劉 晶，李寧寧，巨子琪

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的日益提高，地鐵列車作為新型的交通工具，它的迅速發(fā)展，從某種角度來講，代表一個城市的發(fā)達(dá)程度，因此地鐵的發(fā)展必將受到高度重視。為滿足旅客的舒適性要求,城市軌道車輛的氣流組織系統(tǒng)也在逐步完善。車廂內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)是影響旅客舒適性的主要因素。要保持車廂內(nèi)溫度均衡,還得使車廂內(nèi)保持一定的微風(fēng)速,這就必須要求車內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)具備合理性。

本論文采用Gambit軟件建立B型地鐵列車三維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立邊界條件；采用Fluent軟件模擬上送上回送風(fēng)方式下，送風(fēng)速度對室內(nèi)溫度場和速度場的影響；通過模擬結(jié)果對后期地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)而得到滿足人體舒適度的最佳送風(fēng)速度。

1 數(shù)值模擬的物理及數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

本論文研究的是B型車，其基本數(shù)據(jù)為：車高2.1 m，車體寬度為2.8 m，一節(jié)車長為19 m，由于地鐵車廂的對稱性，本文取9.5 m車長為研究對象。半截車廂一共有4個送風(fēng)口,1個回風(fēng)口，送風(fēng)口長為720 mm寬為144 mm，回風(fēng)口長度1 050 mm寬度450 mm，座椅的長度3 000 mm，寬度為500 mm，高度取50 mm。根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，用SOLIDWORKS畫出正視圖，如圖1所示。

圖1 車廂三維側(cè)視圖Fig.1 Three-dimensional side view of carriage

1.2 數(shù)學(xué)模型

任何形式的流體力學(xué)計(jì)算，都需要利用連續(xù)方程、動量方程、能量方程來計(jì)算。流體的流動和熱交換作用方式，在自然界中本來就是一種非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，但是在現(xiàn)實(shí)生活中想要表達(dá)這類流體的流動和熱交換的物理現(xiàn)象就必須使用數(shù)學(xué)方程。隨著CFD理論的不斷發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)能力的提高。用于求解不同性質(zhì)流體和不同動態(tài)流動的控制方程很好的補(bǔ)充3個基本方程的計(jì)算能力，極大提高了對流體的計(jì)算效率以及計(jì)算準(zhǔn)確性。

1.2.1 連續(xù)方程

連續(xù)方程的原理即為質(zhì)量守恒，物質(zhì)不會憑空產(chǎn)生，也不會自然消失。如果將流體看作是連續(xù)物的介質(zhì)，那么在其流過大小有限而空間位置不變、形狀任意的外殼時，這時在單位時間內(nèi)定性的物質(zhì)體內(nèi)質(zhì)量的增加就是同一時間內(nèi)流入物體內(nèi)部氣流的凈質(zhì)量。根據(jù)此理論，得到連續(xù)方程如下：

式中：、、分別表示流體在、、方向上速度分量；為流體密度，不可壓縮的流體，它的密度變?yōu)槌?shù)，其連續(xù)方程表達(dá)為：

1.2.2 動量方程

動量方程式將流體看成無數(shù)個運(yùn)動的微小團(tuán)粒，牛頓第二定律可知,作用在無數(shù)個運(yùn)動的微小團(tuán)粒上的力就是體積力和表面力的總和，也就是團(tuán)粒的力=團(tuán)粒的質(zhì)量×團(tuán)粒加速度。如果將空氣質(zhì)量忽略不計(jì)，可得流體動量方程：

式中，特別的是是一個熱力學(xué)變量。

但對于可以壓縮的流體，密度就會發(fā)生改變。假設(shè)空氣是一種理想氣體，得出流體壓力公式：

絕熱方程為：

式中：為流體壓力；表示速度矢量；為氣體常數(shù)；為絕熱溫度；C為定壓時的比熱。

1.2.3 能量方程

能量方程物理學(xué)原理是能量守恒。流入微團(tuán)內(nèi)凈熱量的能量與微團(tuán)體積力和表面力做功的功率之和就是流體微團(tuán)內(nèi)能量的變化率這是依據(jù)熱力學(xué)第一定律而得出的理論，故結(jié)論出能量守恒方程：

