探究風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化對地鐵車室內(nèi)氣流組織均勻性影響

劉晶

摘?要：隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，城市化的進一步集中，城市交通中的地鐵已經(jīng)成為了現(xiàn)代交通的重要工具。其中，空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的好壞直接影響著城市地鐵乘客的舒適程度，同時也是地鐵車輛中最為重要的子系統(tǒng)之一，而空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)道結(jié)構(gòu)的均勻性，在很大程度上決定著乘客的熱舒適性。因此，本文對風(fēng)道結(jié)構(gòu)通風(fēng)量因素的內(nèi)部配置，新鮮空氣入口條件，內(nèi)部空氣出口條件做了一定的研究，通過改變進口速度、出口位置，從而優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)，改進室內(nèi)組織的均勻性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)道結(jié)構(gòu);均勻性;出口位置;熱舒適性

1 緒論

地鐵車廂由金屬制成，沒有可打開的窗戶，因此安裝了機械通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)以供應(yīng)新鮮空氣并提供熱舒適的環(huán)境。在地鐵運營期間，室內(nèi)的溫度應(yīng)該保持在合理的溫度范圍之內(nèi)，而保持這種溫度的關(guān)鍵措施是通過采暖以及空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)的，其中，通過HVAC系統(tǒng)，可以實現(xiàn)跨腔邊界交換空氣。對于以乘客舒適性為主要要求的空調(diào)系統(tǒng)，在很大程度上取決于風(fēng)道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其均勻性是是否能滿足乘客的舒適性要求。

2 風(fēng)道結(jié)構(gòu)中的通風(fēng)道口

2.1 幾何模型

當前的研究采用了一種特殊類型的地鐵中間車，其中包括一個乘客車廂，兩個通道，一個HVAC系統(tǒng)和一個風(fēng)道系統(tǒng)[2]。其中，空調(diào)系統(tǒng)位于地鐵車廂內(nèi)的頂部，在乘客艙內(nèi)布置的每一個空調(diào)都設(shè)置有一個入口以及兩個出口，對于HVAC系統(tǒng)的是數(shù)值模擬系統(tǒng)，可以采用速度入口以及出口邊界的方法，從而能夠有效的替代實際模型。

2.2 網(wǎng)格和邊界條件

當選擇采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行數(shù)值模擬時，要將進氣口管道以及乘客艙的網(wǎng)格化進行集中加密。其中，隔室表面的邊界網(wǎng)格第一層厚度為3mm，總網(wǎng)格數(shù)為1.1億。圖1所示為局部表面的網(wǎng)格化圖，將地鐵內(nèi)部的流場設(shè)置為湍流狀態(tài)。并且采用湍流模型可以得到有效的計算，y+（無量綱第一單元間距y+=y×ut×g-1，其中y表示為靠近壁的第一單元厚度，ut表示為在此過程中的摩擦力，湍流模型的速度（g為動粘度）通常情況下設(shè)置為30—100。在此模擬過程中，構(gòu)造網(wǎng)格中y+平均約為34，滿足標準規(guī)范中的要求。因此，兩個模型的網(wǎng)格滿足y+值的要求，從而將邊界設(shè)定條件如下所示：

（1）將空調(diào)出口，再循環(huán)空氣管道入口和排氣空氣管道入口設(shè)置為質(zhì)量流入口邊界條件。當質(zhì)量流量的值為負時，空氣會流到計算域之外。供氣，再循環(huán)和排氣的流速分別為10000m3h-1、6800m3h-1和3200m3h-1，進而根據(jù)相應(yīng)進氣口和排氣口的面積，送風(fēng)、再循環(huán)空氣和排氣的速度分別為5261m3h-1、1.937m3h-1和3.922m3h-1。

