王前選，黃琬，徐祥南

（五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529020）

軌道交通是人們通勤的首選交通工具，車廂內(nèi)的空氣環(huán)境影響乘員的舒適感受與健康. 車廂內(nèi)流場(chǎng)受多種因素的影響，如通風(fēng)形式、送風(fēng)參數(shù)、乘客幾何結(jié)構(gòu)、熱負(fù)荷分布等，因此，有必要從多角度研究和分析車內(nèi)流場(chǎng)的特性，并不斷優(yōu)化其氣流組織[1-2]. 既有對(duì)列車內(nèi)部氣流組織的研究，大多從優(yōu)化送風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或送風(fēng)條件入手，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)列車內(nèi)部氣流組織進(jìn)行預(yù)測(cè)，優(yōu)化設(shè)計(jì)室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)以增強(qiáng)人體舒適度[3-8]. 通常，乘員在列車內(nèi)散熱、散濕、排放污染物，是車內(nèi)環(huán)境的主要影響因素；乘員的數(shù)量和聚集模式共同影響車廂內(nèi)環(huán)境的變化. 本文研究夏季制冷模式、不同送風(fēng)角度下，基于單個(gè)人體散熱規(guī)律構(gòu)建乘員密集條件下不同人數(shù)、不同姿態(tài)人群的散熱模型，以期為合理匹配列車空調(diào)系統(tǒng)工作負(fù)荷提供科學(xué)依據(jù).

1 地鐵車廂幾何模型及簡(jiǎn)化

本文以北京DKZ5型地鐵車廂為計(jì)算模型，車廂內(nèi)部空間尺寸：19m×2.8m×2.1m . 客室有4對(duì)側(cè)門，尺寸為1.84m×1.3m. 由于車廂在長(zhǎng)度方向是對(duì)稱分布的，故以1/2身長(zhǎng)的空間作為研究區(qū)域. 車廂每排座椅長(zhǎng)3m，寬0.5 m，背高0.5 m，座椅面距地板0.4 m. 全車空調(diào)通風(fēng)布置為上送上回式，送風(fēng)口尺寸0.72 m×0.144 m ，回風(fēng)口尺寸0.45 m×1.05 m.

為研究方便，將車廂內(nèi)人體模型簡(jiǎn)化為組合的長(zhǎng)方體，乘客幾何模型尺寸參考中國(guó)成年人人體尺寸GB 10000—1988標(biāo)準(zhǔn)[9]，具體如圖2所示.

圖1 北京DKZ5型地鐵車廂模型

圖2 坐、立人體模型

2 數(shù)學(xué)模型

在模擬過(guò)程中，假定車內(nèi)空氣為定常流動(dòng)的不可壓縮流體，流體流動(dòng)需要滿足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定理. 同時(shí)，為降低網(wǎng)格生成的難度、提高網(wǎng)格的質(zhì)量和計(jì)算效率，在建模過(guò)程中進(jìn)行如下假設(shè)：

1）假設(shè)空氣是連續(xù)、不可壓縮、穩(wěn)定的理想流體.

2）假設(shè)墻壁不參與外界傳熱且空調(diào)客車車廂內(nèi)氣密性良好.

3）假設(shè)乘客個(gè)體間無(wú)體型差異，忽略穿著服飾的影響，即認(rèn)為每個(gè)乘客的模型和邊界條件是一致的.

4）對(duì)車廂內(nèi)空氣流域的建模中忽略車內(nèi)吊環(huán)、扶手、站點(diǎn)顯示屏等對(duì)空氣流動(dòng)影響較小的設(shè)備.

整個(gè)計(jì)算模型采用Star-CCM+中的多面體網(wǎng)格模型，其網(wǎng)格劃分如圖3所示，為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，在送風(fēng)口、回風(fēng)口、車門、對(duì)稱面等多處進(jìn)行了加密，最終車廂體網(wǎng)格數(shù)量為905 404.

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格劃分模型

3 邊界條件的設(shè)置與計(jì)算求解

依據(jù)湍流模型計(jì)算需要，設(shè)置夏季制冷模式下的入口、出口邊界條件，以及各壁面條件.

入口邊界定義：速度入口，車廂內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為24C°，各工況下皆取送風(fēng)溫度16C°、送風(fēng)速度2 m/s，將送風(fēng)速度分解并設(shè)置好余弦值. 湍動(dòng)能k取0.02，湍動(dòng)能耗散率ε取0.008. 送風(fēng)角度分別為30°、45°、60°、90°，送風(fēng)角度劃分如圖4所示.

