B 型地鐵車輛空調系統氣流組織數值模擬研究

劉 晶，李寧寧，巨子琪

（西安交通工程學院，陜西 西安 710300）

當今社會經濟的高速發展和人民生活質量的日益提高，地鐵列車作為新型的交通工具，它的迅速發展，從某種角度來講，代表一個城市的發達程度，因此地鐵的發展必將受到高度重視。為滿足旅客的舒適性要求,城市軌道車輛的氣流組織系統也在逐步完善。車廂內的空調系統是影響旅客舒適性的主要因素。要保持車廂內溫度均衡,還得使車廂內保持一定的微風速,這就必須要求車內氣流組織設計具備合理性。

本論文采用Gambit軟件建立B型地鐵列車三維模型，并進行網格劃分，建立邊界條件；采用Fluent軟件模擬上送上回送風方式下，送風速度對室內溫度場和速度場的影響；通過模擬結果對后期地鐵列車空調系統設計提供優化參數，進而得到滿足人體舒適度的最佳送風速度。

1 數值模擬的物理及數學模型

1.1 物理模型

本論文研究的是B型車，其基本數據為：車高2.1 m，車體寬度為2.8 m，一節車長為19 m，由于地鐵車廂的對稱性，本文取9.5 m車長為研究對象。半截車廂一共有4個送風口,1個回風口，送風口長為720 mm寬為144 mm，回風口長度1 050 mm寬度450 mm，座椅的長度3 000 mm，寬度為500 mm，高度取50 mm。根據收集到的數據，用SOLIDWORKS畫出正視圖，如圖1所示。

圖1 車廂三維側視圖Fig.1 Three-dimensional side view of carriage

1.2 數學模型

任何形式的流體力學計算，都需要利用連續方程、動量方程、能量方程來計算。流體的流動和熱交換作用方式，在自然界中本來就是一種非常復雜的物理現象，但是在現實生活中想要表達這類流體的流動和熱交換的物理現象就必須使用數學方程。隨著CFD理論的不斷發展，以及計算機能力的提高。用于求解不同性質流體和不同動態流動的控制方程很好的補充3個基本方程的計算能力，極大提高了對流體的計算效率以及計算準確性。

1.2.1 連續方程

連續方程的原理即為質量守恒，物質不會憑空產生，也不會自然消失。如果將流體看作是連續物的介質，那么在其流過大小有限而空間位置不變、形狀任意的外殼時，這時在單位時間內定性的物質體內質量的增加就是同一時間內流入物體內部氣流的凈質量。根據此理論，得到連續方程如下：

式中：、、分別表示流體在、、方向上速度分量；為流體密度，不可壓縮的流體，它的密度變為常數，其連續方程表達為：

1.2.2 動量方程

動量方程式將流體看成無數個運動的微小團粒，牛頓第二定律可知,作用在無數個運動的微小團粒上的力就是體積力和表面力的總和，也就是團粒的力=團粒的質量×團粒加速度。如果將空氣質量忽略不計，可得流體動量方程：

式中，特別的是是一個熱力學變量。

但對于可以壓縮的流體，密度就會發生改變。假設空氣是一種理想氣體，得出流體壓力公式：

絕熱方程為：

式中：為流體壓力；表示速度矢量；為氣體常數；為絕熱溫度；C為定壓時的比熱。

1.2.3 能量方程

能量方程物理學原理是能量守恒。流入微團內凈熱量的能量與微團體積力和表面力做功的功率之和就是流體微團內能量的變化率這是依據熱力學第一定律而得出的理論，故結論出能量守恒方程：

將公式（6）展開：

1.3 網格劃分及數值求解方法

由于GAMBIT建模界面不友好，加之建模效率不高，因此一般采用 SOLIDWORKS建模并將之導入GAMBIT中。建好的SOLIDWORKS模型可以以“.igs”文件輸出，在GAMBIT中用Import導此文件，注意選擇Non stand-alone vertice，這樣就不會發生壁面分層的現象了。

網格劃分的數據，車廂（face1～face6）網格大小設置為0.05 mm，回風口網格劃分大小0.03 mm,送風口網格劃分大小0.02 mm。在計算機允許的條件下網格劃分的越小，模擬數據越精確。

1.4 邊界條件

網格劃分完便開始邊界條件的定義。其中將送風口邊界條件設置為速度入口用“速度入口”表示，將出口邊界條件設置為回風口用out表示，墻壁和座椅及車體表面全都算為固定值用Wall表示。其中入口in和出口out的速度都設為速度入口，但送風口為正值，送回風口為負值。

2 送風風速對氣流組織的模擬研究與分析

隨著社會經濟的高速發展，城軌車輛已成為人們重要的出行工具。而地鐵車輛的舒適性，也在日益提高。大量文獻表示影響舒適性的主要原因是送風風速和送風溫度。本文主要研究送風風速對氣流組織的影響。

