基于無葉風(fēng)扇改造的某型地鐵車廂氣流組織實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究

鄔春暉，劉淑麗，陳廷森，紀(jì)文杰，張少良，陳鴻寬

(1.北京市地鐵運(yùn)營有限公司 運(yùn)營二分公司，北京，100043；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京，100081)

為緩解城市交通擁堵問題，更好地滿足城市人口出行便利的需求，我國地鐵建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)代。地鐵已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｍㄇ诘囊环N重要交通工具。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年12月，全國45 個(gè)城市已建成地鐵線路6 302.79 km，中國已經(jīng)成為世界上地鐵線路總長度最長的國家[1]。廣大乘客在享受地鐵快速、便利出行的同時(shí)，也越來越關(guān)注其內(nèi)部熱舒適性問題，而車廂內(nèi)部氣流組織是影響熱舒適性的主要因素之一[2-3]。當(dāng)前地鐵車廂普遍采用的上送上回空調(diào)送風(fēng)模式造成車廂內(nèi)部氣流組織不合理，從而導(dǎo)致制冷效果差、冷熱不均等問題，難以滿足熱舒適需求[4-5]。據(jù)北京地鐵方面統(tǒng)計(jì)，2021年1月至5月，某車型共接到多渠道乘客有關(guān)溫控類方面訴求17 件，其中80%約為熱舒適方面的訴求。李俊等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)，動態(tài)送風(fēng)可以顯著改善局部熱環(huán)境。此外也有研究表明，將風(fēng)速提高到一定程度，即使在28 ℃的環(huán)境下人們也能感到舒適[7]。

因此，研究車廂內(nèi)部氣流組織的優(yōu)化對提高乘客熱舒適性意義重大。當(dāng)前，地鐵車廂正逐步采用幅流風(fēng)機(jī)來改善車廂內(nèi)熱舒適性。幅流風(fēng)機(jī)對地鐵車廂內(nèi)環(huán)境的影響引起了研究人員的廣泛關(guān)注。趙楠[8]采用實(shí)測及計(jì)算流體力學(xué)方法研究幅流風(fēng)機(jī)對車廂內(nèi)環(huán)境與乘客舒適度的影響，結(jié)果表明幅流風(fēng)機(jī)可改善車廂氣流組織，提高流場均勻度和人體熱舒適。何鋒等[9]采用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)的方法研究幅流風(fēng)機(jī)的熱舒適，發(fā)現(xiàn)采用幅流風(fēng)機(jī)可使地鐵車廂乘客整體熱感覺降低7.3%、熱舒適升高0.76%。然而，本研究中的地鐵車輛現(xiàn)有空調(diào)風(fēng)道結(jié)構(gòu)為雙空調(diào)主機(jī)貫通式，主風(fēng)道、支風(fēng)道分別位于空調(diào)主機(jī)兩側(cè)，空調(diào)送風(fēng)從燈帶外側(cè)由空調(diào)送風(fēng)機(jī)排出，若進(jìn)行風(fēng)道整體改造，安裝傳統(tǒng)模式的幅流風(fēng)機(jī)將增加改造難度和高資金投入、改造周期長。因此有必要尋求一種新的技術(shù)手段以替代幅流風(fēng)機(jī)。渦輪增壓技術(shù)是一種提高發(fā)動機(jī)進(jìn)氣能力的技術(shù)，將該技術(shù)引入到風(fēng)扇中可使其進(jìn)風(fēng)量從狹小的送風(fēng)口中增壓送出，形成強(qiáng)射流導(dǎo)致周邊氣流流動[10]。引入該技術(shù)的風(fēng)扇為無葉風(fēng)扇，較傳統(tǒng)風(fēng)扇相比，其更安全，產(chǎn)生的氣流風(fēng)速更大且更平穩(wěn)。

