丁前莊 許鈺文 楊天智 呂知梅

摘 要：目前城軌車輛客室內(nèi)部氣流組織一般采用上部送風(fēng)上部回風(fēng)或者上部送風(fēng)下部回風(fēng)方式，其中上部送風(fēng)上部回風(fēng)方式約占80%左右，本文采用數(shù)值模擬對比兩種氣流組織形式的差異，以及對客室內(nèi)部溫度場的影響。

關(guān)鍵詞：城軌車輛;上部回風(fēng);下部回風(fēng);人體模型;阻力

中圖分類號：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0092-02

1 概述

本文通過模擬城軌車輛上送上回和上送下回兩種氣流組織方式對客室內(nèi)部溫度場的分布影響，對比兩種氣流組織方式各自存在的問題及后續(xù)的研究方向。

2 物料模型及模擬方法

使用GAMBIT軟件建模，F(xiàn)LUENT軟件模擬。由于地鐵車廂內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車內(nèi)障礙物較多，幾何模型需對實際情況進(jìn)行合理的簡化[1]。

（1）考慮了車廂內(nèi)座椅對氣流的影響;（2）忽略了車內(nèi)燈、扶手等尺寸較小障礙物對氣流的影響;（3）由于車體呈橫向和縱向的對稱性，只考慮車體內(nèi)部1/4模型進(jìn)行計算。

車廂模型圖1所示，車廂模型數(shù)據(jù)表1所示。

關(guān)于人體模型的大小，參考了Airpak軟件自帶的人體模型尺寸。為了避免建模時出現(xiàn)網(wǎng)格劃分問題，對人體模型尺寸進(jìn)行了的調(diào)整，如表2所示。

建模時采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，車廂內(nèi)空氣為不可壓縮氣體，符合boussinesq假設(shè)，車壁傳熱系數(shù)設(shè)置為2.4W/（m2·K），通過能量方程及k-ε湍流模型，對車廂內(nèi)部的溫度場、氣流速度進(jìn)行模擬。

3 上送上回載人車廂的數(shù)值模擬

以條縫型送風(fēng)口作為入口邊界，送風(fēng)速度為2.2m/s，送風(fēng)溫度設(shè)定為16℃。座椅座位坐滿人，站立72人，模型可站立區(qū)域面積18.93m3，則可求得模型的車內(nèi)站立密度為3.8人/m2。模擬得到車廂內(nèi)平均空氣溫度22.21℃，車內(nèi)不同截面的空氣溫度分布圖如圖2所示。

由圖2中的溫度分布情況可以得出結(jié)論：（1）通過圖2的溫度分布能明顯看出送風(fēng)氣流可達(dá)到人體活動范圍內(nèi)，即頭部至膝蓋位置的空氣溫度能維持在25℃左右。（2）回風(fēng)口位置的冷空氣有回流現(xiàn)象，從圖中可以看出，人體附件區(qū)域與拐角頂板存在1-2K的溫差。

4 上送下回載人車廂的數(shù)值模擬

為了研究上送上回與上送下回通風(fēng)方式對車內(nèi)溫度場的區(qū)別，將回排風(fēng)口設(shè)置在座椅下方側(cè)墻位置，每排座椅下方設(shè)置兩個風(fēng)口，其他模擬條件不變。模擬得到車廂內(nèi)平均空氣溫度21.59℃，與上送上回方式的平均空氣溫度相差不大。車內(nèi)不同截面的空氣溫度分布圖如圖3所示。

從圖3可以看出，上送下回的通風(fēng)方式使得氣流有明顯的貼壁現(xiàn)象，即靠近車壁的空氣溫度明顯降低，但是中間區(qū)域的溫度已經(jīng)高于29℃。這非常不利于車內(nèi)站立乘客的熱舒適。

5 兩種氣流組織方式的差異

5.1 回風(fēng)阻力

上送上回這種通風(fēng)方式或多或少存在送風(fēng)短路的現(xiàn)象，尤其是在載人時，乘客量越大，人體對送風(fēng)的阻礙作用越大，氣流不能順利送至車輛底部，因此回流現(xiàn)象也越明顯。采用上送下回的通風(fēng)方式可以改善這一現(xiàn)象，充分利用送風(fēng)，優(yōu)化氣流組織，提高空調(diào)系統(tǒng)利用效率。上送下回通風(fēng)方式相比上送上回而言，由于氣流要經(jīng)過人體間隙，最終進(jìn)入回風(fēng)口，氣流阻力勢必增加[2]。表3所示列出了兩種送回風(fēng)型式的壓力值。

上送下回車廂的回風(fēng)阻力明顯高于上送下回車廂，相比于上送上回載人車廂，上送下回載人車廂的回風(fēng)阻力高出63.4%。文中模擬的載人車廂車內(nèi)站立密度為3.8人/m2，乘客之間還有許多空隙。而對于上送下回車輛，如果車內(nèi)人數(shù)增加，乘客之間的空隙減小，回風(fēng)阻力將會明顯增加。當(dāng)車內(nèi)站立密度高達(dá)8人/m2時，乘客之間幾乎沒有空隙，回風(fēng)阻力變得非常大，需要增加送風(fēng)機的壓頭以克服氣流的回風(fēng)阻力。

5.2 上送下回通風(fēng)方式的貼壁現(xiàn)象

通過圖2及圖3可以發(fā)現(xiàn)，上送下回的通風(fēng)方式極大的改善了送風(fēng)短路的現(xiàn)象，送風(fēng)能夠通過乘客之間的空隙，送至地板位置。但是由于回風(fēng)口的位置只能布置在座椅下方，使得氣流有明顯的貼壁現(xiàn)象，即靠近車壁的空氣溫度明顯降低，但是中間區(qū)域的溫度已經(jīng)高于29℃，這非常不利于車內(nèi)中部站立乘客的熱舒適性。

6 結(jié)語

（1）上送上回的通風(fēng)方式在載人時容易出現(xiàn)車內(nèi)送風(fēng)短路的現(xiàn)象，上送下回的通風(fēng)方式能夠?qū)⒗錃饬鞒浞炙椭寥梭w活動區(qū)，解決送風(fēng)氣流短路現(xiàn)象，但是回風(fēng)阻力會比上送上回的車輛大許多，同時上送下回易造成車廂乘客站立區(qū)域的溫度偏高的現(xiàn)象;（2）針對上述問題，目前我們正在對上部回風(fēng)與下部回風(fēng)結(jié)合的方式進(jìn)行仿真研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 易柯.地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)氣流組織數(shù)值計算與分析[J].城市軌道交通研究，2009（11）：40-44.

[2] 丁前莊.城軌車輛客室中頂板格柵送風(fēng)與孔板送風(fēng)方案仿真對比[J].科技中國，2018（4）：334-335.