將公式（6）展開：

1.3 網(wǎng)格劃分及數(shù)值求解方法

由于GAMBIT建模界面不友好，加之建模效率不高，因此一般采用 SOLIDWORKS建模并將之導(dǎo)入GAMBIT中。建好的SOLIDWORKS模型可以以“.igs”文件輸出，在GAMBIT中用Import導(dǎo)此文件，注意選擇Non stand-alone vertice，這樣就不會發(fā)生壁面分層的現(xiàn)象了。

網(wǎng)格劃分的數(shù)據(jù)，車廂（face1～face6）網(wǎng)格大小設(shè)置為0.05 mm，回風(fēng)口網(wǎng)格劃分大小0.03 mm,送風(fēng)口網(wǎng)格劃分大小0.02 mm。在計(jì)算機(jī)允許的條件下網(wǎng)格劃分的越小，模擬數(shù)據(jù)越精確。

1.4 邊界條件

網(wǎng)格劃分完便開始邊界條件的定義。其中將送風(fēng)口邊界條件設(shè)置為速度入口用“速度入口”表示，將出口邊界條件設(shè)置為回風(fēng)口用out表示，墻壁和座椅及車體表面全都算為固定值用Wall表示。其中入口in和出口out的速度都設(shè)為速度入口，但送風(fēng)口為正值，送回風(fēng)口為負(fù)值。

2 送風(fēng)風(fēng)速對氣流組織的模擬研究與分析

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城軌車輛已成為人們重要的出行工具。而地鐵車輛的舒適性，也在日益提高。大量文獻(xiàn)表示影響舒適性的主要原因是送風(fēng)風(fēng)速和送風(fēng)溫度。本文主要研究送風(fēng)風(fēng)速對氣流組織的影響。

2.1 地鐵內(nèi)部空間氣流分布云圖

半截車廂一共有4個送風(fēng)口，1個回風(fēng)口，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，計(jì)算出數(shù)個點(diǎn)位云圖的坐標(biāo)，在X軸上取0.8，1.6，2.4 m為X軸的研究對象，在Y軸分別取2，4，6，8 m，在Z軸取0.7 m和1.4 m畫出各個點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)，得到想要模擬研究的云圖，模擬時便可看出云圖變化。模擬云圖點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

表1 模擬云圖各個點(diǎn)位坐標(biāo)Tab.1 Coordinate of each point of simulated cloud picture

為方便研究車廂內(nèi)溫度場、速度場的分布狀況，分別在車輛長寬高方向選取有代表性的平面。在研究風(fēng)速大小對氣流組織的影響時，設(shè)置送風(fēng)溫度為固定值292 K，送風(fēng)速度分別設(shè)置為1.5，2，2.5，3 m/s，速度場分布云圖及速度矢量圖，分別選取X=0.7 m，X=1.4 m，X=2.1 m，Y=3 m，Y=2 m，Y=4 m，Y=6 m，Z=0.7和Z=1.4 m的相應(yīng)截面。

2.2 送風(fēng)速度為1.5 m/s時的模擬云圖

圖形模擬好后，便可導(dǎo)入溫度值進(jìn)行模擬，此時顯示溫度場，溫度不同顏色不同，由于溫度的顏色變化較小，我們也可看壓強(qiáng)圖進(jìn)行辨別。如圖2～圖5所示，溫度為292 K,速度為1.5 m/s時的溫度場和速度場的模擬圖。