圖4 送風(fēng)角度劃分

出口邊界定義：壓力出口，默認(rèn)出口壓力為大氣壓.

壁面邊界定義：車廂壁面主要包括頂壁、地板、車門及四周側(cè)壁，考慮到地鐵主要在隧道內(nèi)運(yùn)行，故忽略太陽(yáng)輻射及風(fēng)霜雨雪的外界天氣影響.

將地板、頂壁和兩端定義為絕熱邊界要求. 其中，一車廂端部連接前車廂，設(shè)置為對(duì)稱面；兩側(cè)側(cè)壁的邊界條件取第三類邊界條件，即兩側(cè)車體壁面的綜合傳熱系數(shù)為2.4 W/(m2·°C)，車門的綜合傳熱系數(shù)為4.6 W/(m2·°C)，隧道的內(nèi)部空氣溫度35°C；人體作為車廂內(nèi)部熱源，采用第二類邊界條件，定義為熱流邊界，其熱流密度58 W/m2.

求解控制參數(shù)的設(shè)置如表1所示.

表1 求解控制參數(shù)的設(shè)置

4 氣流分布評(píng)價(jià)

為清楚描述不同送風(fēng)角度下，乘客的集聚模式對(duì)車廂內(nèi)流場(chǎng)氣流組織的影響，本文討論圖5所示的4種典型工況，即單人就坐、并排就坐、近距離并排背靠背站立、混合站立.

圖5 車廂內(nèi)乘客的4種典型集聚模式

研究沿車體長(zhǎng)度方向分別在車廂內(nèi)送風(fēng)口截面位置X=-0.75m 、回風(fēng)口截面位置X=2.25m處截取2個(gè)測(cè)量斷面. 以圖6中X=-0.75 m截面為例，在每個(gè)斷面內(nèi)按距離地板高度分別為0.1 m、0.5 m、1.2 m、1.7 m（也就是根據(jù)乘客的腳踝、膝蓋、坐姿和站立的頭部）布置測(cè)點(diǎn)，并在車廂寬度方向上按距離車廂側(cè)壁長(zhǎng)度分別為0.3 m、0.7 m、1.4 m、2.1 m、2.5 m布置測(cè)點(diǎn). 回風(fēng)口截面位置X=2.25 m 測(cè)點(diǎn)布置同上.

圖6 X=-0.75m 截面測(cè)點(diǎn)分布圖（單位m）

采用不同送風(fēng)角度，在每種工況下，測(cè)量X=-0.75 m 、X=2.25m兩個(gè)截面上的40個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度和速度，計(jì)算其算數(shù)平均值和均方根偏差，從而得到氣流分布性能評(píng)價(jià)的溫度不均勻系數(shù)其中，σt為溫度均方根差，為平均溫度）和速度不均勻系數(shù)為速度均方根差，為平均流速）. 結(jié)果如表2所示.

表2 不同送風(fēng)角度下，4種工況的溫度和速度均方根偏差、不均勻系數(shù)

綜上，當(dāng)送風(fēng)角度為30°、45°、60°時(shí)工況4的溫度不均勻系數(shù)皆最小，工況3的速度不均勻系數(shù)皆最??；送風(fēng)角度90°時(shí)工況1的溫度、速度不均勻系數(shù)均最?。ú痪鶆蛳禂?shù)越小，氣流分布的均勻性越好）.

氣流分布不僅影響整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能耗、原始投資和乘客舒服度，對(duì)空調(diào)設(shè)計(jì)的理論計(jì)算和分析也具有指導(dǎo)意義. 為反映車廂整體熱舒適度，基于測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算空氣分布特性指標(biāo)ADPI. 根據(jù)相關(guān)資料，有效溫差ΔET與室內(nèi)風(fēng)速ui存在以下關(guān)系：ΔET=(ti-tu)-7.66(ui-0.15)，式中，ti為車廂內(nèi)某點(diǎn)的空氣溫度，°C；tu為車廂內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度，°C，ui為車內(nèi)某點(diǎn)的空氣流速，m/s；當(dāng)有效溫差在-1.7~+1.1時(shí)，多數(shù)人感到舒適. ADPI主要考慮空氣的溫度與速度對(duì)于人體的綜合作用，其計(jì)算如下：

車內(nèi)氣流組織評(píng)價(jià)主要以測(cè)點(diǎn)溫度、速度平均值代表客室內(nèi)部的溫度和速度. 由圖7可知，工況1~4分別在60°、30°、90°、60°送風(fēng)角度下讓多數(shù)乘客對(duì)所處車廂熱環(huán)境較滿意.

