葉晨輝，陳建云，臧建彬

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804）

周期性擾動(dòng)氣流對(duì)地鐵車(chē)輛車(chē)內(nèi)流場(chǎng)影響

葉晨輝，陳建云，臧建彬

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804）

地鐵車(chē)廂空間狹小相對(duì)封閉，客室流場(chǎng)對(duì)乘客乘坐感受至關(guān)重要，已有地鐵列車(chē)通過(guò)加裝幅流風(fēng)機(jī)改善車(chē)廂氣流組織，但未對(duì)幅流風(fēng)機(jī)改善流場(chǎng)效果做定量分析。本文通過(guò)CFD數(shù)值模擬列車(chē)在夏季溫度35℃時(shí)的運(yùn)行工況，分別研究了20℃送風(fēng)時(shí)無(wú)風(fēng)機(jī)和有風(fēng)機(jī)作用下客室流場(chǎng)情況，以及研究在有風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)將送風(fēng)溫度提高到23℃時(shí)的客室流場(chǎng)。結(jié)果表明幅流風(fēng)機(jī)能減小客室溫度不均勻度，將無(wú)風(fēng)機(jī)作用下的不均勻度0.49減小到有風(fēng)機(jī)作用下的0.28；若適當(dāng)提高空調(diào)出風(fēng)溫度，可以改善客室PMV指標(biāo)，同時(shí)減小空調(diào)機(jī)組負(fù)荷。

幅流風(fēng)機(jī)；客室流場(chǎng)；不均勻度；節(jié)能

0　引言

地鐵車(chē)廂具有空間狹小，相對(duì)密閉，乘客人數(shù)眾多等特點(diǎn)，這就對(duì)地鐵車(chē)廂熱環(huán)境的舒適性和空氣品質(zhì)的保證提出了難題。目前，我國(guó)各地地鐵的載客量已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，尤其是一線城市地鐵客流高峰期載荷達(dá)到8人/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般建筑的人員密度。而地鐵運(yùn)行時(shí)保持半密閉狀態(tài)，容易造成車(chē)廂內(nèi)悶熱，空氣品質(zhì)下降，給乘客帶來(lái)不舒適感。

Mc Intyre[1]在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到28℃時(shí)，受試者仍能通過(guò)提高風(fēng)速達(dá)到熱舒適。Rohles[2]等人通過(guò)研究認(rèn)為當(dāng)Rh=50%時(shí)，只要給一定風(fēng)速，舒適溫度上限能達(dá)到29.4℃，并且分析了節(jié)能效果，蒸發(fā)溫度每升高1℃，空調(diào)可以節(jié)能5.4%。清華大學(xué)夏一哉[3]研究發(fā)現(xiàn)高氣流脈動(dòng)強(qiáng)度可以改善中性-熱狀態(tài)下人體的熱感覺(jué)并減少吹風(fēng)感的產(chǎn)生，在高濕度的條件下（Rh=65%）以及低相對(duì)濕度（35%）且溫度高于27.5℃時(shí)，氣流脈動(dòng)強(qiáng)度增大會(huì)減少人的不舒適感；而低濕度低溫的情況下，氣流脈動(dòng)強(qiáng)度的增大會(huì)增大人的不舒適感。Mayer[4]認(rèn)為氣流脈動(dòng)強(qiáng)度的增加會(huì)加大對(duì)流換熱量，從而產(chǎn)生冷吹風(fēng)感。夏一哉[5]等人試驗(yàn)結(jié)果表面在26-30.5℃范圍內(nèi)吹等溫氣流，大部分人偏好的氣流頻率為0.3-0.5Hz，而隨著頻率增加，人體感受到的吹風(fēng)強(qiáng)度逐漸減小。Fanger[6]等人的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，頻率在0.3-0.5Hz的周期性變化的氣流對(duì)于處于冷-中性狀態(tài)的受試者容易引起更大的不舒適感覺(jué)。賈慶賢[7]等人研究機(jī)械風(fēng)和自然風(fēng)的對(duì)舒適度的影響，通過(guò)調(diào)查106人以及客觀分析得出搖頭風(fēng)扇吹風(fēng)相比直吹風(fēng)扇風(fēng)更接近自然風(fēng)，更易讓人接受。McIntyre[8]的研究結(jié)果表明，利用風(fēng)扇可以改善室內(nèi)熱環(huán)境，但是風(fēng)速不要超過(guò)2m/s，過(guò)高的風(fēng)速會(huì)使人不適感增強(qiáng)。

本文主要研究擾動(dòng)氣流對(duì)地鐵車(chē)輛車(chē)內(nèi)流場(chǎng)影響，通過(guò)對(duì)比研究加裝幅流風(fēng)機(jī)與否，以及采用不同出風(fēng)溫度時(shí)風(fēng)機(jī)的作用效果。

