地鐵車輛不同送風格柵的車內氣流仿真分析

（中車長春軌道客車股份有限公司工程實驗室，130062，長春∥第一作者，工程師）

地鐵車輛不同送風格柵的車內氣流仿真分析

王常宇 王云霄 夏春晶

（中車長春軌道客車股份有限公司工程實驗室，130062，長春∥第一作者，工程師）

依據某地鐵車輛車廂中部垂直截面的實際尺寸和布局建立物理模型，對3種送風格柵的車內氣流分布從速度場、溫度場和壓力場方面進行仿真對比分析，確定送風格柵最優類型，以使車內送風均勻性更好，乘客舒適性得到提高。

地鐵車輛；送風格柵；氣流分布；仿真分析

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

隨著人民生活水平的提高，地鐵車輛運行時乘客在車廂內的舒適性問題也變得備受關注，如車廂內空氣流動與溫度問題就是其中之一。地鐵空調送風格柵能通過改變送風方向影響車內送風均勻性，因此，送風格柵是影響車內氣流分布的重要因素之一。

本文就某城市地鐵車輛的空調系統在3種送風格柵類型下的車內氣流分布進行仿真對比分析，給出了各種送風格柵類型下車內氣流速度場、溫度場和壓力場的對比分析結果，從而確定最優送風格柵類型。最優送風格柵類型能使車內氣流分布更加均勻，乘客舒適性得到提高。

1 物理模型

依據某地鐵車輛車廂中部垂直截面的實際尺寸和布局建立車內氣流物理模型。所建模型在空載條件下截面尺寸為2 263mm×2 748mm，車廂頂部兩側為送風格柵口。由于實際列車的回風口設置在車廂兩端的頂部，回風氣流分散于整節車廂時對車廂中部區域影響很小，且車內流場主要由送風射流決定，回風口位置對其影響較小，因此，二維模型計算時對回風口進行了簡化處理，即將列車座椅底部設置為回風口，且回風口氣流速度低于0．5m／s，不影響車內的氣流分布，另外還忽略了車內扶手。簡化后的模型以水平方向為X軸，垂直方向為Y軸，如圖1所示。不同送風格柵形式如圖2所示。

圖1 車廂截面及送風格柵模型

2 車內氣流分布仿真分析

2．1 模型網格劃分

采用三角形形式對模型進行網格劃分，送風格柵口和回風口進行了局部加密處理。3種不同格柵送風形式的網格數量約48萬個，網格質量均達0．8以上（1表示最高質量），可以保證計算精度。部分網格劃分如圖3、4、5所示。

圖2 3種送風格柵類形

圖3 車廂截面網格圖

圖4 送風格柵網格放大圖

圖5 回風口網格放大圖

2．2 邊界條件和模型設置

邊界條件包括流體邊界條件和壁面邊界條件。

（1）送風格柵口設置為速度入口邊界條件，依據送風道氣流計算結果，設：送風速度為0．622 m／s，溫度為16℃。

（2）座椅底部的回風口設置為壓力出口邊界條件，壓力值設為0Pa。

（3）列車室內各壁面邊界條件均采用第一類邊界條件，設：側墻壁溫度為30℃，地板溫度為26℃，頂板溫度為29℃。

計算模型設置如表1所示。

表1 計算模型設置

3 仿真分析結果

經模擬計算達到收斂，質量和能量的不平衡率均小于計算區進口總質量和總能量的1%。

經計算結果統計，座位區1．2m高度處和中間乘客站立區1．7m高度處的平均風速v與溫度T如表2所示（高度位置如圖6所示）。

表2 車廂不同區域平均風速與溫度

圖6 1＃送風格柵車內風速示意圖

由表2可知，座位區和乘客站立區平均風速都小于0．35m／s，均滿足TB 1951—1987標準中的規定。對3種送風格柵所形成的車內氣流分布比較可知：對于座位區，3＃送風格柵風速最低，僅0．01 m／s，接近靜止，送風溫度最高，1＃送風格柵風速相對較高，為0．34m／s，送風溫度最低，會存在些許冷感；對于乘客站立區，3種送風格柵平均風速與平均溫度相差不大，1＃與2＃送風格柵的風速稍小，約0．16m／s，舒適性效果較好。

