上海地鐵2號(hào)線車廂氣流組織分析

郝勝男， 于鳳嬌， 鄭學(xué)林

(上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

隨著城市化水平的不斷提高，交通運(yùn)輸方式一直在向著快捷、方便、經(jīng)濟(jì)和安全的方向發(fā)展[1]。軌道交通作為一種現(xiàn)代化交通工具，由于其運(yùn)輸量大、速度快、環(huán)境污染小、乘坐方便和安全舒適等特點(diǎn)常被稱為“綠色交通”[2-3]。快節(jié)奏的都市生活使得地鐵成為公共交通最為重要的角色，人們對(duì)地鐵車廂環(huán)境的要求也日漸提高。目前，影響地鐵車廂環(huán)境的主要因素有溫度、風(fēng)速等。地鐵車輛大多在地下隧道行駛或者在地上地下交替行駛。當(dāng)列車頭部或者尾部進(jìn)入隧道時(shí)，由于受到隧道壁面的限制,列車周圍產(chǎn)生不穩(wěn)定流動(dòng)[4]，從而影響車廂內(nèi)的送風(fēng)溫度及送風(fēng)速度。故本文從送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度和客流密度的角度出發(fā)，對(duì)地鐵車廂環(huán)境進(jìn)行研究。首先實(shí)地調(diào)研地鐵運(yùn)行過程中車廂內(nèi)的溫度、風(fēng)速情況，將實(shí)測(cè)得到的溫度和風(fēng)速作為CFD[5]設(shè)定邊界條件的基礎(chǔ)。然后將模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較[6]，控制兩者的誤差在合理的范圍內(nèi)。最后驗(yàn)證物理模型和數(shù)學(xué)模型的可靠性。以此為基礎(chǔ)采用數(shù)值模擬的方法通過調(diào)整送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度和客流密度模擬地鐵車廂流場(chǎng)情況，對(duì)各種工況下的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而得到滿足人體舒適度的最佳送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度。

1 測(cè)試方法及結(jié)果

在夏季最熱工況下測(cè)試了上海地鐵2號(hào)線車廂內(nèi)的溫度和風(fēng)速，使用的測(cè)試儀器為“天建華儀WFWZY-1”手持式萬向風(fēng)速風(fēng)溫記錄儀。每節(jié)車廂內(nèi)均布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)。參考UIC553[7]中的規(guī)定(溫度測(cè)點(diǎn)距地板面高0.1 m、0.6 m、1.0 m、1.1 m和1.7 m)，同時(shí)考慮到地鐵車廂內(nèi)裝和人均身高，將測(cè)點(diǎn)位置設(shè)置在距地板面高0.5 m、1.1 m、1.7 m、2.0 m處和回風(fēng)口處，各測(cè)點(diǎn)位置與人體部位的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置見圖1。

表1 溫度測(cè)點(diǎn)與人體部位的對(duì)應(yīng)關(guān)系

測(cè)試車廂內(nèi)不同高度處的平均溫度，每45 min計(jì)算一次同一高度上所有測(cè)點(diǎn)的溫度平均值，作出相應(yīng)折線圖,見圖2。

注:標(biāo)號(hào)1.7-1表示測(cè)點(diǎn)高度為1.7 m，記錄儀編號(hào)為1號(hào)；其他標(biāo)號(hào)意義依此類推

圖1上海地鐵2號(hào)線車廂內(nèi)溫度、風(fēng)速測(cè)點(diǎn)布置

圖2 不同高度處溫度平均值折線圖

由圖2可知:車廂內(nèi)溫度基本保持在22～25 ℃范圍內(nèi);溫度最高值出現(xiàn)在晚高峰時(shí)段，0.5 m高處在17:15—18:00時(shí)段的溫度平均值達(dá)到24.5 ℃;溫度最低值出現(xiàn)在非高峰時(shí)段10:30—11:15，1.7 m高處溫度平均值降至22 ℃;站姿乘客頭部平均高度(即1.7 m)處溫度平均值在22.5～23 ℃范圍內(nèi)，溫度最高值出現(xiàn)在晚高峰時(shí)段17:15—18:00。