（2）將車廂表面設(shè)為熱通量壁邊界條件，將傳熱系數(shù)25W（m2K）-1定義為K值。

（3）所有表面均設(shè)置為防滑墻邊界條件。

（4）這項研究檢查了夏季的全乘客工作條件，類比于現(xiàn)實條件中，假定地鐵車廂內(nèi)有300多位乘客，并且在此過程中保持室外的溫度維持34℃不變。由于乘客在乘坐期間會產(chǎn)生大量的熱能，因此在數(shù)值模擬中考慮了人類的熱源。根據(jù)歐標EN14750中得出，可以將乘客的熱源規(guī)定為120w左右，并將其作為體積源裝入計算域的相應(yīng)人為活動區(qū)域。體積熱源設(shè)置為294.5Wm3，由于乘客車廂包含大量熱源，因此新鮮空氣溫度設(shè)置為13°C。

（5）本研究測試了三種用于數(shù)值模擬的通風(fēng)面板模型：分別為原始模型、多孔介質(zhì)模型和多孔跳變面模型。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的通風(fēng)面板型號

本研究選擇了三種類型的通風(fēng)面板模型進行數(shù)值模擬，將其中的“原始模型”定義為以空調(diào)系統(tǒng)中的通風(fēng)面板的實際尺寸為標準。其中，原始模型還需要大量的計算結(jié)果進行支撐，而在此應(yīng)用較好的模型為多孔介質(zhì)以及多孔跳躍界面模型，本次研究著重于使用所提出的通風(fēng)板模型對內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬。為了更好地理解多孔跳躍面模型，通風(fēng)面板定義為單位表面。

通過本研究中的實驗獲得了在不同風(fēng)速下的上通風(fēng)板和側(cè)通風(fēng)板的壓力損失，在國內(nèi)的中南大學(xué)模型測試平臺上進行了該實驗，該平臺已獲得中國計量認證（CMA）資格（證書編號2014002479K），人們在該項目中可以查詢到更多有關(guān)該平臺的信息。將地鐵車廂內(nèi)的空氣速度分別設(shè)置為1、2、3、4和5ms-1，從而可以根據(jù)通風(fēng)面板的實際尺寸構(gòu)造實驗，如圖1（a）所示。如圖1（b）所示，選擇了Honeywell DC030NDC4壓力傳感器進行壓力測量，在這組測試中，傳感器的采樣頻率為1kHz，測量精度為0.01Pa。另一方面，對于速度上的測量，可以使用TSI9525風(fēng)速計，測得其中的精度為0.01ms。在每次測試之前，必須保證負載測量的誤差在0.2%以內(nèi)，從而可以滿足精度上的測試要求。

在數(shù)值模擬中，使用ANSYS Fluent中的多孔單元區(qū)域條件設(shè)置通風(fēng)面板的多孔介質(zhì)模型，并使用多孔跳躍邊界條件設(shè)置多孔跳躍面模型。為了使用這兩個模型對地鐵車廂的內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，需要多孔介質(zhì)參數(shù)1/a和C2以及孔隙率。在多孔介質(zhì)模型中，在“單元區(qū)域條件”部分中將通風(fēng)面板區(qū)域定義為“多孔區(qū)域”。對于多孔跳躍面模型，在“邊界條件”部分中將通風(fēng)面板的面選擇為“多孔跳躍”，并輸入通風(fēng)面板的厚度Dn。

4 試驗驗證與分析

在本研究中應(yīng)用了三種通風(fēng)面板模型進行比較，將數(shù)值結(jié)果與地鐵火車中間車的真實實驗數(shù)據(jù)進行了比較，然后確定了能夠使用最少的計算能力有效地對地鐵車廂內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬的模型，從而對優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)的均勻性進行更好的設(shè)計。

