劉興之 計(jì)敏良

（廣州市地下鐵道總公司，廣東 廣州510000）

0 引言

廣州地鐵是中國(guó)第三大城市廣州市的城市軌道交通系統(tǒng)，于1997年6月28日開(kāi)通，是中國(guó)大陸第四個(gè)開(kāi)通并運(yùn)營(yíng)地鐵的城市。截至2013年12月28日，廣州地鐵共有9條營(yíng)運(yùn)路線，其中尤以3號(hào)線（包括番禺廣場(chǎng)—天河客運(yùn)站和體育西路—機(jī)場(chǎng)南兩條交路）的客流壓力最大，全年工作日的列車(chē)滿載率基本均在120%以上，在早、晚高峰期，特別是夏季氣溫較高時(shí)期，客室經(jīng)常出現(xiàn)短時(shí)溫度急劇升高現(xiàn)象，致使客室悶熱，影響了乘客乘坐地鐵的舒適度。

1 原因分析

經(jīng)空調(diào)系統(tǒng)處理的冷空氣經(jīng)送風(fēng)口送入客室內(nèi)，冷空氣與室內(nèi)空氣相混和，進(jìn)行熱濕交換，經(jīng)回風(fēng)口送入空調(diào)機(jī)組，進(jìn)行循環(huán)。送風(fēng)冷空氣與室內(nèi)空氣存在壓力差、速度差、溫度差和濕度差，因此會(huì)引起車(chē)內(nèi)空氣流動(dòng)，形成一定的氣流組織，氣流組織的分布影響室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)等的分布，氣流組織形式是影響室內(nèi)熱環(huán)境的主要因素。

廣州地鐵3號(hào)線列車(chē)空調(diào)機(jī)組位于列車(chē)頂部，送風(fēng)通道位于客室上方左右兩側(cè)，風(fēng)從客室上方的送風(fēng)通道流出，經(jīng)送風(fēng)格柵把風(fēng)梳理形成發(fā)散風(fēng)。因客室回風(fēng)口位于送風(fēng)通道中間，易導(dǎo)致送、回風(fēng)短路（冷空氣未能充分下沉即從回風(fēng)口流出，如圖1所示），使得回風(fēng)溫度傳感器檢測(cè)到溫度比客室內(nèi)實(shí)際溫度低，即客室實(shí)際溫度未達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，空調(diào)機(jī)組就停止制冷。這是造成車(chē)廂內(nèi)實(shí)際溫度偏高的主要原因。

圖1 廣州地鐵3號(hào)線列車(chē)氣流組織示意圖

2 改進(jìn)方案

根據(jù)上述對(duì)造成客室悶熱的原因的分析，計(jì)劃在新線列車(chē)設(shè)計(jì)中，要求列車(chē)采用兩側(cè)回風(fēng)的氣流組織方案，即車(chē)頂兩側(cè)散流器送風(fēng)，經(jīng)內(nèi)裝拐角頂板的縫隙及設(shè)在座椅下方的風(fēng)口回風(fēng)，如圖2所示。

3 仿真計(jì)算分析

3.1 客室物理模型

由于車(chē)體的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化流場(chǎng)模擬中計(jì)算模型，盡量完全反映車(chē)體結(jié)構(gòu)中的細(xì)節(jié)，對(duì)車(chē)內(nèi)氣體過(guò)于復(fù)雜但是對(duì)流動(dòng)影響不大的區(qū)域進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。在Gambit生成車(chē)輛模型。選取的計(jì)算車(chē)輛為M車(chē)，為前后左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，人員布置為48人。為簡(jiǎn)化計(jì)算，建立的1／4客室模型及車(chē)頂送風(fēng)口及回風(fēng)布置如圖3所示。

圖2 兩側(cè)回風(fēng)的列車(chē)氣流組織示意圖

圖3 客室?guī)缀文Ｐ蛨D

3.2 邊界條件的設(shè)置

（1）入口的邊界條件：采用FLUNET軟件模擬計(jì)算過(guò)程中，速度入口（velocity inlet）用來(lái)定義入口邊界的速度以及溫度等屬性。本文將所有的送風(fēng)口定義為速度入口，送風(fēng)速度按送風(fēng)矢量值計(jì)算，矢量值的大小由送風(fēng)量決定，溫度按設(shè)計(jì)值計(jì)算。

（2）出口的邊界條件：車(chē)廂計(jì)算模型中回風(fēng)口和廢排口都設(shè)定為outlet－vent，分別設(shè)定其阻力系數(shù)。

（3）壁面邊界：流場(chǎng)分析時(shí)，固體表面邊界一般按無(wú)滑移條件處理，車(chē)頂及側(cè)墻壁面、客室地板、內(nèi)端墻取無(wú)滑移邊界條件。

車(chē)頂及壁面在考慮傳熱問(wèn)題溫度場(chǎng)分析時(shí)，使用第三類(lèi)邊界條件，列車(chē)車(chē)頂與車(chē)體側(cè)壁由于受室內(nèi)外溫差作用，對(duì)車(chē)內(nèi)產(chǎn)生作用，形成熱負(fù)荷。由試驗(yàn)得出車(chē)體表面的換熱系數(shù)k為2.4W／（m2·K）。