圖2 Y軸方向的風(fēng)速模擬云圖Fig.2 Wind speed simulation picture in Y axis

圖3 Z軸方向的風(fēng)速模擬云圖Fig.3 Wind speed simulation picture in Z axis

圖4 X軸方向的風(fēng)速模擬云圖Fig.4 Wind speed simulation picture in X axis

圖5 Z軸方向的溫度模擬云圖Fig.5 Temperature simulation picture in Z axis

因?yàn)闇囟葓鲇媚M云圖表示圖片直觀并不明顯，故將溫度在Y軸上的4個面的分布情況的點(diǎn)圖用以表示，如圖6所示。

圖6 Y軸方向的溫度的點(diǎn)狀模擬云圖Fig.6 Point simulation nephogram of temperature in Y axis direction

2.3 送風(fēng)速度為2 m/s時的模擬云圖

此時溫度在Y軸上的4個面的分布情況如圖7～圖9所示。

圖7 溫度在Z軸上的兩個面的分布情況Fig.7 Distribution of temperature on two sides of Z axis

圖8 溫度在X軸3個分布面的點(diǎn)狀模擬云圖Fig.8 Point simulation picture of temperature in x planes

圖9 Y軸分布的溫度點(diǎn)狀模擬云圖Fig.9 Temperature point simulation nephogram of Y axis distribution

2.4 送風(fēng)速度為2.5 m/s時的模擬云圖

送風(fēng)速度為2.5 m/s時的模擬云圖如圖10～圖11所示。

圖10 Y軸的速度模擬云圖Fig.10 Velocity simulation nephogram of Y axis

圖11 X=0.7 m，?1.4 m，2.1 m的速度圖Fig.11 X = 0.7 m，1.4 m，2.1 m speed chart

由于溫度場模擬云圖做出來效果顏色不是很明顯，故用Plot點(diǎn)狀云圖表示，如圖12～圖13所示。

圖12 Y軸的溫度模擬云圖Fig.12 Temperature simulation nephogram of Y axis

圖13 Z軸的溫度模擬云圖Fig.13 Temperature simulation nephogram of Z axis

2.5 送風(fēng)速度為3 m/s時的模擬云圖

送風(fēng)速度為3 m/s時的模擬云圖如圖14～圖15所示。

圖14 風(fēng)速在Y軸的模擬云圖Fig.14 Temperature simulation nephogram of Y axis

圖15 風(fēng)速在X軸的模擬云圖Fig.1 5 Simulation cloud picture of wind speed on X axis

3 模擬結(jié)果分析

（1）本模擬測得的結(jié)果為：通過對比送風(fēng)速度在1.5、2、2.5、3 m/s時的溫度速度分布云圖，比較得出送風(fēng)速度在2 m/s到2.5 m/s時溫度變化最均勻，也是最符合人體適宜的溫度的。在規(guī)定中：客室內(nèi)氣流速度應(yīng)大于 0.07 m/s小于0.9 m/s，人員站立時頭部區(qū)域（1.7 m）的風(fēng)速應(yīng)小于 0.30 m/s 。而當(dāng)送風(fēng)速度為 3 m/s 時，人體站立頭部位置處風(fēng)速超過 0.5 m/s，會有吹風(fēng)感。因此空載時送風(fēng)速度為2.5 m/s時的速度為最佳值，也可以看出送風(fēng)速度越高時，熱舒適性也就越低。因此送風(fēng)速度不超過3 m/s 為宜；

（2）空載時各模擬云圖溫度和氣流分布較為均勻，與車廂內(nèi)平均溫度大抵相同。靠近回風(fēng)口處的溫度要比其他區(qū)域溫度稍高一些，靠近回風(fēng)口的氣流速度也比遠(yuǎn)離回風(fēng)口處的速度大一些?？蛰d時車廂內(nèi)流體平均溫度比送風(fēng)溫度高 2～3 ℃；

（3）送風(fēng)溫度相同，當(dāng)送風(fēng)速度升高時，各個模擬面的風(fēng)速也跟著升高。由于回風(fēng)口壓強(qiáng)原因會擁有吸附作用，靠近回風(fēng)口處的氣流速度比車廂內(nèi)其地方更大一些。改變送風(fēng)速度對車廂內(nèi)溫度場和速度場的影響較大。