本文作者以北京某地鐵車廂為例進(jìn)行車廂內(nèi)氣流組織研究，通過將采用渦輪技術(shù)的無葉風(fēng)扇引入地鐵車廂對其進(jìn)行改造，分析改造前后車廂內(nèi)部氣流組織，并采用速度不均勻系數(shù)、空氣齡及空氣分布特性指標(biāo)對其進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)而評估該方案的可行性。

1 研究方法

本研究采用實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究地鐵車廂安裝無葉風(fēng)扇改造前后車廂內(nèi)氣流組織分布。實(shí)驗(yàn)測試用來為數(shù)值模擬提供邊界條件，并對模型進(jìn)行驗(yàn)證，在保證數(shù)值模型可靠的前提下，利用數(shù)值模擬技術(shù)對改造前后車廂內(nèi)的速度分布、溫度分布、空氣齡以及空氣分布特性指標(biāo)(ADPI)進(jìn)行研究。

1.1 測試方案及儀器

在夏季熱工況下對原地鐵車廂及改造后的車廂內(nèi)部的溫度和風(fēng)速進(jìn)行了測試，使用的儀器為“AS8556”風(fēng)溫風(fēng)速測量儀。由于地鐵車廂具有對稱性，因此選取3個(gè)典型截面(X1=2.5 m；X2=5.6 m；X3=8.3 m)進(jìn)行測試。根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟UIC553標(biāo)準(zhǔn)[11]，在每個(gè)截面內(nèi)布置15 個(gè)測點(diǎn)，將測點(diǎn)分別布置在距車廂底部高0.1、0.5、1.2、1.7 和2.0 m處，即對應(yīng)于乘客的腳部、膝部、坐下和站立時(shí)頭部、頭部上方位置，水平位置距左右車廂壁面距離分別為0.5 m，測點(diǎn)布置具體情況如圖1所示。

圖1 地鐵車廂內(nèi)溫度速度測試截面選取及測點(diǎn)布置圖Fig.1 Selection of temperature and velocity test section and measurement point arrangement in subway

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1 控制方程

本研究采用RNGk-ε湍流模型對地鐵車廂內(nèi)空氣流動進(jìn)行求解，求解方程如下[12-13]：

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

湍流動能方程:

湍流擴(kuò)散方程：

式中：t為時(shí)間，ui(i=1，2，3，分別對應(yīng)X，Y，Z)為3 個(gè)方向的流速，m/s；uj(j=1，2，3，分別對應(yīng)X，Y，Z)為3 個(gè)方向的流速，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；P為壓力，Pa；μ為動力黏度系數(shù)，N·s/m2；Si為動量源項(xiàng)(如重力，浮力等)；T為熱力學(xué)溫度，K；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Cp為比熱容，J/(kg·k)；ST為熱源項(xiàng)；Gk為由于速度梯度引起的湍流動能產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由于浮力引起的產(chǎn)生項(xiàng)；σk和σε分別為k和ε對應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；C1ε和C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.2.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

以北京某地鐵車廂作為研究對象，將無葉風(fēng)扇安裝在車廂頂部，考慮到車廂的實(shí)際布局及客觀因素(如安全、穩(wěn)定等)，無葉風(fēng)扇呈吸頂式交錯安裝。車廂內(nèi)部長×寬×高為16.76 m×2.30 m×2.30 m，該車廂采用上送上回送風(fēng)方式，送回風(fēng)口分別設(shè)置在車廂左、右兩側(cè)呈對稱布置，送風(fēng)口共14個(gè)，回風(fēng)口共4個(gè)。送回風(fēng)口的寬度均為90 mm，長度各有不同，具體尺寸及位置布置如圖2所示。為研究無葉風(fēng)扇對車廂內(nèi)氣流組織的影響，本文建立了2 種模型，分別是改造前(無無葉風(fēng)扇)和改造后(有無葉風(fēng)扇)模型，在2種模型下模擬4種不同工況(無無葉風(fēng)扇、無葉風(fēng)扇速度為2 m/s、無葉風(fēng)扇速度為4 m/s、無葉風(fēng)扇速度為6 m/s)，如表1所示。