由圖2還可以明顯看出車廂內(nèi)溫度有明顯的分層現(xiàn)象，1.7 m高處與1.1 m高處有1 ℃左右的平均溫差。這是由于車廂內(nèi)乘客阻礙了上送上回的氣流。送風(fēng)能夠有效到達(dá)1.7 m以上區(qū)域，但在1.1 m以下區(qū)域氣流受人體阻擋，人體散發(fā)的熱量在此區(qū)域堆積，導(dǎo)致此區(qū)域溫度升高。

根據(jù)舒適度要求,空調(diào)的平均溫度應(yīng)為23～28 ℃[8]。因此,上海地鐵2號(hào)線車廂溫度在夏季是滿足人體舒適度要求的，只是在與地板垂直的方向上的溫度有輕微分層現(xiàn)象，車廂內(nèi)越接近地面溫度越高。

在本次測(cè)試中2 m高處(送風(fēng)口位置)平均送風(fēng)速度為1.53 m/s，送風(fēng)溫度為20 ℃。根據(jù)溫度、風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模擬2號(hào)線車廂氣流組織。

2 模型建立及網(wǎng)格劃分

以上海地鐵2號(hào)線列車B型車作為研究對(duì)象。該車總長(zhǎng)為19 800 mm，凈寬為2 800 mm，凈高為2 100 mm；送風(fēng)量為9 000 m3/h，送風(fēng)口分別設(shè)置在列車左、右兩側(cè)，尺寸為10 mm×19 048 mm，風(fēng)口下方的導(dǎo)流板可將風(fēng)引向車廂兩側(cè)；每節(jié)車廂共有2個(gè)回風(fēng)口，設(shè)置在車廂頂部；每個(gè)機(jī)組下方布置1個(gè)回風(fēng)口，尺寸為410 mm×308 mm；全車共有4個(gè)廢排風(fēng)口，分別設(shè)置在車頂兩端[9]。

圖3為列車車廂簡(jiǎn)化模型。為獲得較好的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格對(duì)車廂模型進(jìn)行離散化處理。經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終獲得最匹配的網(wǎng)格尺寸，其中最小尺寸為2 mm，最大尺寸為85 mm，整體網(wǎng)格質(zhì)量大于0.27。為加快計(jì)算速度，取半個(gè)車廂作為研究對(duì)象。

圖3 列車車廂簡(jiǎn)化模型

3 數(shù)值模擬方法

采用RNGk-ε湍流模型。這個(gè)模型通過大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的黏度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度運(yùn)動(dòng)的影響，從而將這些小尺度運(yùn)動(dòng)從控制方程中去除[10]。

αk=αε=1.39

η0=4.377,β=0.012,η=Sk/ε

C2ε=1.68

采用RNGk-ε湍流模型可以更好地處理高應(yīng)變率和流線彎曲程度較大的流動(dòng)[11]。鑒于基于雷諾平均Navier-Stokes方程(RANS)的CFD模擬在研究列車車廂內(nèi)的氣流分布上已有不少成功的算例,本文采用SIMPLE算法、二階迎風(fēng)(second order upwind)差分離散格式和Standard壓力插值格式。為計(jì)算方便作以下假設(shè)：(1)室內(nèi)空氣為不可壓縮流體;(2)流體具有高雷諾數(shù)且黏性保持一致;(3)湍流流動(dòng)為穩(wěn)態(tài);(4)車廂封閉性較好，不考慮漏風(fēng)和外界壓力變化產(chǎn)生的穿堂風(fēng)影響。

4 邊界條件

送風(fēng)口采用速度入口(velocity-inlet)邊界條件，送風(fēng)溫度分別設(shè)定為17 ℃和20 ℃,送風(fēng)速度取值范圍為1～3 m/s，此處選擇2號(hào)線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)1.53 m/s和送風(fēng)速度取值范圍的中間值2.0 m/s。

