向清河 康 偉 朱啟文 段洪亮 秦鴻波 姜 宇

(1.武漢地鐵集團(tuán)建設(shè)事業(yè)總部，430079，武漢；2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司工程研究中心，130062，長(zhǎng)春//第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師)

通過CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))軟件數(shù)值模擬研究室內(nèi)熱環(huán)境已成為現(xiàn)代通風(fēng)空調(diào)工程研究規(guī)劃和設(shè)計(jì)中的課題之一[1]。文獻(xiàn)[2]利用FLUENT軟件對(duì)北京地鐵車輛客室內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了滿足人體舒適性要求的送風(fēng)工況；文獻(xiàn)[3-4]對(duì)地鐵車輛的風(fēng)道和客室內(nèi)氣流組織進(jìn)行了模擬，為地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。通過CFD數(shù)值模擬分析不同送風(fēng)方式對(duì)車輛內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的影響，可以為城市軌道交通車輛空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供新的思路和方法，有利于車輛舒適性的提升。

本文針對(duì)送風(fēng)格柵和中頂孔板與側(cè)送風(fēng)口這兩種送風(fēng)方式進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值模擬、舒適性分析，研究不同送風(fēng)方式下客室內(nèi)的溫度與流場(chǎng)，為開展以舒適性為基礎(chǔ)的送風(fēng)氣流組織研究工作摸索經(jīng)驗(yàn)和方法。

1 測(cè)試方法及結(jié)果

測(cè)試對(duì)象為武漢地鐵3號(hào)線列車，測(cè)試儀器為“天建華儀WFWZY-1”手持式萬(wàn)向風(fēng)速風(fēng)溫記錄儀。測(cè)點(diǎn)選取參考 UIC553《客車通風(fēng)采暖和空調(diào)》，選取距地板面高0.6 m、1.1 m、1.7 m和回風(fēng)口4處共10個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)試中，送風(fēng)口的平均風(fēng)速為2 m/s，溫度為19 ℃。送風(fēng)格柵與中頂孔板與側(cè)送風(fēng)口兩種送風(fēng)方式下客室內(nèi)的溫度分布如圖1、圖2所示。

圖1 送風(fēng)格柵送風(fēng)方式下客室內(nèi)的溫度分布圖

由圖1、圖2可見，在兩種送風(fēng)方式下，頭部處的溫度均較低，這是因?yàn)轭^部處靠近送風(fēng)口，受氣流射流影響；0.6 m、1.1 m處的截面溫度比1.7 m處的高，這是因?yàn)橄虏繀^(qū)域人體散熱堆積，而氣流循環(huán)又受阻，因而導(dǎo)致溫度升高。

圖2 中頂孔板側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)方式下客室內(nèi)的溫度分布圖

下文根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬送風(fēng)格柵和中頂孔板與側(cè)送風(fēng)口兩種送風(fēng)方式下客室內(nèi)的氣流組織。

2 模型建立及邊界條件設(shè)定

2.1 物理模型

以武漢地鐵3號(hào)線車輛為研究對(duì)象建立車廂內(nèi)部模型，僅針對(duì)送風(fēng)口、流速分布及客室內(nèi)部分建模分析。由于車輛具有對(duì)稱性，因此，研究中車長(zhǎng)取值為4.2 m，車寬取值為2.6 m，車內(nèi)凈高取值為2.1 m。客室內(nèi)設(shè)2排座椅，每排座椅限定6人。簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

圖3 車輛客室模型斷面圖

2.2 車廂數(shù)學(xué)模型選擇

為能更直觀地分析模擬結(jié)果，建立車廂數(shù)學(xué)模型。設(shè)定車長(zhǎng)為X軸、高為Y軸、寬為Z軸，并選取車廂客室的代表性截面，代表性截面及其說明如表1所示。