4.1 真正的地鐵實驗

借助于中南大學(xué)的平臺，進行了地鐵車廂風(fēng)道試驗，用于在實驗中地鐵車廂的尺寸。選擇了四臺XFH空調(diào)設(shè)備，出產(chǎn)于自悅特通風(fēng)設(shè)備有限公司，每臺都可以產(chǎn)生將近2500m3/h的13℃新鮮空氣進行輸送。該實驗設(shè)置進氣管道中有四個進氣口，其中的每臺進氣口都會有一個空調(diào)進行對應(yīng)，空調(diào)器產(chǎn)生的新鮮空氣直接進入送風(fēng)管道。與此同時該試驗并未設(shè)置再循環(huán)系統(tǒng)，取而代之的是，在乘客艙的每個再循環(huán)和排氣出口都設(shè)置了通風(fēng)機。每個循環(huán)呼吸機和排氣呼吸機的流量分別為3400和533m3h-1。該實驗使用了功率為120w的加熱線圈，其中的數(shù)量為310個，可以很好地模擬在車廂內(nèi)乘客的工作條件。將其中的加熱線圈平均分布在車廂地板上，在空調(diào)和加熱盤管運行約30分鐘后，測量乘客艙中的相關(guān)流場參數(shù)。此時，通過實驗預(yù)期車廂內(nèi)的溫度以及流場是穩(wěn)定不變的，可以有效的模擬地鐵車廂內(nèi)的乘客實際條件。

乘客艙中的壓力變化相對較小，并且高度為1.1m的水平面（Z=1.1m）的壓力差小于1Pa。因此，未考慮測量點的壓力，獲得了測量點的風(fēng)速和溫度。對于溫度測量，采用測量精度為0.01℃的AI5600手持式高精度溫度計。

4.2 內(nèi)部流場分析

將多孔介質(zhì)模型的數(shù)值模擬結(jié)果與原始模型的數(shù)值模擬結(jié)果進行比較，可以進一步說明用多孔介質(zhì)模型代替原始模型的可行性。在實際的地鐵車廂實驗中，基于歐洲標準EN14750，選擇了15個測量點，這些點分為兩組：水平組和垂直組，每個組對應(yīng)一個平面。結(jié)果，選擇了1.1m高的水平面（Z=1.1m）和對稱的垂直平面（Y=0m）進行內(nèi)部流場分析。考慮到其他方面的傳熱方式，比如車廂表面以及乘客本身的熱量傳輸，乘客艙內(nèi)的溫度場保持在相對平衡的狀態(tài)。因此，車廂的典型部分的速度和溫度分布可以代表地鐵車廂內(nèi)的速度和溫度場，由于乘客艙中的壓力變化相對較小，因此未研究壓力場。

圖2顯示了同時存在于地鐵車廂兩個典型區(qū)域中的原始模型和多孔介質(zhì)模型的速度分布。由于湍流不穩(wěn)定，并且兩個模型的速度變化范圍幾乎相同，因此兩個模型的速度場基本上是一致的。由于采用了再循環(huán)空氣系統(tǒng)，再循環(huán)空氣出口周圍的空氣速度要比隔室中的其他部分大，兩個模型的平均速度，水平速度差和垂直速度差基本一致。

通過對典型截面的速度和溫度分布的分析，可以得出兩個模型的內(nèi)部流場分布吻合良好的結(jié)論。因此，多孔介質(zhì)模型可以很好地替代通風(fēng)面板在地鐵車廂內(nèi)部流場的數(shù)值模擬中，將通風(fēng)管道的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，從而提高室內(nèi)阻止氣流的均勻性。

5 結(jié)語

這項工作的重點是在添加穿孔擋風(fēng)板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)之上進行了數(shù)值模擬，并建立了模型，提高數(shù)值的計算效率，并同時提高了室內(nèi)氣流組織的均勻性。

參考文獻：

[1]于會龍.地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)均勻性仿真及優(yōu)化[J].環(huán)球市場，2017，000（024）：96.

[2]袁博，張杰，張永利.地鐵車輛風(fēng)道系統(tǒng)CFD數(shù)值模擬優(yōu)化與試驗驗證[J].電力機車與城軌車輛，2017（05）：10-13.