右ii、右i.其中，每一位置處風量罩測量對應的若干個出風口(見圖1)的總風量.

圖1　送風風道示意圖Fig.1　Sketch of air supply duct

1.2數值模擬描述

本文所考察的空氣流動屬于絕熱不可壓流，滿足歐拉守恒方程[7]，如式(1)所示.

(1)

式中：ρ為空氣密度；Φ為通用變量，可代表速度分量、溫度等求解變量；t為時間；u為速度矢量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項.

采用非結構網格把圖1所示風道劃分為44499個四面體單元.擾流板、隔板孔洞和出風口附近流場變化劇烈，所以，其邊界上的網格加密，最小網格點間距為16.67mm，縮小網格間距不再增加求解精度.選擇Fluent軟件中的標準κ-ε模型進行湍流計算.在滿足工程求解精度前提下，利用一階差分格式的有限體積法將歐拉方程離散成代數方程，并利用SIMPLE方法耦合壓力場和速度場[7].風道對稱面、入風口、出風口、隔板孔洞和固體壁面分別定義為Symmetry,Velocity-inlet,Pressure-out,Interface,Wall，并假設進風湍流強度為10%，壁面光滑.除了試驗工況(左、右端風機送風量分別為1951 和2313m3/h)， 本文又模擬了4種風機風量配對工況：(1)左、右送風量均為2000m3/h，代表列車客室一般的設計風量，且左、右風機性能一致的理想狀態；(2)左、右送風量分別為1500和2000m3/h， 代表左風機送風性能降低，總風量降低12.5%；(3)左、右送風量分別為1500和2500m3/h，代表左風機性能降低而右風機性能提高，總送風量不變；(4)左、右送風量分別為0和2000m3/h，代表左風機故障停機，只有右風機正常運行，總送風量降為50%，仍能滿足列車的最小安全風量.

2　數值模型驗證

為了驗證數值模型，試驗與模擬得出的風道各出風口出風量數據如圖2所示.由圖2可知，模擬數據變化趨勢與試驗數據大體一致，模擬的平均出風量比試驗值約小2%.因此，數值模型可以用來研究C型地鐵列車送風風道的空氣流動特性和出風均勻性.

圖2　模擬與試驗出風量對比Fig.2　Comparison of simulation and test air-out capacity

3　模擬數據討論

3.1氣流組織

為了分析左、右風機送風量的不對稱性對地鐵列車風道送風均勻性的影響，在4種風量配對條件下鉛直高度為75 mm(z=0.075 m)水平剖面上的速度矢量分布如圖3所示.

(a) 左送風量為2000 m3/h，右送風量為2000 m3/h

(b) 左送風量為1500 m3/h，右送風量為2000 m3/h

(c) 左送風量為1500 m3/h，右送風量為2500 m3/h

(d) 左送風量為0 m3/h，右送風量為2000 m3/h

對于左、右風機送風量相等的情況，由圖3(a)可知，因為風道幾何結構和送風量均滿足左右對稱，所以氣流組織也體現出很好的左右對稱性.風道中諸多擾流板的整體作用，是防止從兩端風機送風口進入風道的空氣沿風道中心直接流向左右對稱面區域.其中，鉛直寬度較大的擾流板(50 mm)能夠顯著地改變氣流大小和方向，迫使空氣流入兩側的混合腔；而鉛直寬度較小的擾流板(30 mm)雖然能適當降低風速大小，但是對風速方向的影響則比較弱.需要特別指出的是:風道兩端對稱布置的斜擾流板(50 mm) 雖然能夠使氣流向兩側混合腔流動，但是混合腔兩端的斜隔板和這些斜擾流板的綜合作用卻是通過阻礙擠壓氣流，產生較大流速(4.27～6.40 m/s) 的空氣直接流向風道左右對稱面區域.所以，風道兩端(混合腔兩端)附近區域的風速雖然很大，但是流向側面混合腔的速度分量(y軸速度分量)卻相對很小.然而，風道左右對稱面附近的風速雖然很小(0.01～ 2.14 m/s),但是因為左右兩股氣流的碰撞，流向兩側混合腔的速度分量卻相對很大.

對于左、右風機送風量不相等的情況，由圖3(b) 和3(c)可知，氣流碰撞區，即流向兩側混合腔的速度分量相對很大的區域，向小送風量的一端移動，而且左、右送風量差異越大，氣流碰撞區向小送風量一端的偏移量越大.當左送風量為1500 m3/h和右送風量為2000 m3/h時，氣流碰撞區向左偏移約0.5 m (見圖3(b))；而左送風量為1500 m3/h和右送風量為2500 m3/h時，向左偏移近1.5 m(見圖3(c)). 至于風道一端風機故障停機的情況，即左送風量為0 m3/h 和右送風量為2000 m3/h時，右端風機的送風一直流到風道左端，在受到壁面阻礙后，才會大量地向側面混合腔流動(見圖3(d)).

3.2出風均勻性

為了進一步理解風道的出風均勻性，在4種送風量配對工況下風道各出風口出風量如圖4所示.