表1 車廂客室代表性截面說明表

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型，同時(shí)作如下假設(shè)：客室內(nèi)空氣不可壓縮且符合Boussinesq假設(shè)；流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流；流體的湍流粘性各向同性，且具有高雷諾數(shù)；不考慮漏風(fēng)影響，車廂內(nèi)氣密性良好。

2.3 邊界條件的設(shè)定及模擬工況

1)車廂各部位傳熱系數(shù)K值為2.4 W/(m2·K)。采用第二類邊界條件，設(shè)置邊界條件熱流密度。

2)風(fēng)口邊界為：夏季送風(fēng)溫度為19 ℃，室外環(huán)境溫度35 ℃，送風(fēng)口風(fēng)速為2 m/s。

3)回風(fēng)口采用自由出口，給定人體平均熱流密度值為116 W，顯熱值為75 W，潛熱值為41 W。

不同模擬工況下的客室斷面送風(fēng)示意圖如圖4所示。模擬工況1為送風(fēng)格柵送風(fēng)，模擬工況2為中頂孔板與側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)。

圖4 不同送風(fēng)工況下車輛客室斷面送風(fēng)示意圖

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 氣流組織的評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[6-9]要求，車內(nèi)氣流組織的評(píng)價(jià)指標(biāo)為：車內(nèi)任意兩點(diǎn)間溫差≤3 ℃；送風(fēng)口風(fēng)速為1～3 m/s ，車內(nèi)任意點(diǎn)風(fēng)速≥ 0.07 m/s；夏季車內(nèi)風(fēng)速≤0.5 m/s，地鐵車輛可放寬到 0.7 m/s。

3.2 數(shù)值模擬氣流對(duì)比分析

圖5為數(shù)值模擬各工況下Length-1截面氣流速度云圖。

圖5 數(shù)值模擬各工況下Length-1截面氣流速度云圖

由圖5可知：模擬工況1，受送風(fēng)氣流射流影響，在射流方向和客室中間區(qū)域風(fēng)速達(dá)到1 m/s左右，如果送風(fēng)溫度較低，舒適感就會(huì)較差，因此格柵送風(fēng)口附近站立區(qū)人體頭部區(qū)域風(fēng)速基本都大于0.7 m/s；模擬工況2，站立區(qū)人體頭部靠近側(cè)送風(fēng)口局部風(fēng)速大于0.6 m/s，中間區(qū)域則低于0.25 m/s。

圖6為數(shù)值模擬各工況下Height-1截面氣流速度云圖。

圖6 數(shù)值模擬各工況下Height-1截面氣流速度云圖

由圖6可知：模擬工況1，車廂中間氣流速度略高，坐姿時(shí)人體頭部區(qū)域風(fēng)速絕大部分在0.5 m/s左右，會(huì)有輕微的吹風(fēng)感；模擬工況2，座椅區(qū)靠壁面區(qū)域受氣流貼附作用，風(fēng)速基本在0.3 m/s以下，其余區(qū)域在0.4～0.8 m/s之間，就座乘客會(huì)有一定的吹風(fēng)感。

圖7為數(shù)值模擬各工況下Height-2截面速度云圖。

圖7 數(shù)值模擬各工況下 Height-2截面氣流速度云圖

由圖7可知：模擬工況1，格柵送風(fēng)方向上對(duì)應(yīng)區(qū)域風(fēng)速偏高，超過1.0 m/s，站立區(qū)乘客舒適感較差；模擬工況2，距地面1.7 m處風(fēng)速均在0.3 m/s以上，受側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)氣流影響，門區(qū)站立乘客頭部局部風(fēng)速達(dá)到或超過0.7 m/s，但中間區(qū)域風(fēng)速相對(duì)均勻。

圖8為車體中心截面處氣流速度云圖。

圖8 數(shù)值模擬各工況下Width-1截面氣流速度云圖

由圖8可知：模擬工況1,氣流從送風(fēng)口噴射出后，氣流比較均勻但相對(duì)速度較高；模擬工況2在滿載工況下，客室內(nèi)人員密度對(duì)空氣流動(dòng)的阻礙作用明顯，使得回排風(fēng)的阻力大。

