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.中車長春軌道客車股份有限公司工程研究中心,130062,長春//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。
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。
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??褪覂?nèi)設(shè)2排座椅,每排座椅限定6人。簡化模型如圖3所示。
圖3 車輛客室模型斷面圖
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。
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
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。
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。
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。
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,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 ℃來得出室內(nèi)溫度濕度偏離該值時(shí)整體舒適性。
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。
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
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。客室中部區(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。