1　地鐵列車(chē)氣流組織方案

目前地鐵列車(chē)采用的送回風(fēng)方式有上送上回和上送下（側(cè)）回方式。兩種方式的送風(fēng)口均布置在車(chē)頂處，分布在中軸線的兩側(cè)；上回指的是回風(fēng)口布置在車(chē)頂近中心處，廢排風(fēng)口布置在車(chē)頂兩端處；下回指的是回風(fēng)口和廢排風(fēng)口布置在側(cè)墻拐角處以及座椅下方，兩種方式如圖1所示。易柯[9]通過(guò)分別對(duì)兩種送回風(fēng)方式進(jìn)行模擬研究發(fā)現(xiàn)上送上回方式更有利于車(chē)廂溫度場(chǎng)均勻。故本文采用上送上回的氣流組織方式進(jìn)行研究。

2　研究對(duì)象及模型

選取地鐵列車(chē)B型車(chē)為研究對(duì)象，長(zhǎng)19m，寬2.8m，車(chē)內(nèi)地板到車(chē)頂高為2.1m，忽略車(chē)廂內(nèi)扶手等細(xì)小部件以簡(jiǎn)化模型使其更易劃分優(yōu)質(zhì)網(wǎng)格，同時(shí)為了減少網(wǎng)格數(shù)量，只選取了半節(jié)車(chē)廂進(jìn)行建模劃分網(wǎng)格，中間截面采用用對(duì)稱(chēng)面邊界條件。進(jìn)風(fēng)口，回風(fēng)口以及廢排風(fēng)口均按列車(chē)實(shí)際情況進(jìn)行布置，且著重畫(huà)出了各個(gè)風(fēng)口處的導(dǎo)流格柵，而不像以往模擬采用平面代替出風(fēng)口，這樣更能保證各個(gè)出風(fēng)口出風(fēng)的均勻性，風(fēng)口布置及風(fēng)口細(xì)節(jié)如圖2所示。而本次模擬核心的部分是幅流風(fēng)機(jī)的建模和使用，風(fēng)機(jī)采用雙軸幅流風(fēng)機(jī)，長(zhǎng)1.1m，扇葉直徑8cm，蝸殼上部開(kāi)設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，下部平面處為出風(fēng)口，為了能使風(fēng)機(jī)出風(fēng)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)過(guò)程，使風(fēng)機(jī)蝸殼繞扇葉中軸來(lái)回做循環(huán)擺動(dòng)，擺動(dòng)幅角為76°，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3　邊界條件

本文是基于空載情況下研究幅流風(fēng)機(jī)對(duì)列車(chē)車(chē)內(nèi)舒適度的影響，為了探究在極端環(huán)境下其作用效果，因此設(shè)定外界隧道溫度為35℃，列車(chē)車(chē)廂溫度不超過(guò)27℃。根據(jù)文獻(xiàn)[10]知列車(chē)側(cè)壁面對(duì)流換熱系數(shù)2.4W/m2·K，車(chē)窗對(duì)流換熱系數(shù)為3.1W/m2·K，車(chē)門(mén)對(duì)流換熱系數(shù)為4.6W/m2·K，車(chē)頂，座椅及車(chē)底設(shè)為絕熱壁面，故車(chē)內(nèi)熱源為車(chē)壁面，車(chē)門(mén)及車(chē)窗，換熱方式為對(duì)流和輻射混合。

進(jìn)風(fēng)口：該列車(chē)一節(jié)車(chē)廂進(jìn)風(fēng)量為8000m3/h，回風(fēng)量為4700m3/h，新風(fēng)量為3300m3/h，半節(jié)車(chē)廂各個(gè)風(fēng)量均為上述風(fēng)量的一半。進(jìn)風(fēng)口采用速度入口方式，方向豎直向下，風(fēng)速為1.543m/s，風(fēng)溫為20℃。

回風(fēng)口：回風(fēng)口也采用速度入口邊界條件，方向由車(chē)內(nèi)向外，經(jīng)計(jì)算得回風(fēng)口風(fēng)速為1.61m/s。

廢排風(fēng)口：廢排風(fēng)口采用壓力出口邊界，壓力限定為50Pa。

幅流風(fēng)機(jī)：風(fēng)機(jī)采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，保證只有有扇葉的部分旋轉(zhuǎn)，該部分與內(nèi)外其他部分采用interface面連接，保證了信息的傳遞。風(fēng)機(jī)風(fēng)量為820m3/h，對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1200r/min。風(fēng)機(jī)蝸殼部分繞風(fēng)機(jī)中軸進(jìn)行來(lái)回旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，擺動(dòng)頻率為4次/min，一次擺動(dòng)的角度為76°，該部分運(yùn)動(dòng)采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，通過(guò)加載UDF使蝸殼按照要求進(jìn)行擺動(dòng)。