2.1 地鐵內部空間氣流分布云圖

半截車廂一共有4個送風口，1個回風口，根據收集到的數據，計算出數個點位云圖的坐標，在X軸上取0.8，1.6，2.4 m為X軸的研究對象，在Y軸分別取2，4，6，8 m，在Z軸取0.7 m和1.4 m畫出各個點對應的坐標，得到想要模擬研究的云圖，模擬時便可看出云圖變化。模擬云圖點坐標如表1所示。

表1 模擬云圖各個點位坐標Tab.1 Coordinate of each point of simulated cloud picture

為方便研究車廂內溫度場、速度場的分布狀況，分別在車輛長寬高方向選取有代表性的平面。在研究風速大小對氣流組織的影響時，設置送風溫度為固定值292 K，送風速度分別設置為1.5，2，2.5，3 m/s，速度場分布云圖及速度矢量圖，分別選取X=0.7 m，X=1.4 m，X=2.1 m，Y=3 m，Y=2 m，Y=4 m，Y=6 m，Z=0.7和Z=1.4 m的相應截面。

2.2 送風速度為1.5 m/s時的模擬云圖

圖形模擬好后，便可導入溫度值進行模擬，此時顯示溫度場，溫度不同顏色不同，由于溫度的顏色變化較小，我們也可看壓強圖進行辨別。如圖2～圖5所示，溫度為292 K,速度為1.5 m/s時的溫度場和速度場的模擬圖。

圖2 Y軸方向的風速模擬云圖Fig.2 Wind speed simulation picture in Y axis

圖3 Z軸方向的風速模擬云圖Fig.3 Wind speed simulation picture in Z axis

圖4 X軸方向的風速模擬云圖Fig.4 Wind speed simulation picture in X axis

圖5 Z軸方向的溫度模擬云圖Fig.5 Temperature simulation picture in Z axis

因為溫度場用模擬云圖表示圖片直觀并不明顯，故將溫度在Y軸上的4個面的分布情況的點圖用以表示，如圖6所示。

圖6 Y軸方向的溫度的點狀模擬云圖Fig.6 Point simulation nephogram of temperature in Y axis direction

2.3 送風速度為2 m/s時的模擬云圖

此時溫度在Y軸上的4個面的分布情況如圖7～圖9所示。

圖7 溫度在Z軸上的兩個面的分布情況Fig.7 Distribution of temperature on two sides of Z axis

圖8 溫度在X軸3個分布面的點狀模擬云圖Fig.8 Point simulation picture of temperature in x planes

圖9 Y軸分布的溫度點狀模擬云圖Fig.9 Temperature point simulation nephogram of Y axis distribution

2.4 送風速度為2.5 m/s時的模擬云圖

送風速度為2.5 m/s時的模擬云圖如圖10～圖11所示。

圖10 Y軸的速度模擬云圖Fig.10 Velocity simulation nephogram of Y axis

圖11 X=0.7 m，?1.4 m，2.1 m的速度圖Fig.11 X = 0.7 m，1.4 m，2.1 m speed chart

由于溫度場模擬云圖做出來效果顏色不是很明顯，故用Plot點狀云圖表示，如圖12～圖13所示。

圖12 Y軸的溫度模擬云圖Fig.12 Temperature simulation nephogram of Y axis

圖13 Z軸的溫度模擬云圖Fig.13 Temperature simulation nephogram of Z axis

2.5 送風速度為3 m/s時的模擬云圖

送風速度為3 m/s時的模擬云圖如圖14～圖15所示。

圖14 風速在Y軸的模擬云圖Fig.14 Temperature simulation nephogram of Y axis

圖15 風速在X軸的模擬云圖Fig.1 5 Simulation cloud picture of wind speed on X axis

3 模擬結果分析

（1）本模擬測得的結果為：通過對比送風速度在1.5、2、2.5、3 m/s時的溫度速度分布云圖，比較得出送風速度在2 m/s到2.5 m/s時溫度變化最均勻，也是最符合人體適宜的溫度的。在規定中：客室內氣流速度應大于 0.07 m/s小于0.9 m/s，人員站立時頭部區域（1.7 m）的風速應小于 0.30 m/s 。而當送風速度為 3 m/s 時，人體站立頭部位置處風速超過 0.5 m/s，會有吹風感。因此空載時送風速度為2.5 m/s時的速度為最佳值，也可以看出送風速度越高時，熱舒適性也就越低。因此送風速度不超過3 m/s 為宜；

（2）空載時各模擬云圖溫度和氣流分布較為均勻，與車廂內平均溫度大抵相同?？拷仫L口處的溫度要比其他區域溫度稍高一些，靠近回風口的氣流速度也比遠離回風口處的速度大一些?？蛰d時車廂內流體平均溫度比送風溫度高 2～3 ℃；

（3）送風溫度相同，當送風速度升高時，各個模擬面的風速也跟著升高。由于回風口壓強原因會擁有吸附作用，靠近回風口處的氣流速度比車廂內其地方更大一些。改變送風速度對車廂內溫度場和速度場的影響較大。