圖7 不同送風(fēng)角度下4種工況的ADPI

5 氣流組織仿真結(jié)果

不均勻系數(shù)客觀地反映了氣流組織性能（即溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的均勻性），為改進(jìn)空調(diào)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試提供了依據(jù). 根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)資料，限于篇幅，本文僅列出0 mZ=截面處，送風(fēng)角度60°工況1、2、3和送風(fēng)角度30°工況4的不均勻系數(shù)最小的溫度、速度模擬結(jié)果.

圖8 各工況下的溫度、速度等值線圖

模擬結(jié)果顯示，隨著乘客不斷進(jìn)入車廂，車廂內(nèi)的平均溫度逐步升高（其中，工況1的截面溫度范圍為21.5~27.5°C，工況2的截面溫度范圍為24.5~29.5°C，工況3的截面溫度范圍為24.2~27.4°C，工況4的截面溫度范圍為25.2~29.2°C），均符合“同一鉛垂面上的溫度差值不得超過(guò)8 K”的國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC553標(biāo)準(zhǔn). 工況1、2的截面平均溫度較低，原因是乘客較少且車廂的兩端和過(guò)道處由于沒(méi)有熱源而且風(fēng)速較高，乘客身體周圍的熱量擴(kuò)散較快，不易聚集為高溫區(qū). 工況3、4中站姿乘客附近的截面平均溫度較高，原因是隨著乘客不斷進(jìn)入車廂，不同集聚模式的人 群混合站立，人體散發(fā)的熱量不易擴(kuò)散，導(dǎo)致乘客身體周圍的溫度明顯較高.

送風(fēng)口、回風(fēng)口位于車廂頂部，對(duì)車內(nèi)流場(chǎng)影響較大，工況1~4中乘客頭部大部分區(qū)域的微風(fēng)速約為0.1~0.3 m/s ，基本符合乘坐舒適性的要求，符合《UIC553客車通風(fēng)采暖和空調(diào)》附圖3中給出的人體四周覺(jué)得舒服的最大風(fēng)速與車內(nèi)溫度的關(guān)系. 工況1~4中風(fēng)速大于0.3 m/s的區(qū)域主要在送風(fēng)口和走道處；送風(fēng)口和回風(fēng)口周邊等值線密集，風(fēng)速較大；在回風(fēng)口的區(qū)域，空氣流速偏轉(zhuǎn)角度較大，出現(xiàn)了渦旋.

綜上，送風(fēng)溫度與風(fēng)速對(duì)人體的熱舒適性有耦合作用，由于車廂內(nèi)乘客較多，阻礙了空氣循環(huán)，導(dǎo)致送風(fēng)短路，使得工況4的截面平均溫度較高. 由于乘客的增加，對(duì)車廂內(nèi)氣流組織的阻礙增強(qiáng)，加劇了車內(nèi)氣流組織的不均勻性.

6 結(jié)論

1）雖然工況1～4分別在60°、30°、90°、60°送風(fēng)角度下實(shí)現(xiàn)了車廂的整體熱舒適性，但是該送風(fēng)角度下氣流分布的均勻性未達(dá)最佳. 原因是監(jiān)測(cè)截面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取限制，只靜態(tài)考慮了座椅周圍乘客的情況，為更直觀地說(shuō)明送風(fēng)角度對(duì)客室內(nèi)氣流組織的影響，應(yīng)均勻設(shè)置監(jiān)測(cè)截面及監(jiān)測(cè)點(diǎn).

2）車廂內(nèi)舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)ADPI值整體偏低，原因是簡(jiǎn)化后的幾何模型忽略了縫隙和導(dǎo)流板的作用，不能充分將送風(fēng)引向車廂內(nèi)部空間，導(dǎo)致局部區(qū)域氣流流速偏高. 實(shí)際運(yùn)行中，車內(nèi)舒適性比仿真結(jié)果好.

3）乘客的不同集聚方式對(duì)客室內(nèi)的氣流組織有較大影響，為保證車內(nèi)空氣品質(zhì)均勻，車內(nèi)空調(diào)的送風(fēng)口角度應(yīng)盡可能隨乘員的數(shù)量做出改變，不宜始終保持一個(gè)角度. 需要進(jìn)一步建立基于乘客集聚—車內(nèi)熱流場(chǎng)規(guī)律的地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)溫度—風(fēng)速—風(fēng)向耦合設(shè)定方法，實(shí)現(xiàn)列車空調(diào)系統(tǒng)智能調(diào)控.