城軌車輛客室氣流仿真分析

陳新華 梁一迪 張 晨

（[1]北京建筑大學(xué) 北京 100044；[2]城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點實驗室 北京 100044）

0 引言

計算流體動力學(xué)（CFD）是用于優(yōu)化地鐵車廂中的氣流模式的一種方法。使用CFD，可以更好地了解氣溶膠污染物的擴散特性，還可以用于優(yōu)化氣流模式和溫度分布，以達到更好的熱舒適度?？抵菑姷冗M行了地鐵車廂內(nèi)空調(diào)氣流組織模擬及優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)輻流風(fēng)機有助于改善車廂內(nèi)氣流組織的均勻性；易柯等利用CFD軟件Fluent，應(yīng)用k-兩方程湍流模型對氣流組織進行了數(shù)值計算。本文主要針對空間相對封閉地鐵車廂內(nèi)的病毒防控問題，進行了存在新風(fēng)情況下，客室氣流的變化、感染者傳染性顆粒在地鐵車廂內(nèi)的傳播情況，以及新風(fēng)對車廂溫度改變對乘客舒適性的影響。

1 地鐵車廂通風(fēng)系統(tǒng)CFD建模

本研究的數(shù)值計算以地鐵車輛B型車作為研究對象，車體總長19.8m，凈寬2.8m，凈高3.8m。由于一節(jié)地鐵車廂是前后對稱的，所以可以簡化分析半截車廂。本文定義車廂長為8m，高為3.8m。車廂頂部設(shè)置進風(fēng)口(左)和出風(fēng)口（右）。尺寸為1m×0.5m×0.25m。車廂內(nèi)的兩名乘客分別定義一個站高1.7m，一個坐高1.1m，二者相對而立，此時環(huán)境的溫度為30℃（303.15K）。車廂的布局如圖1所示。參考ASHRAE 170標(biāo)準，所設(shè)定的通風(fēng)率為6ACH（每小時換氣）?？諝鈴能噹敳窟M風(fēng)口（左側(cè)入口）進入車廂內(nèi)部，溫度為20°C，然后通過安裝在車廂頂部上的格柵（右側(cè)出口）離開地鐵車廂內(nèi)部。地鐵客車頂部送風(fēng)、回風(fēng)，加工安裝方便，流場分布較均勻，基本能滿足乘客的舒適性。假設(shè)車廂在四個側(cè)面及其底部被熱隔離，車廂和外部之間的熱交換是在車廂頂部進行的。

圖1：地鐵車廂模型

2 COMSOL物理分析

2.1 流體軌跡仿真分析

在建立模型后，主要運用COMSOL軟件進行仿真分析。在其中使用“湍流”的物理方法來模擬地鐵車廂內(nèi)部自然對流和強制對流的氣流，用物理學(xué)解決了空氣耦合的Navier-Stokes和連續(xù)性方程以及熱的對流擴散方程。采用具有一致穩(wěn)定度的k– 湍流模型用于求解湍流。對于氣體組織的研究，主要對車廂進行了三維建模，對模型求解時為了更好觀察到仿真結(jié)果，進行了求解配置，使網(wǎng)格劃分更為細致，可以一邊求解一邊繪制結(jié)果圖，以便更好觀察流體軌跡變化。

2.2 流體溫度仿真分析

為了提高乘客乘坐的舒適度，通過傳感器檢測地鐵車廂溫度的實時變化，使用了“流體傳熱”物理方法，進行了仿真實驗，得到了冷空氣從進風(fēng)口進來后的軌跡變化圖，根據(jù)其在人體周圍的分布情況間接判斷乘客的舒適度。

2.3 粒子軌跡仿真分析

為了模擬由患者引起的傳染性顆粒釋放，主要使用了“流體流動的顆粒追蹤”物理方法。在地鐵車廂室內(nèi)進行空氣流動后，這種物理方法會追蹤微粒使得對顆粒有更直觀的觀察。細菌的質(zhì)量初步可以忽略不計，假定在咳嗽期間釋放了100個顆粒，這項研究的目的是觀察這100個傳染性顆粒在通風(fēng)系統(tǒng)的作用下在地鐵車廂的軌跡分布。

3 結(jié)論

3.1 流體軌跡分布

從圖2中可以看出，新鮮空氣從車廂頂部左側(cè)入口的進風(fēng)口進入車廂內(nèi)部后，在車內(nèi)形成了一條從進風(fēng)口流向出風(fēng)口的氣流主要通道，使車內(nèi)的氣體速度發(fā)生了改變。在流入的新鮮空氣作用下，一部分車內(nèi)空氣能夠順著氣流主要通道，直接通過出風(fēng)口排出車廂，而遠離氣流主要通道的車內(nèi)氣體也能夠通過循環(huán)逐漸被氣流主要通道帶到出風(fēng)口排出，使原車內(nèi)氣體發(fā)生了更新和稀釋。特別是氣流遇到乘客后，離乘客越近，氣流的速度越快，這是由于氣流發(fā)生了湍流現(xiàn)象，加快了乘客附近的空氣流通。

圖2：客室氣體流速圖

3.2 溫度軌跡變化圖

改變送風(fēng)溫度對車廂內(nèi)速度場的影響較小，而送風(fēng)速度的改變對車廂內(nèi)溫度場有較大的影響。從圖3可以看出，冷空氣從地鐵車廂的進風(fēng)口流入后，大部分從乘客上方往出風(fēng)口流出，小部分遇到乘客后，在乘客周圍形成小漩渦。因此乘客上方靠近地鐵車廂頂部的區(qū)域溫度較低(冷空氣空氣密度相對較低)，乘客周圍的溫度相對舒適，沒有隨著氣流的循環(huán)發(fā)生較大的變化，能夠使乘客保持一定的乘車舒適感。在氣流組織優(yōu)化后，人員活動區(qū)域的熱舒適性得到顯著改善。

圖3：車廂溫度分布圖

3.3 粒子軌跡運動

在圖4中可以看出人體釋放出傳染性顆粒在地鐵車廂的通風(fēng)系統(tǒng)作用下的粒子分布軌跡，一部分通過通風(fēng)系統(tǒng)從地鐵車廂的出風(fēng)口排出，另一部分在通風(fēng)系統(tǒng)的作用下，跟隨氣流流動。當(dāng)然也會有一部分散布在車廂內(nèi)，但與隨氣流流動的顆粒相比，其數(shù)量可以忽略不計。因咳嗽噴出的粒子在0.5 s內(nèi)可對周圍1.17m的環(huán)境形成強烈影響，在5s之后對大部分乘客的影響較小。

圖4：咳嗽粒子分布軌跡圖

4 結(jié)語

通過新風(fēng)，能夠?qū)崿F(xiàn)客室內(nèi)氣流的更新，將病毒感染者所產(chǎn)生的咳嗽粒子和氣溶膠污染氣體較快的通過出風(fēng)口排出，有利于城市軌道交通傳染性疾病的防控。新風(fēng)在改善客室氣流質(zhì)量的同時，能夠使乘客保持一定的乘車舒適感，且在氣流組織優(yōu)化后，人員活動區(qū)域的熱舒適性還能夠得到顯著改善。