計(jì)算模型的出口為車廂內(nèi)回風(fēng)口和廢排風(fēng)口。回風(fēng)口采用速度入口邊界條件，風(fēng)速方向垂直于風(fēng)口向外,將車廂內(nèi)部分空氣送回到空調(diào)機(jī)組，經(jīng)計(jì)算得回風(fēng)口風(fēng)速為1.6 m/s。廢排風(fēng)口采用壓力出口(pressure-outlet)邊界條件，根據(jù)一般列車車廂內(nèi)壓力規(guī)律，設(shè)定廢排風(fēng)口壓力值為50 Pa。

車體固體壁面主要為車身，包括車壁、車窗和車門等部件。模擬工況為地下隧道，因此無須考慮太陽輻射的影響，車壁、車窗和車門使用第3類邊界條件；根據(jù)列車運(yùn)行規(guī)律，設(shè)置車廂兩端非門位置、車廂地板和天花板均為均熱邊界條件，不參與對(duì)流換熱；當(dāng)列車運(yùn)行時(shí),其外表面換熱系數(shù)可參照《客車空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)》進(jìn)行計(jì)算，車壁、車窗、車門的換熱系數(shù)分別為2.4、3.1、4.6 W/(m2·K)。車廂端部連接前車廂，故在Fluent中設(shè)置連接面為symmetry；實(shí)際上只計(jì)算以車廂縱向豎直中剖面為分界劃分的車廂的一半，因此該中剖面也設(shè)置為symmetry。2017年7月上海平均溫度為35 ℃，因此以35 ℃作為外界空氣溫度。壁面?zhèn)鳠嵩O(shè)置為Mixed邊界條件，在車廂內(nèi)建立人體模型，設(shè)定人體散熱邊界條件，將熱流量加載到人體模型表面。在室溫為20～25 ℃的條件下，單個(gè)人體散熱量取78 W[12]。

5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算共設(shè)有8個(gè)工況,均考慮人員散熱對(duì)車廂氣流組織的影響。工況1：送風(fēng)溫度20 ℃，送風(fēng)速度1.53 m/s,滿載。工況2：送風(fēng)溫度20 ℃,送風(fēng)速度2 m/s,滿載。工況3:送風(fēng)溫度17 ℃，送風(fēng)速度1.53 m/s,滿載。工況4：送風(fēng)溫度17 ℃，送風(fēng)速度2 m/s,滿載。工況5:送風(fēng)溫度20 ℃,送風(fēng)速度1.53 m/s,超載。工況6：送風(fēng)溫度20 ℃，送風(fēng)速度2 m/s,超載。工況7:送風(fēng)溫度17 ℃，送風(fēng)速度1.53 m/s,超載。工況8：送風(fēng)溫度17 ℃，送風(fēng)速度2 m/s,超載。各工況中:滿載指座位上全部坐滿乘客,無站立乘客;超載指座位上全部坐滿乘客,站立區(qū)也站滿乘客。為更直觀地展示和比較各個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果，特選取部分典型截面進(jìn)行分析，截面具體信息見表2。

表2 典型截面信息

根據(jù)2017年7月上海室外平均溫度35 ℃對(duì)送風(fēng)溫度作相應(yīng)的調(diào)整。圖4～7分別為在送風(fēng)溫度20 ℃、送風(fēng)速度1.53 m/s的條件下滿載和超載時(shí)地鐵車廂內(nèi)的溫度分布。

圖4 滿載時(shí)送風(fēng)口處的溫度分布

圖5 滿載時(shí)1.1 m高處的溫度分布

圖6 超載時(shí)送風(fēng)口處的溫度分布

圖7 超載時(shí)1.1 m高處的溫度分布

列車滿載時(shí)車廂內(nèi)溫度較空載時(shí)有明顯上升，溫度最高處在乘客身體附近，達(dá)到37 ℃左右，符合人體正常體溫規(guī)律；列車壁面因受外界熱流影響其溫度也達(dá)到了30 ℃左右。從各云圖看，乘客的存在對(duì)溫度場(chǎng)的均勻性產(chǎn)生了一定影響。隨著乘客人數(shù)的繼續(xù)增加，車廂內(nèi)溫度進(jìn)一步升高。乘客密度增大，人體輻射的熱量增多，造成人體附近的溫度進(jìn)一步升高，最高溫度大約為38 ℃。在此種送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度條件下車廂內(nèi)溫度明顯過高，乘客密度對(duì)溫度場(chǎng)均勻性產(chǎn)生了較大影響。

