基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的地鐵車(chē)廂氣流性能評(píng)價(jià)分析

宣守旺 曹從詠 周 鵬

（南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，210094，南京∥第一作者，碩士研究生）

乘客對(duì)地鐵空調(diào)舒適性的要求越來(lái)越高。相關(guān)研究表明，良好的氣流組織對(duì)車(chē)廂內(nèi)熱環(huán)境的舒適性有重要影響。近年來(lái)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）越來(lái)越多地應(yīng)用于列車(chē)車(chē)廂內(nèi)氣流性能評(píng)價(jià)分析［1-5］，對(duì)于改善車(chē)廂熱舒適性、提高服務(wù)水平具有重要意義。本文以南京地鐵2號(hào)線某型列車(chē)為研究對(duì)象，運(yùn)用Fluent軟件模擬了夏季地鐵車(chē)廂不同送風(fēng)工況下的空氣流場(chǎng)，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行氣流性能評(píng)價(jià)分析，得出最優(yōu)工況。

1 地鐵車(chē)廂內(nèi)氣流性能評(píng)價(jià)方法

評(píng)價(jià)地鐵車(chē)廂氣流性能時(shí)，需考慮車(chē)廂內(nèi)溫度與速度分布均勻性程度，氣流溫度與速度綜合作用下的人體熱舒適程度，以及氣流組織的能量利用效率。通過(guò)地鐵車(chē)廂氣流性能評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)判氣流組織的好壞［6］。

1.1 均勻性指標(biāo)

不均勻系數(shù)為均勻性指標(biāo)，反映氣流組織的性能，反映溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)分布的均勻性。不均勻系數(shù)可分為溫度不均勻系數(shù)Kt與氣流速度（風(fēng)速）不均勻系數(shù)Ku。

在工作區(qū)取n個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)得測(cè)點(diǎn)i的溫度ti與氣流速度值ui，并分別計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的溫度算術(shù)平均值ti及氣流速度算術(shù)平均值u，則有：

由此得到，車(chē)廂內(nèi)空氣溫度的均方根偏差σt與氣流速度的均方根偏差σu為：

則有：

1.2 空氣分布特性指標(biāo)

空氣分布特性指標(biāo)（IADP）為工作區(qū)內(nèi)有效溫度差在-1.7～1.1℃范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)數(shù)占測(cè)點(diǎn)總數(shù)的百分比。IADP將空氣溫度、氣流速度與人的舒適感三者聯(lián)系起來(lái)，若IADP=100%，表示全室內(nèi)的人員都感到舒適；當(dāng)IADP＞80%時(shí)，則認(rèn)為氣流組織效果滿意；當(dāng)IADP≤ 80%時(shí)，則認(rèn)為有人感到不舒服，可能存在吹風(fēng)感。其計(jì)算公式為：

其中，θ——有效溫度差，反映溫度與速度綜合作用的指標(biāo)，且

θ=（tx-tr）-M（ux-ur）（5）

式中：

tx——測(cè)點(diǎn)x的空氣溫度；

ux——測(cè)點(diǎn)x的氣流速度；

tr——給定的室內(nèi)溫度，取27℃；

ur——停滯區(qū)氣流速度，取0.15 m/s；

M——單位氣流速度效應(yīng)相當(dāng)?shù)臏囟戎担话銥?7.66 ℃/（m/s）。

1.3 能量利用系數(shù)

能量利用系數(shù)η可用來(lái)評(píng)價(jià)氣流組織的能量利用有效性，η越高表明能量利用越充分。計(jì)算式為：

式中：

tp——排風(fēng)溫度；

tn——工作區(qū)平均溫度；

t0——送風(fēng)溫度。

2 地鐵車(chē)廂流場(chǎng)模擬計(jì)算與方法

本文運(yùn)用Fluent軟件對(duì)車(chē)廂空氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用基于壓力隱式穩(wěn)態(tài)求解器，選取k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型模擬空氣三維湍流流動(dòng)。

2.1 物理模型

以南京地鐵2號(hào)線某型列車(chē)一節(jié)車(chē)廂為樣本，建立車(chē)廂物理模型。X方向?yàn)檐?chē)長(zhǎng)方向，Y方向?yàn)檐?chē)寬方向，Z方向?yàn)檐?chē)高方向。車(chē)廂長(zhǎng)24.50 m，寬2.80 m，以地板為基準(zhǔn)的頂板高度為2.12 m。車(chē)廂內(nèi)有58個(gè)座椅，頂板上設(shè)有送風(fēng)口和回風(fēng)口，側(cè)墻上設(shè)有排風(fēng)口、車(chē)門(mén)和車(chē)窗。為模擬地鐵車(chē)廂滿載工況下的空氣流動(dòng)，在車(chē)廂內(nèi)添加簡(jiǎn)化的乘客模型。乘客定員292人，有站立姿勢(shì)和坐態(tài)。其中，站立乘客234人，坐態(tài)乘客58人，站立乘客平均身高為1.70 m，坐態(tài)乘客平均身高為1.26 m。物理模型如圖1所示。送風(fēng)口、回風(fēng)口、排風(fēng)口的尺寸、數(shù)量和位置見(jiàn)表1。