3.3 數(shù)值模擬溫度場(chǎng)分析

圖9為數(shù)值模擬各工況下 Width-1截面的溫度云圖。

圖9 數(shù)值模擬各工況下Width-1截面的溫度云圖

由圖9可知：頭部以上區(qū)域側(cè)送風(fēng)溫度均勻性更好；頭部以下區(qū)域，側(cè)送風(fēng)時(shí)的客室平均溫度也略低于格柵送風(fēng)時(shí)的；滿載時(shí)，客室內(nèi)人員密度較大區(qū)間氣流流動(dòng)困難，熱量不能及時(shí)帶走，導(dǎo)致局部溫度高。

圖10為座椅乘客頭部區(qū)域Height-1截面的溫度云圖。

圖10 數(shù)值模擬各工況下 Height-1截面的溫度云圖

由圖10可知：客室門區(qū)主流溫度在25～29 ℃，座椅區(qū)主流溫度可以細(xì)分為站姿人體區(qū)和坐姿人體區(qū)主流溫度，分別為23～27 ℃和20～24 ℃。

圖11為站立人眼高度處Height-1截面的溫度云圖。

圖11 數(shù)值模擬各工況下Height-1截面的溫度云圖

由圖11中可知：2種模擬工況下，客室兩端回風(fēng)口處溫度都偏高，這主要是受氣流影響。

圖12是客室內(nèi)縱向溫度分布圖。由圖12可知：氣流從上向下溫度逐漸升高形成梯度；而回風(fēng)口處，熱空氣向上形成一個(gè)凸起的高溫區(qū)域；模擬工況2，乘客頭部以下區(qū)域溫度普遍較高，可能會(huì)使乘客感到熱感。

4 車輛客室PMV-PPD指標(biāo)分析

人體熱舒適不僅僅是溫度或者風(fēng)速單獨(dú)作用的結(jié)果，需要考慮多重環(huán)境因素。乘客在客室中的停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，代謝率在6 min之后可以認(rèn)為處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此本文重點(diǎn)討論反應(yīng)穩(wěn)定狀態(tài)下乘客熱舒適性指標(biāo)的PMV(預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià))。PMV指標(biāo)反應(yīng)人體熱平衡偏離程度，PPD(預(yù)測(cè)不滿意百分比)代表人的預(yù)期不滿意程度[10]。表2為PMV熱感覺標(biāo)尺表。

表2 PMV熱感覺標(biāo)尺表

利用MATLAB語(yǔ)言編制的PMV-PPD計(jì)算程序計(jì)算得出，當(dāng)PPD≤10%時(shí)，客室內(nèi)的空氣溫度范圍為21～25 ℃。在該范圍內(nèi)，相對(duì)濕度對(duì)熱舒適的影響不是很大?？褪覂?nèi)最佳的空氣溫度為25 ℃，最佳的相對(duì)濕度為60%。因此，進(jìn)行UDF(用戶自定義函數(shù))計(jì)算時(shí)選取相對(duì)濕度為60%、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為27 ℃來(lái)得出室內(nèi)溫度濕度偏離該值時(shí)整體舒適性。

4.1 格柵送風(fēng)的舒適性指標(biāo)分析

選取Height-1和Height-2截面進(jìn)行分析。

圖13為格柵送風(fēng)時(shí)Height-1截面舒適性指標(biāo)云圖。由圖13可知：座椅區(qū)靠近側(cè)壁區(qū)域的PPD值達(dá)到50%左右，客室中部的PPD值有很大一部分在50%以上；除上述區(qū)域外，客室其他區(qū)域的PPD值絕大部分在20%以下，舒適度較高。