綜合圖3和4可以看出，左、右風機送風量相等時，因為混合腔兩端的斜隔板和斜擾流板的綜合阻礙和擠壓作用，使得氣流直接流向左右對稱面區域，進入混合腔兩端的空氣較少，所以風道兩端出風口(左1， 2， 3和右1， 2， 3)的出風量相對較小，甚至有些出風口(左1和右1)出風量體現為負值(-25 m3/h)， 這些出風口不僅不能有效地向客室送風，還會吸入部分客室污染空氣.因為左、右送風氣流在對稱面區域發生碰撞后向兩側混合腔流動，所以對稱面附近出風口(左13和右13)的出風量最大(121 m3/h). 最大出風口風量(左13或右13)比平均值高92%，最小出風口風量(左1或右1)比平均值低92%.總體而言，即使左、右送風量相等時，本文所研究風道的送風均勻性仍然有待進一步改善.

圖4　出風量隨出風口位置的變化Fig.4　Dependence of air-out capacity on outlet position

當左、右風機送風量不相等時，由圖3和4可知，因為氣流碰撞區向小送風量一端(左端)偏移，所以最大風量出風口的位置也向小送風量一端(左端)偏移.同時，以最大出風量的風口為界，小送風量一端的其他出風口的出風量均有不同程度的增加，而大送風量一端的其他出風口的出風量均有不同程度的減小.左、右風機送風量差異越大，最大風量出風口的位置向小送風量一端的偏移量越大，最大風量出風口左、右兩端出風口出風量的差異也越大.在左、右送風量極端不對稱情況下，即左端風機停機時，右端風機的送風一直達到風道左端壁面，才會受到壁面阻礙向兩側混合腔流動，所以最大風量出風口是風道最左端的出風口.但是，因為總送風量降為設計風量的50%，風道內平均風速降低，靜壓送風效果增加，出風均勻性略有好轉.總體而言，左、右風機送風量的差異越大，本文所研究這種結構風道的出風均勻性則越惡化；大風量風機提供的送風會體現為小風量風機一端的一些出風口的出風量增加.

4　結　語

本文利用數值模擬方法分析了4種送風量配對工況下C型地鐵列車主風道的出風特征.模擬結果表明，即使左、右兩端風機送風量相等，各出風口風量之間的差異仍然較大，最大出風量風口位于氣流碰撞區.隨著左、右送風量之間差異的增加，出風均勻性進一步惡化，氣流碰撞區向小送風量一端偏移，且大風量風機提供的送風一般體現為小風量風機一端出風口的出風量增加.這種結構風道內風速過大，靜壓送風的作用小，可能是導致出風不均勻的主要原因.

[1] NIEUWENHUIJSEN M J, GOMEZ-PERALES J E, COLVILE R N. Levels of particulate air pollution, its elemental composition, determinants and health effects in metro systems [J]. Atmospheric Environment, 2007, 41(37): 7995-8006.

[2] GRASS D S, ROSS J M, FAMILY F, et al. Airborne particulate metals in the New York City subway: A pilot study to assess the potential for health impacts [J]. Environmental Research, 2010, 110(1):1-11.

[3] 李靜,劉翔翊,甘平勝,等.廣州地鐵3、4號線首通段室內空氣氨和苯濃度監測分析[J].現代預防醫學,2007,34(2)：292-296.

[4] 李若嵐,原國平.地鐵空調衛生學狀況對站臺可吸入氣溶膠粒子濃度影響[J].中國公共衛生管理,2010,26(5)：535-536.

[5] 王書傲,談越明.空調客車均勻送風風道的研制[J].鐵道車輛，1992(8)：112-114.

[6] 陶紅歌.地鐵列車客室送風系統性能優化及列車客室內CO2擴散規律研究[D].武漢:華中科技大學能源與動力工程學院，2011.

[7] 王福軍.計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

Study on Air-Out Uniformity of C Car-Type Metro Vehicle Main Air Duct

WANGYou-jun1,MUGuang-you2,LIYuan-kai3,JIANGHai-ying4

(1. Department of Refrigeration and Air-Conditioning Engineering, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;

2. Department of Design, Shanghai ALSTOM Transport Equipment Co. Ltd., Shanghai 200245, China;

3. Department of Project Management, Shanghai Tongji Project Management and Consulting Co. Ltd.,

Shanghai 200092, China; 4. Construction Management Center, Shandong Electric Power Economic Research Institute,

Jinan 250001, China)

Numerical simulation is carried out to investigate the airflow characteristic and air-out uniformity of C car-type metro vehicle main air supply duct on condition of asymmetrical air supply volumes. The results indicate that the outlets of maximum air-out capacity locate in the collision zone of two portions airflows, and the collision zone shifts to one side of the smaller air supply volume. The larger discrepancy of the two sides air supply volume is, the larger the offset of collision zone, and the worse the air-out uniformity. The air provided by the larger air volume fan will reflect the increasing air-out volumes of outlets located in the side of the smaller air supply volume.

air-out uniformity; asymmetrical air supply volumes; air supply duct; metro vehicle

1671-0444(2015)06-0834-04

2014-07-31

上海海洋大學博士科研啟動基金資助項目(A-2400-12-0000346)

王友君(1980—)，男，山東濟寧人，講師，博士，研究方向為交通環境空氣污染控制. E-mail:wangyoujun@shou.edu.cn

TU 843.3

A