圖6、7、8分別為3種送風格柵計算區域的風速大小示意圖。由圖可以看出，送風氣流從送風格柵處以一定速度噴射，并沿著格柵擋板方向運動，形成兩股分開的氣流，并逐步與車廂內氣流摻混，混合程度較高。1＃與2＃送風格柵的氣流由出口分成兩股后在高度約2m的位置匯合，共同向中部流動。3＃格柵形成的兩股氣流中靠近車壁的氣流由于車內空氣阻力，速度快速降低并與空氣充分混合。3＃格柵形成的氣流風速較1＃與2＃格柵降低得更快，且氣流混合更充分，車內氣流均勻性更好。

圖7 2＃送風格柵車內風速示意圖

圖8 3＃送風格柵車內風速示意圖

圖9 、10、11分別為3種送風格柵計算區域的風速標記跡線圖。由圖可明顯看出送風氣流的運動軌跡，1＃與2＃格柵引起的乘客站立區吹風感更強烈，舒適感較3＃送風格柵稍差。

圖9 1＃送風格柵車內風速標記跡線圖

圖10 2＃送風格柵車內風速標記跡線圖

圖11 3＃送風格柵車內風速標記跡線圖

圖12 、13、14為分別為3種送風格柵計算區域的壓力云圖。從圖中可以看出車廂內部壓力基本均勻，接近0Pa，且均在0．2Pa范圍內變化。1＃送風格柵形成的車內氣流在乘客座位區前部形成了局部負壓，2＃和3＃送風格柵形成的車內氣流壓力更均勻。

圖12 1＃送風格柵的車內氣壓示意圖

圖15 、16、17分別為3種送風格柵計算區域的溫度云圖。由圖可看出送風氣流能與車內氣流充分摻混。就整個車廂截面而言，由于格柵擋板偏角的存在，使得部分送風氣流入射至中間區域，形成車內局部低溫區，其中1＃格柵形成的效果最明顯，3＃格柵形成的車內氣流溫度更均勻，舒適性更優。1＃格柵的座位區1．2m高處與站立區1．7m高處的最大溫差分別約為0．7℃和1．5℃，3＃格柵的座位區1．2m高處與站立區1．7m高處的最大溫差分別約為2．1℃和1．3℃。3種格柵形成的乘客座位區和站立區氣流溫差都在3℃以內，均滿足標準要求。

圖13 2＃送風格柵的車內氣壓示意圖

圖14 3＃送風格柵的車內氣壓示意圖

圖15 1＃送風格柵的車內溫度示意圖

4 結語

圖16 2＃送風格柵的車內溫度示意圖

圖17 3＃送風格柵的車內溫度示意圖

對地鐵空載條件下的3種送風格柵形成的車內中部截面氣流分布進行了仿真計算，并對車內速度場、溫度場及壓力場進行了對比分析。計算與分析結果表明：1＃送風格柵形成的車內氣流分布均勻性稍差，局部存在冷感區，且1＃與2＃格柵引起的乘客站立區吹風感稍強烈；3＃送風格柵的送風氣流與車內氣流摻混程度較高，形成的車內氣流分布更均勻，座位區1．2m高度處和乘客站立區1．7m高度處的氣流平均速度及平均溫度均較適宜，形成的車內舒適性更優。因此，車輛設計時應選取3＃送風格柵方案，但該類型的送風格柵仍需通過整車試驗測試，檢驗其送風均勻性效果。

［1］ 于淼，王東屏，襲望，等．地鐵車空調風道及車室內氣流組織數值分析［J］．大連交通大學學報，2014，35（2）：17．

［2］ 張慧中，王宗昌，劉紹禹．地鐵車輛空調系統車內出風格柵形式研究［J］．科技創新與應用，2014（7）：9．

Simulation of Airflow Distribution in Metro Vehicles with Different Air Supply Grilles

WANG Changyu，WANG Yunxiao，XIA Chunjing

A physical model is established based on the actual size and layout of the vertical section of the central compartment on metro train，to compare and analyse the airflow distribution in three different air supply grilles，which are simulated in the velocity field，temperature field and pressure field respectively．Then，an optimal scheme of the air supply grille is determined，which chould achieve better air supply uniformity and provide an important theoretical basis for the improvement of passenger′s comfort．

metro vehicle；air supply grilles；airflow distribution；simulation analysis

U270．38＋3

10．16037／j．1007－869x．2017．02．009

2016－09－25）