圖1 地鐵列車(chē)車(chē)廂物理模型

表1 各風(fēng)口設(shè)置參數(shù)表

2個(gè)空調(diào)機(jī)組產(chǎn)生的冷風(fēng)通過(guò)送風(fēng)道從車(chē)廂頂板的送風(fēng)口送入車(chē)廂內(nèi).冷熱空氣經(jīng)過(guò)持續(xù)的熱濕交換進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，一部分混合空氣通過(guò)頂板上的回風(fēng)口返回空調(diào)機(jī)組，重新制冷后再循環(huán)利用，另一部分混合空氣通過(guò)設(shè)置在座椅下方的排風(fēng)口排向外界。為了向車(chē)廂內(nèi)補(bǔ)充新鮮空氣，空調(diào)機(jī)組正常工作時(shí)不斷吸入外界新風(fēng)，相應(yīng)的氣流組織示意圖如圖2所示。

圖2 列車(chē)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)氣流組織示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分

本文研究的計(jì)算域是車(chē)廂內(nèi)除去座椅和乘客所占空間的其他所有空氣流動(dòng)區(qū)域。使用ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，即四面體網(wǎng)格和近壁面處的邊界層三棱柱網(wǎng)格。在風(fēng)口等部位采用較小尺寸的網(wǎng)格單元，在乘客區(qū)域采用較大尺寸的網(wǎng)格單元，以實(shí)現(xiàn)較好的疏密過(guò)渡。四面體網(wǎng)格數(shù)量為3 035 850，三棱柱網(wǎng)格數(shù)量為588 840，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為892 827。

2.3 初始條件與邊界條件

GB 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（文獻(xiàn)［7］）中規(guī)定：“夏季單節(jié)地鐵列車(chē)的單個(gè)空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)量不少于4 000 m3/h，且新風(fēng)量須滿足每人12.6 m3/h的要求。”本文考慮了6種送風(fēng)工況（如表2所示），其中送風(fēng)角度即送風(fēng)風(fēng)向與豎直方向的夾角。

表2 送風(fēng)工況參數(shù)表

邊界條件設(shè)置如下：

（1）送風(fēng)口邊界條件：送風(fēng)溫度為18℃（291 K），送風(fēng)速度根據(jù)各工況的送風(fēng)量及送風(fēng)角度，以及送風(fēng)口尺寸計(jì)算可得。

（2）回風(fēng)口邊界條件：工況一、二、三的回風(fēng)量為5 900 m3/h，回風(fēng)速度為2.134 m/s；工況四、五、六的回風(fēng)量為7 900 m3/h，回風(fēng)速度為2.857 m/s。方向均為Z軸正向。

（3）排風(fēng)口邊界條件：自由出流邊界。

（4）車(chē)體壁面邊界條件：壁面處默認(rèn)為無(wú)滑移；車(chē)體側(cè)墻、車(chē)窗和車(chē)門(mén)采取第三類(lèi)邊界條件，傳熱系數(shù)分別為 2.5 W/（m2·K）、3.1 W/（m2·K）、4.6 W/（m2·K）；外界空氣溫度為 35 ℃（308 K），車(chē)廂兩端、車(chē)頂、車(chē)底和座椅視為絕熱壁面。

（5）室內(nèi)熱源邊界條件：將乘客人體散熱簡(jiǎn)化為室內(nèi)熱源項(xiàng)，設(shè)為第一類(lèi)邊界條件，其溫度為36℃（309 K）。

3 模擬結(jié)果及氣流性能評(píng)價(jià)分析

3.1 監(jiān)測(cè)斷面與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取

在車(chē)輛長(zhǎng)度方向（X軸）選取有代表性的斷面，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)斷面位置示意圖

在每個(gè)斷面內(nèi)選取20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，距車(chē)內(nèi)地板的高度分別為0.1 m、0.5 m、1.2 m和1.7 m，即對(duì)應(yīng)于乘客的腳部、膝部、坐下和站立時(shí)的頭部等位置，如圖4所示。

圖4 各監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

由于乘客模型不是均勻?qū)R擺放的，因此斷面中的人形出現(xiàn)缺頭或缺腿的情況是正常的。

3.2 模擬結(jié)果分析

運(yùn)用Fluent軟件分別對(duì)6種送風(fēng)工況的空氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算完畢后讀取并統(tǒng)計(jì)60個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度與氣流速度值。