圖14為格柵送風(fēng)時(shí)Height-2截面舒適性指標(biāo)云圖。由圖14可知：站姿乘客位置受送風(fēng)射流的影響較大，由于送風(fēng)氣流溫度低、風(fēng)速較大，因此這些區(qū)域很大部分的PMV值都在-1.5以下，人體熱舒適感差，偏涼或者冷。

圖13 格柵送風(fēng)時(shí)Height-1截面舒適性指標(biāo)云圖

圖14 格柵送風(fēng)時(shí)Height-2截面舒適性指標(biāo)云圖

對(duì)于Height-2截面，無(wú)論是座椅區(qū)還是門區(qū)，整個(gè)客室內(nèi)，中部和沿送風(fēng)射流方向區(qū)域的PPD值基本都超過了50%，局部更是達(dá)到了90%以上，乘客的不滿意度較高。

4.2 中頂孔板與側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)舒適性指標(biāo)分析

圖15為中頂孔板與側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)時(shí)Height-1截面舒適性指標(biāo)云圖。由圖15可知：圖15 a)所示的大部分區(qū)域的PMV值小于-1，人體感覺偏涼；圖15 b)所示的座椅區(qū)靠近側(cè)壁區(qū)域的PPD值達(dá)到90%，門區(qū)靠側(cè)壁區(qū)域的PPD值大部分在50%以上，其他區(qū)域的PPD值絕大部分在30%以下，舒適度較高。

圖16為中頂孔板與側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)時(shí)Height-2截面舒適性指標(biāo)云圖。由圖16可知：靠近側(cè)壁區(qū)域的PPD值基本都達(dá)到了90%以上；門區(qū)客室中心線至東向壁面，PPD值在50%左右的占比較高；門區(qū)客室中心線至西向壁面，局部區(qū)域的PPD值在30%，乘客的不滿意度低于格柵送風(fēng)時(shí)的工況。

圖15 中頂孔板與側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)時(shí)Height-1截面舒適性指標(biāo)云圖

圖16 中頂孔板與側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)時(shí)Height-2截面舒適性指標(biāo)云圖

5 結(jié)論

1)車輛客室內(nèi)溫度和風(fēng)速的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，地板垂直的方向上有明顯的分層現(xiàn)象，氣流在乘客之間流動(dòng)遇到一定的困難，會(huì)造成人體發(fā)熱量堆積，從而使Y=1.2 m截面以下區(qū)域溫度增高，仿真模擬結(jié)果較為符合。

2)中頂孔板送風(fēng)工況下，受氣流組織形式和熱羽流的綜合影響作用較大，氣流向下流動(dòng)的速度較弱，客室內(nèi)空氣的整體流速較低，從而也導(dǎo)致了區(qū)域內(nèi)溫度較高。門區(qū)內(nèi)，西側(cè)的送風(fēng)口送風(fēng)氣流經(jīng)風(fēng)口流出后，明顯受到熱羽流的影響，出現(xiàn)了一定程度的抬升。

3)格柵送風(fēng)工況下，客室內(nèi)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)未沿著客室中心線完全對(duì)稱，但總體上其對(duì)稱性還是相對(duì)較好?？褪抑胁繀^(qū)域和送風(fēng)氣流方向上，受送風(fēng)氣流的影響，此區(qū)域溫度較低，風(fēng)速較大。

4)就PMV和PPD而言，中頂孔板送風(fēng)工況下，Height-1截面處主流區(qū)域的PMV值基本都在-0.5～1之間，PPD值大部分在30%以下，整體舒適度較好；Height-2截面處局部區(qū)域的PMV值低于-1.5，PPD值也高達(dá)50%以上。

5)格柵送風(fēng)工況下，Height-1截面的PPD值大部分在20%以下，舒適度較高；Height-2截面座椅區(qū)，由于存在一定的送風(fēng)氣流貼附作用的影響，局部區(qū)域的PMV值小于-1.5，PPD值大于50%，熱舒適感較差。