表1 數(shù)值模擬工況表Table 1 Table of numerical simulation of working conditions

圖2 地鐵車廂空調(diào)送回風(fēng)口布置位置及尺寸圖Fig.2 Air conditioning supply and return air outlet layout location and size chart of subway

以該地鐵車廂為計(jì)算模型，并對該計(jì)算模型進(jìn)行簡化：1)忽略車廂內(nèi)吊環(huán)、扶手、LED 顯示屏等細(xì)微結(jié)構(gòu)；2)對車窗、車門、座椅、送回風(fēng)口等做適當(dāng)簡化。數(shù)值模擬計(jì)算采用如圖3所示網(wǎng)格。為了獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，并節(jié)省計(jì)算成本，本研究采用混合網(wǎng)格(非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格)對車廂進(jìn)行離散化處理，車廂安裝無葉風(fēng)扇處由于形狀復(fù)雜故采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余空間采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。為排除網(wǎng)格數(shù)目對計(jì)算結(jié)果的影響，本研究分別采用網(wǎng)格數(shù)目為312 萬、430 萬和569萬這3種不同網(wǎng)格數(shù)目進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析，以代表線L(8.35 m，1.15 m，Z)為例進(jìn)行速度比較，結(jié)果如圖4所示。綜合考慮計(jì)算成本與精度，本模擬研究選擇網(wǎng)格數(shù)目為430萬。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格劃分Fig.3 Computational Gridding

圖4 網(wǎng)格獨(dú)立性分析[代表線L(8.35 m，1.15 m，Z)]Fig.4 Grid independence analysis [represented the line of(8.35 m,1.15 m,Z)]

1.2.3 邊界條件

本研究所選擇的是夏季工況，數(shù)值模擬邊界條件根據(jù)實(shí)地測試得出。送風(fēng)口采用速度入口(velocity inlet)，方向垂直風(fēng)口向內(nèi)，送風(fēng)速度為1.15 m/s，送風(fēng)溫度設(shè)為294 K；回風(fēng)口采用速度入口(velocity inlet)，方向垂直風(fēng)口向外，回風(fēng)速度為1.95 m/s。車廂壁面采用第三類邊界條件，綜合傳熱系數(shù)為2.4 W/(m2·K)[14]，車廂兩端因分別連接其余車廂，故將其設(shè)置為symmetry。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的有效性，本研究從車廂內(nèi)溫度場與速度場分布對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。圖5和圖6所示分別為不同測點(diǎn)下溫度與速度的實(shí)驗(yàn)值與模擬值的比較。從圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果比較吻合，并且溫度吻合度要比速度吻合度高，主要原因是溫度變化不明顯，測量誤差較小，而速度由于受氣流影響波動較大，誤差相對較高。在本研究中，溫度最大相對誤差為3.20%，速度最大相對誤差為15.38%。就整體而言，該誤差在可接受范圍內(nèi)，因此模擬計(jì)算結(jié)果可靠。

圖5 不同測點(diǎn)位置溫度的實(shí)驗(yàn)值與模擬值的比較Fig.5 Comparison of experimental values with simulated values for temperatures at different measurement locations

圖6 不同測點(diǎn)位置速度的實(shí)驗(yàn)值與模擬值的比較Fig.6 Comparison of experimental values with simulated values for velocities at different measurement point positions