根據(jù)GB/T 12817—1991《鐵道客車(chē)通用技術(shù)條件》及國(guó)際鐵路聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《UIC 553客車(chē)通風(fēng)采暖和空調(diào)》等資料，夏季車(chē)廂內(nèi)空氣的適宜溫度范圍為24～28℃（297～301 K），適宜微風(fēng)速范圍為0.07～0.35 m/s。在上述范圍內(nèi)，溫度越低、風(fēng)速越大，乘客熱舒適性越好。但站立乘客頭部位置風(fēng)速若超過(guò)0.7 m/s，則乘客會(huì)有強(qiáng)烈的吹風(fēng)感。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，在60個(gè)測(cè)點(diǎn)中，各工況滿足適宜溫度、適宜微風(fēng)速的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)如表3所示，并且所有工況均不存在風(fēng)速超過(guò)0.7 m/s的測(cè)點(diǎn)。

由表3可以看出，工況三的適宜溫度測(cè)點(diǎn)最多，工況六的適宜微風(fēng)速測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)最多。

表3 各工況滿足適宜溫度、微風(fēng)速范圍的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)

統(tǒng)計(jì)位于同一高度測(cè)點(diǎn)的溫度及速度值得到平 均溫度及平均風(fēng)速情況分別如表4及表5所示。

表4 各工況4個(gè)高度的平均溫度

表5 各工況4個(gè)高度的平均風(fēng)速

由表4及表5可以發(fā)現(xiàn)，各種工況下，隨著測(cè)點(diǎn)高度從高到低變化，相應(yīng)的平均溫度遞增變化，平均風(fēng)速遞減變化。

根據(jù)適宜溫度范圍與適宜微風(fēng)速范圍可以發(fā)現(xiàn)，工況六有2個(gè)高度的溫度最佳，1個(gè)高度的風(fēng)速最佳，在各工況中表現(xiàn)最好。需要指出的是，雖然所有工況在站立乘客頭部高度的空氣平均溫度均低于適宜溫度的最低值297 K，但工況三和工況六較其他工況更接近適宜溫度。這是由于工況三、六的送風(fēng)角度較大，對(duì)站立乘客頭部高度的影響較小。而工況四、五、六在這一高度的平均風(fēng)速均略高于適宜微風(fēng)速的最大值0.35 m/s，這是由于工況四、五、六送風(fēng)量較大。此外，所有工況在乘客腳部高度的平均風(fēng)速均低于適宜微風(fēng)速的最小值0.07 m/s，說(shuō)明這一高度的空氣流通性比較差。

3.3 車(chē)廂氣流性能評(píng)價(jià)分析

由于車(chē)廂氣流性能受很多因素影響，本文選取了空氣分布特性指標(biāo)IAPP、能量利用系數(shù)、溫度不均勻系數(shù)Kt與風(fēng)速不均勻系數(shù)Ku作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，各工況指標(biāo)比較見(jiàn)表6。

表6 各工況氣流性能指標(biāo)比較

由IAPP數(shù)據(jù)可以看出，所有工況的空氣分布特性指標(biāo)都比較低，位于30%～40%范圍內(nèi)，明顯低于80%。表4及表5表明車(chē)廂內(nèi)從高到低的溫度及風(fēng)速波動(dòng)較大，其中站立乘客頭部高度的溫度偏低、風(fēng)速偏大，乘客腳部高度的風(fēng)速極小。這是致使IAPP值較低的重要原因。造成這一現(xiàn)象的根本原因是地鐵車(chē)廂自身的結(jié)構(gòu)限制以及車(chē)室內(nèi)人員密度大。

由上述數(shù)據(jù)可以看出，只有工況六的能量利用系數(shù)大于1。這說(shuō)明工況六的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最好，其能量得到了充分利用。

由Kt可以看出，工況六的Kt值最小，溫度分布最均勻。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：提高送風(fēng)量可較明顯地降低Kt值；而增大送風(fēng)角度也可明顯降低Kt值，并且送風(fēng)角度從45°增至60°時(shí)的Kt值降幅比從30°增至45°時(shí)的Kt值降幅大。

由Ku可以看出，工況二的Ku值最小，風(fēng)速分布最均勻。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，提高送風(fēng)量使Ku值明顯升高，而改變送風(fēng)角度對(duì)于Ku值的影響很小。

通過(guò)以上對(duì)6種不同送風(fēng)工況下車(chē)廂溫度、風(fēng)速及氣流性能指標(biāo)對(duì)比分析可以看出：不同工況各有優(yōu)勢(shì)，最優(yōu)工況的各項(xiàng)指標(biāo)并非都是最好的。由綜合對(duì)比可見(jiàn)，工況六（送風(fēng)量為12 000 m3/h，送風(fēng)角度為60°）是最理想的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用Fluent軟件模擬分析了不同送風(fēng)工況（送風(fēng)量和送風(fēng)角度）對(duì)車(chē)廂內(nèi)溫度、速度及氣流性能的影響。模擬結(jié)果表明，在6種工況中，送風(fēng)量12 000 m3/h、送風(fēng)角度60°的送風(fēng)工況是最優(yōu)工況，其氣流性能較其他工況更好。基于CFD的流場(chǎng)模擬可作為一種有效手段應(yīng)用于地鐵車(chē)廂通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化中，從而有效提高地鐵車(chē)廂的熱舒適性與節(jié)能性。

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