圖8～11分別為在送風(fēng)溫度20 ℃、送風(fēng)速度1.53 m/s的條件下滿載和超載時(shí)車廂內(nèi)的風(fēng)速分布。

圖8 滿載時(shí)送風(fēng)口處的風(fēng)速分布

圖9 滿載時(shí)1.1 m高處的風(fēng)速分布

圖10 超載時(shí)送風(fēng)口處的風(fēng)速分布

圖11 超載時(shí)1.1 m高處的風(fēng)速分布

隨著客流密度的增大，尤其是在站立區(qū)乘客較多時(shí)，不同位置的風(fēng)速大小區(qū)別較為明顯，即風(fēng)速不均勻度增大，造成有的乘客冷感強(qiáng)烈，而有的乘客熱感強(qiáng)烈。同樣,因人數(shù)增多，從頂部吹出的風(fēng)受到阻礙，難以達(dá)到車廂下部(即座位區(qū))。

下面利用預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià)(predicted mean vote,PMV)值[13]評(píng)價(jià)人體舒適度[14]。表3是通過主觀感覺試驗(yàn)確定出的絕大多數(shù)人的熱感覺分級(jí)。

表3 熱感覺分級(jí)

分別計(jì)算8種工況下的PMV值，分析8種工況下的熱感覺等級(jí)，從而找出上海地鐵2號(hào)線滿載和超載情況下最佳的送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度。圖12為各工況下車廂不同高度處的PMV值。

圖12 各工況下車廂不同高度處PMV值

從圖12中可以看出:工況1和8的PMV值范圍為0～0.6，在所有工況中舒適度最優(yōu)，熱感覺介于微暖與適中之間;工況3和4的PMV值范圍為-2～-0.2，熱感覺介于適中與涼之間，偏涼;工況2、6和7的PMV值范圍為0.7～1.85，熱感覺處于適中與暖之間,偏暖;工況5的PMV值超過2,舒適度較差。因此可以得到:列車滿載時(shí)最佳送風(fēng)溫度為20 ℃，最佳送風(fēng)速度為1.53 m/s;列車超載時(shí)最佳送風(fēng)溫度為17 ℃，最佳送風(fēng)速度為2 m/s。

6 結(jié) 論

上海地鐵2號(hào)線車廂內(nèi)溫度和風(fēng)速的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,晚高峰時(shí)段車廂內(nèi)溫度上升，在與地板垂直的方向上有明顯的分層現(xiàn)象，這是由于上送上回的氣流受到了車廂內(nèi)人員阻礙。在0.5 m以下區(qū)域風(fēng)流受人體阻擋嚴(yán)重，會(huì)造成人體發(fā)熱量堆積，溫度增高。

對(duì)比在送風(fēng)溫度20 ℃、送風(fēng)速度1.53 m/s條件下滿載和超載兩種工況的溫度分布和風(fēng)速分布可知:隨著客流密度的增大，車廂流場(chǎng)的不均勻性不斷增強(qiáng),車廂溫度和人體表面溫度均升高;由于0.5 m以下區(qū)域氣流受到人體阻礙，溫度偏高,座位上的乘客舒適度較差。

綜合考慮送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度的影響，對(duì)照文獻(xiàn)[7]中滿足人體舒適度的最大速度表可得:在送風(fēng)溫度為20 ℃、送風(fēng)速度為1.53 m/s、滿載時(shí)，車廂內(nèi)平均溫度為23.6 ℃；PMV值范圍為0～0.6，熱感覺介于微暖與適中之間；1.1 m高處的平均風(fēng)速為0.15 m/s,風(fēng)感不強(qiáng)，滿足舒適度要求。在送風(fēng)溫度為17 ℃、送風(fēng)速度為2 m/s、超載時(shí)，車廂內(nèi)平均溫度為22.8 ℃；PMV值范圍為0～0.6，熱感覺介于微暖與適中之間。送風(fēng)溫度17 ℃、送風(fēng)速度2 m/s是超載情況下最理想的送風(fēng)參數(shù)。

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