2.2 速度場分析

“呼吸區(qū)”是研究氣流組織及熱舒適等方面的關(guān)注重點(diǎn)[15-17]，ANSI/ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)62.1—2019 中將呼吸區(qū)定義為“距離地面0.75～1.80 m 之間的區(qū)域[18]。為研究不同工況下車廂內(nèi)氣流分布，選取車廂中心截面(Y=1.15 m)和呼吸區(qū)截面(Z=1.7 m)進(jìn)行分析。圖7所示為不同工況下車廂中心截面(Y=1.15 m)速度場分布。從圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)：改造前的地鐵車廂在垂直高度方向上氣流速度分層明顯，即在車廂上部(圖中紅線標(biāo)記上方)速度較小，介于0.1～0.3 m/s 之間，車廂下部速度較大，介于0.4～0.7 m/s 之間，氣流速度分布不均勻，難以滿足乘客熱舒適需求。從圖7(b)～(d)可以看出：改造后的車廂內(nèi)速度分層現(xiàn)象減弱，并且隨著無葉風(fēng)扇速度的增加，車廂內(nèi)氣流擾動增強(qiáng)，增強(qiáng)了冷熱空氣的混合，使得車廂內(nèi)氣流速度分布趨向均勻，尤其是呼吸區(qū)域內(nèi)(圖中紅線標(biāo)記下方)。圖8所示為不同工況下車廂呼吸區(qū)(截面Z=1.7 m)速度分布。可以發(fā)現(xiàn)在送風(fēng)口正下方氣流速度較大，而在其他區(qū)域速度相對較小。由圖8(b)和(d)可知：當(dāng)車廂內(nèi)安裝無葉風(fēng)扇進(jìn)行改造后，無葉風(fēng)扇的送風(fēng)速度過小或過大都會導(dǎo)致室內(nèi)氣流組織差，送風(fēng)速度太小驅(qū)動力不足，影響的區(qū)域有限；送風(fēng)速度過大，會有強(qiáng)烈的吹風(fēng)感。為了進(jìn)一步評估室內(nèi)氣流的均勻性，分析呼吸面1.7 m處速度不均勻系數(shù)。工況一至工況四的氣流速度不均勻系數(shù)ku分別為0.95，1.04，0.79 和0.70。ku越小，氣流分布的均勻性越好。由此可知，改造后車廂內(nèi)氣流均勻性與無葉風(fēng)扇的送風(fēng)速度密切相關(guān)。

圖7 不同工況下車廂中心截面(Y=1.15 m)速度場分布Fig.7 Ⅴelocity field distribution at the center section of carriage(Y=1.15 m)under different working conditions

圖8 不同工況下車廂呼吸區(qū)截面(Z=1.7 m)速度場分布Fig.8 Ⅴelocity field distribution of carriage breathing zone section(Z=1.7 m)under different working conditions

2.3 溫度場分析

由于本研究中考慮的是空載情況下的地鐵車廂，無內(nèi)部熱源，因此車廂內(nèi)部溫度場在各工況下差別不大，主要是由氣流組織引起的差別。工況一至工況四下車廂平均溫度分別為21.95，21.90，21.85 和21.98 ℃。可以看到工況四下的車廂內(nèi)平均溫度最高，工況二下的車廂內(nèi)平均溫度最低。而由2.2節(jié)分析可知，工況四的速度分布不均勻系數(shù)最小為0.7，工況二的速度分布不均勻系數(shù)與工況四的接近。由此可知在空調(diào)通風(fēng)條件下密閉受限空間內(nèi)速度場及溫度場存在一定的關(guān)聯(lián)，而合理的改造需兼顧速度場及溫度場舒適性要求。

2.4 空氣齡指標(biāo)