4　計(jì)算結(jié)果及分析

本次計(jì)算分為3個(gè)工況。

工況一：不打開(kāi)幅流風(fēng)機(jī)，送風(fēng)溫度20℃，研究在只有進(jìn)排風(fēng)的作用下列車(chē)車(chē)廂的流場(chǎng)分布情況；

工況二：在穩(wěn)態(tài)計(jì)算的的基礎(chǔ)上進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，開(kāi)啟滑移網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)蝸殼來(lái)回旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，研究在幅流風(fēng)機(jī)的作用下客室流場(chǎng)變化情況；

工況三：最后提高進(jìn)風(fēng)口風(fēng)溫到23℃，同樣在幅流風(fēng)機(jī)和蝸殼的作用下進(jìn)行計(jì)算，研究在提高送風(fēng)溫度的情況下幅流風(fēng)機(jī)對(duì)客室內(nèi)流場(chǎng)的影響。

4.1幅流風(fēng)機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)客室舒適度情況

在外界溫度為35℃的情況下進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算，幅流風(fēng)機(jī)保持靜止，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

各個(gè)部位得熱量與車(chē)廂內(nèi)外溫度差有關(guān)，溫差越大，得熱量越多。以下將從溫度、風(fēng)速、PMV-PPD三個(gè)方面分析該工況下車(chē)廂熱舒適度情況。截圖分別為經(jīng)過(guò)幅流風(fēng)機(jī)中間點(diǎn)，垂直于列車(chē)行進(jìn)方向的x截面和距車(chē)地板1.7m的水平z截面。

表1　靜態(tài)計(jì)算時(shí)車(chē)體各處得熱量W

從圖4可以看出x截面中，受到進(jìn)風(fēng)口的影響車(chē)廂豎直方向速度較大，方向豎直向下，形成了明顯的溫度帶。

定義參數(shù)不均勻度為：

該截面中平均溫度為293.91K，平均風(fēng)速為0.385m/s，則該工況下該截面溫度不均勻度為0.49，風(fēng)速不均勻度為0.45。PMV指標(biāo)可以反映人體熱舒適情況，其值處于-3~3之間，PMV=0意味著室內(nèi)環(huán)境處于中性的不冷不熱狀態(tài)。從圖4c）中可以看出該截面PMV值偏低，平均值為-2.2，且存在不均勻現(xiàn)象，不均勻度為0.8。由于風(fēng)速大風(fēng)溫低，風(fēng)口正下方較其余部位體感更冷。

圖5顯示了z截面的PMV指標(biāo)云圖，PMV平均值為-1.54，可以看出整個(gè)車(chē)廂1.7m高處的水平截面上熱舒適度偏冷，進(jìn)風(fēng)口下方比其他部位偏冷，PMV不均勻度為0.75，PMV分布不均勻。

4.2幅流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)客室舒適度情況

在上一工況計(jì)算穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，打開(kāi)幅流風(fēng)機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)蝸殼，使風(fēng)機(jī)以每分鐘1200轉(zhuǎn)運(yùn)行，且蝸殼以每分鐘4次的頻率來(lái)回?cái)[動(dòng)?，F(xiàn)選取第15s時(shí)的瞬態(tài)工況進(jìn)行分析。表2顯示的是該時(shí)刻車(chē)體各處得熱量，由于幅流風(fēng)機(jī)的擾動(dòng)，使得車(chē)廂內(nèi)氣流擾動(dòng)增強(qiáng)，換熱能力提高，墻體車(chē)窗車(chē)門(mén)得熱量增大，送風(fēng)口提供的冷量不變，回風(fēng)口廢排風(fēng)口的空氣熱量增加。可知在幅流風(fēng)機(jī)的作用下空氣換熱效果有所增強(qiáng)。

表2　開(kāi)啟風(fēng)機(jī)后車(chē)體各處得熱量W

從圖6可以看出打開(kāi)幅流風(fēng)機(jī)后x截面氣流組織明顯更均勻，溫度、風(fēng)速不像上一工況有明顯的分層現(xiàn)象，截面平均溫度為294.13K，平均風(fēng)速為0.84m/s，溫度風(fēng)速均較上以工況有所提高。溫度不均勻度為0.28，風(fēng)速不均勻度為稍有提升為0.6。PMV指標(biāo)雖也顯更均勻，平均值為-2.81，不均勻度為0.22，但由于風(fēng)速增大，整體表現(xiàn)的更冷。