（4）流體參數(shù)：假設(shè)車(chē)內(nèi)空氣流動(dòng)可認(rèn)為是不可壓縮的穩(wěn)態(tài)湍流，車(chē)內(nèi)空氣設(shè)為理想氣體，并考慮重力與浮升力的作用。除了入口和出口外，假設(shè)車(chē)內(nèi)空氣不從客室的其他任何縫隙處泄漏出去。

（5）人體邊界：夏季制冷考慮乘客較多時(shí)客室內(nèi)空氣的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，取人體壁溫35℃。

3.3 客室內(nèi)熱環(huán)境分析

為方便分析溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布規(guī)律及特點(diǎn)，選取了包括沿X軸、Y軸、Z軸（即車(chē)身的寬、高、長(zhǎng)）3個(gè)方向的關(guān)鍵截面，其仿真模擬結(jié)果如下：

3.3.1 流量分配

根據(jù)合同規(guī)定的參數(shù)數(shù)據(jù)，在給定的設(shè)計(jì)值中：總風(fēng)量8 500m3／h，新 風(fēng) 量 2 600m3／h，回 風(fēng) 量 5 900m3／h，廢 排2 600m3／h。在模擬的過(guò)程中，考慮到車(chē)身的對(duì)稱性和計(jì)算的快捷性，本文只對(duì)車(chē)身的1／4進(jìn)行模擬計(jì)算，所以相應(yīng)的風(fēng)量也為1／4，車(chē)廂送風(fēng)量為2 125m3／h。

在對(duì)拐角頂板和座椅下方排風(fēng)口分別設(shè)定其不同的阻力系數(shù)后，最后模擬得到的M車(chē)流量分配結(jié)果為：側(cè)頂板處排風(fēng)量為4 509.6m3／h；長(zhǎng)座椅下方排風(fēng)量為2 710.68m3／h；短座椅下方排風(fēng)量為1 042.8m3／h。模擬結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 速度場(chǎng)分析

從速度矢量圖（圖4）可以看出，送風(fēng)口送出的空氣經(jīng)循環(huán)后分別從座椅下方和側(cè)頂板處的排風(fēng)口排出，沒(méi)有出現(xiàn)較大的短路現(xiàn)象，風(fēng)速最大的位置出現(xiàn)在送風(fēng)口和排風(fēng)口處，其余絕大部分區(qū)域的速度均小于0.7m／s，滿足EN14750－1標(biāo)準(zhǔn)，客室氣流組織比較理想。

圖4 截面速度矢量圖

3.3.3 溫度場(chǎng)分析

從溫度云圖（圖5）中可以看出，在送風(fēng)口位置，溫度比較低，人所處環(huán)境附近溫度稍高，其他大部分區(qū)域的溫度分布在23～26℃之間，符合EN14750－1標(biāo)準(zhǔn)的要求。但有乘客的區(qū)域溫度明顯高于沒(méi)有乘客的區(qū)域，說(shuō)明人體散熱會(huì)對(duì)周?chē)沫h(huán)境產(chǎn)生影響，在設(shè)定控制溫度時(shí)，應(yīng)考慮載客量的影響，即載客量大的時(shí)候，適當(dāng)提高空調(diào)的設(shè)定溫度。

圖5 截面溫度云圖

4 結(jié)論

本次仿真對(duì)載人客室的基本特征參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)車(chē)體空調(diào)模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，建立研究對(duì)象的物理模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇適當(dāng)數(shù)學(xué)模型，設(shè)定松弛系數(shù)、收斂標(biāo)準(zhǔn)和邊界條件，初始化進(jìn)行數(shù)值迭代計(jì)算，得到以下結(jié)論：（1）地鐵列車(chē)采用兩側(cè)回風(fēng)的方案，氣流的組織和流量的分配較為理想，沒(méi)有出現(xiàn)較大的送風(fēng)短路現(xiàn)象；（2）地鐵列車(chē)采用兩側(cè)回風(fēng)的方案，溫度場(chǎng)分布均勻，送風(fēng)冷空氣能較好地與室內(nèi)空氣混合，可以給乘客提供較高的舒適度；（3）乘客所處區(qū)域環(huán)境溫度高于周邊環(huán)境溫度，說(shuō)明人體散熱對(duì)車(chē)廂環(huán)境造成了一定的影響，在對(duì)車(chē)內(nèi)溫度進(jìn)行設(shè)定時(shí)需考慮載客量的影響。

本文提出了地鐵列車(chē)采用兩側(cè)回風(fēng)的空調(diào)設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)結(jié)果表明該方案可以滿足乘客的乘坐舒適性需求，目前，廣州正在建設(shè)的7號(hào)線和9號(hào)線中，已要求廠家按該方案進(jìn)行列車(chē)設(shè)計(jì)。

［1］南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司.廣州地鐵7號(hào)線項(xiàng)目車(chē)輛空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書(shū)［Z］，2014.

［2］南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司.廣州地鐵9號(hào)線項(xiàng)目車(chē)輛空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書(shū)［Z］，2014.

［3］易柯.地鐵車(chē)廂內(nèi)回風(fēng)方式數(shù)值仿真分析［J］.電力機(jī)車(chē)與城規(guī)車(chē)輛，2012（2）.

［4］劉洋.地鐵車(chē)輛風(fēng)道系統(tǒng)出風(fēng)均勻性設(shè)計(jì)［J］.電力機(jī)車(chē)與城規(guī)車(chē)輛，2011（1）.

［5］易柯.地鐵車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)氣流組織數(shù)值計(jì)算與分析［J］.城市軌道交通研究，2009（11）.