空氣齡反映室內(nèi)各點(diǎn)空氣的新鮮程度，是空氣在房間內(nèi)已經(jīng)滯留的時(shí)間，它可以揭示室內(nèi)空氣的流動狀態(tài)[19]。圖9 和圖10所示分別為不同工況下車廂內(nèi)中心截面和呼吸區(qū)截面的空氣齡分布情況。從圖9 和圖10 可以發(fā)現(xiàn)車廂中部空氣齡比兩端部空氣齡小，主要原因是車廂兩端部設(shè)有回風(fēng)口，車廂內(nèi)混合后的空氣從該處流出。觀察改造前后車廂內(nèi)空氣齡，發(fā)現(xiàn)改造后車廂中部空氣齡減小，兩端部空氣齡有所增大。并且隨著無葉風(fēng)扇送風(fēng)速度的增大，車廂中部空氣齡減小，兩端空氣齡先減小后增大。這表明無葉風(fēng)扇的送風(fēng)速度存在一臨界值。為了進(jìn)一步分析改造前后車廂內(nèi)空氣齡的變化，對車廂內(nèi)整體平均空氣齡與呼吸區(qū)平均空氣齡進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表2所示。可知呼吸區(qū)內(nèi)空氣齡比車廂整體空氣齡要小，其中工況三空氣齡最小，工況四空氣齡最大。空氣齡越小說明空氣越新鮮，空氣品質(zhì)越好，對人越有利，基于這點(diǎn)可知工況三比工況一車廂內(nèi)空氣品質(zhì)要好。

圖9 不同工況下車廂中心截面(Y=1.15 m)空氣齡分布Fig.9 Air age distribution at center section of carriage(Y=1.15 m)under different working conditions

圖10 不同工況下車廂呼吸區(qū)截面(Z=1.7 m)空氣齡分布Fig.10 Air age distribution in breathing zone section(Z=1.7 m)of carriage under different working conditions

表2 不同工況下平均空氣齡Table 2 Mean age of air under different working conditions

2.5 空氣分布特性指標(biāo)

空氣分布特性指標(biāo)(IADP)是指滿足規(guī)定風(fēng)速和溫度要求的測點(diǎn)數(shù)與總測點(diǎn)數(shù)之比，主要考慮的是空氣溫度與風(fēng)速對人體的綜合影響，IADP越大，代表感到舒適的人群比例越大[20-21]。其定義如下：

式中：IADP為空氣分布特性指標(biāo)；m為ΔTe大于-1.7且小于1.1的測點(diǎn)數(shù)；n為總測點(diǎn)數(shù)；ΔTe為有效溫度差，℃；ti和tn分別為工作區(qū)某點(diǎn)的空氣溫度和給定的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；ui為工作區(qū)某點(diǎn)的空氣流速，m/s。

在本研究中，為了進(jìn)一步分析各工況下車廂內(nèi)氣流組織性能，選擇IADP進(jìn)行評價(jià)，考慮呼吸區(qū)內(nèi)所有符合溫度與風(fēng)速的計(jì)算測點(diǎn)與總測點(diǎn)。各工況下的IADP計(jì)算結(jié)果如表3所示。從表3 可知：工況三的IADP最高，較改造之前即工況一提高了11.09%，對應(yīng)的乘客熱舒適也將提高。

表3 不同工況下車廂內(nèi)空氣分布特性指標(biāo)(IADP)Table 3 IADP of subway carriage under different working conditions

3 結(jié)論

1)無葉風(fēng)扇能有效提升地鐵車廂內(nèi)部空氣品質(zhì)。采用無葉風(fēng)扇能減弱車廂內(nèi)速度分層現(xiàn)象，并且隨著無葉風(fēng)扇送風(fēng)速度的增加，氣流擾動作用增強(qiáng)，車廂內(nèi)速度分布趨向均勻，工況一到工況四的速度不均勻系數(shù)ku分別為0.95，1.04，0.79和0.70。

2)地鐵車廂內(nèi)部中心區(qū)域空氣齡比車廂兩端空氣齡小，中心區(qū)域空氣齡集中在40～100 s 之間，而兩端空氣齡大多在100 s以上。

3)合理的改造能有效改善地鐵車廂內(nèi)氣流組織，在本文研究的4個(gè)工況中，從綜合速度不均勻系數(shù)、空氣齡、空氣分布特性指標(biāo)3 個(gè)指標(biāo)評估，工況三形成的氣流組織對熱舒適的改善性能較好。