從圖7中可知1.7m高處水平截面上PMV值分布均勻性比上一工況好，不均勻度為0.38，平均PMV值為-2.75，整體偏冷。若適當(dāng)提高送風(fēng)溫度，則可以達(dá)到更適宜的熱舒適度。

4.3提高送風(fēng)溫度，幅流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)客室舒適度情況

表3　提高送風(fēng)溫度后車(chē)體各處得熱量W

依舊保持幅流風(fēng)機(jī)和蝸殼的運(yùn)轉(zhuǎn)，將送風(fēng)溫度從20℃提高到23℃，選取15s時(shí)刻的工況具體參數(shù)進(jìn)行分析，因室內(nèi)溫度提高，故各部位得熱量減少，冷負(fù)荷降低。

提高送風(fēng)溫度后，溫度分布差異性小，平均溫度為296.84K，溫度不均勻度為0.23；平均風(fēng)速為0.57m/s，除風(fēng)口附近風(fēng)速較大外，其余部位風(fēng)速均保持較好的均勻性，風(fēng)速不均勻度為0.5，PMV指標(biāo)平均值為-1.21，比上兩個(gè)工況PMV值更接近0，其不均勻度為0.4，有較好的舒適性和均勻性。圖9顯示了1.7m高水平截面PMV指標(biāo)云圖，其平均值和不均勻度分別為-1.06，0.37，相比送風(fēng)溫度為20℃時(shí)的云圖，23℃送風(fēng)溫度下整個(gè)車(chē)廂熱舒適度更趨于中性狀態(tài)。

5　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)CFD數(shù)值模擬方法，分別對(duì)有無(wú)幅流風(fēng)機(jī)作用，以及有幅流風(fēng)機(jī)作用的情況下采用送風(fēng)溫度的地鐵車(chē)廂進(jìn)行模擬，研究了幅流風(fēng)機(jī)對(duì)地鐵列車(chē)車(chē)廂流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明在沒(méi)有幅流風(fēng)機(jī)作用下，車(chē)廂溫度出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，即風(fēng)口下方溫度較其他部位明顯偏低，水平截面上也呈現(xiàn)出同樣的不均勻現(xiàn)象，不利于車(chē)廂熱舒適性的提高；當(dāng)幅流風(fēng)機(jī)及蝸殼作用時(shí)，在同樣的進(jìn)風(fēng)溫度下，在風(fēng)機(jī)掃風(fēng)的擾動(dòng)下客室內(nèi)氣流均勻性大大提升，但由于風(fēng)速提高，PMV值減小，客室偏冷，同樣不利于車(chē)廂熱舒適性；故將出風(fēng)溫度提高3℃，在風(fēng)機(jī)的擾動(dòng)下客室溫度保持良好的均勻性，且PMV值較前兩個(gè)工況有所提高，更接近0值，車(chē)廂熱舒適性大大提高。幅流風(fēng)機(jī)與擺動(dòng)蝸殼聯(lián)合使用，對(duì)于列車(chē)客室流場(chǎng)的改變有明顯效果，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和蝸殼擺動(dòng)頻率，能快速對(duì)車(chē)廂微環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，在保證熱舒適性的同時(shí)提高出風(fēng)溫度，減小空調(diào)機(jī)組負(fù)荷。

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Im pact of Periodic Disturbance Airflow on Metro Train Flow Distribution

YE Chen-hui，CHEN Jian-yun，ZANG Jian-bin
（School of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Themetrocarriage iscomparatively crowded and sealed,so the flow distribution of thecarriage is important to passengers'feeling.There are trains equipped with cross-flow fans for improving flow distribution,but no numerical analysis about the influence of fans had been done.In this passage,the CFD simulation is used to analyze cabin flow distribution when train is in 35℃air environment.Whether cross-flow fanswith swinging volutes are functional or not to carriage environmentwhen supply air temperature is 20℃,and the flow distribution with cross-flow fanswhen supply air temperature is23℃areanalyzed in thispassage.And the final resultsindicate thatcross-flow fanswith swingingvolutescan improve the temperaturehomogeneity,making temperatureheterogeneousdegreedecrease from 0.49 to0.28.If thesupplyair temperature is raised,the thermalcom fort ofcarriagewill improveaswellassaveenergy.

cross-flow fan；cabin flow distribution；heterogeneous degree；save energy

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.017

U270.38+3

B

2095-3429（2016）05-0068-06

葉晨輝（1991-），男，安徽黃山人，碩士研究生，研究方向：制冷及低溫工程；陳建云（1994-），男，浙江衢州人，碩士研究生，研究方向：制冷及低溫工程；臧建彬（1973-），男，河北徐水人，教授，博士，研究方向：制冷及低溫工程。

2016-07-13

2016-08-25