鄔春暉，劉淑麗，陳廷森，紀文杰，張少良，陳鴻寬

(1.北京市地鐵運營有限公司 運營二分公司，北京，100043；2.北京理工大學 機械與車輛學院，北京，100081)

為緩解城市交通擁堵問題，更好地滿足城市人口出行便利的需求，我國地鐵建設進入了一個蓬勃發(fā)展的新時代。地鐵已經(jīng)成為人們日常通勤的一種重要交通工具。據(jù)統(tǒng)計，截至2020年12月，全國45 個城市已建成地鐵線路6 302.79 km，中國已經(jīng)成為世界上地鐵線路總長度最長的國家[1]。廣大乘客在享受地鐵快速、便利出行的同時，也越來越關注其內部熱舒適性問題，而車廂內部氣流組織是影響熱舒適性的主要因素之一[2-3]。當前地鐵車廂普遍采用的上送上回空調送風模式造成車廂內部氣流組織不合理，從而導致制冷效果差、冷熱不均等問題，難以滿足熱舒適需求[4-5]。據(jù)北京地鐵方面統(tǒng)計，2021年1月至5月，某車型共接到多渠道乘客有關溫控類方面訴求17 件，其中80%約為熱舒適方面的訴求。李俊等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)，動態(tài)送風可以顯著改善局部熱環(huán)境。此外也有研究表明，將風速提高到一定程度，即使在28 ℃的環(huán)境下人們也能感到舒適[7]。

因此，研究車廂內部氣流組織的優(yōu)化對提高乘客熱舒適性意義重大。當前，地鐵車廂正逐步采用幅流風機來改善車廂內熱舒適性。幅流風機對地鐵車廂內環(huán)境的影響引起了研究人員的廣泛關注。趙楠[8]采用實測及計算流體力學方法研究幅流風機對車廂內環(huán)境與乘客舒適度的影響，結果表明幅流風機可改善車廂氣流組織，提高流場均勻度和人體熱舒適。何鋒等[9]采用實驗和計算流體力學的方法研究幅流風機的熱舒適，發(fā)現(xiàn)采用幅流風機可使地鐵車廂乘客整體熱感覺降低7.3%、熱舒適升高0.76%。然而，本研究中的地鐵車輛現(xiàn)有空調風道結構為雙空調主機貫通式，主風道、支風道分別位于空調主機兩側，空調送風從燈帶外側由空調送風機排出，若進行風道整體改造，安裝傳統(tǒng)模式的幅流風機將增加改造難度和高資金投入、改造周期長。因此有必要尋求一種新的技術手段以替代幅流風機。渦輪增壓技術是一種提高發(fā)動機進氣能力的技術，將該技術引入到風扇中可使其進風量從狹小的送風口中增壓送出，形成強射流導致周邊氣流流動[10]。引入該技術的風扇為無葉風扇，較傳統(tǒng)風扇相比，其更安全，產(chǎn)生的氣流風速更大且更平穩(wěn)。

本文作者以北京某地鐵車廂為例進行車廂內氣流組織研究，通過將采用渦輪技術的無葉風扇引入地鐵車廂對其進行改造，分析改造前后車廂內部氣流組織，并采用速度不均勻系數(shù)、空氣齡及空氣分布特性指標對其進行評價，進而評估該方案的可行性。

1 研究方法

本研究采用實驗測試與數(shù)值模擬相結合的方法，研究地鐵車廂安裝無葉風扇改造前后車廂內氣流組織分布。實驗測試用來為數(shù)值模擬提供邊界條件，并對模型進行驗證，在保證數(shù)值模型可靠的前提下，利用數(shù)值模擬技術對改造前后車廂內的速度分布、溫度分布、空氣齡以及空氣分布特性指標(ADPI)進行研究。

1.1 測試方案及儀器

在夏季熱工況下對原地鐵車廂及改造后的車廂內部的溫度和風速進行了測試，使用的儀器為“AS8556”風溫風速測量儀。由于地鐵車廂具有對稱性，因此選取3個典型截面(X1=2.5 m；X2=5.6 m；X3=8.3 m)進行測試。根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟UIC553標準[11]，在每個截面內布置15 個測點，將測點分別布置在距車廂底部高0.1、0.5、1.2、1.7 和2.0 m處，即對應于乘客的腳部、膝部、坐下和站立時頭部、頭部上方位置，水平位置距左右車廂壁面距離分別為0.5 m，測點布置具體情況如圖1所示。

圖1 地鐵車廂內溫度速度測試截面選取及測點布置圖Fig.1 Selection of temperature and velocity test section and measurement point arrangement in subway

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1 控制方程

本研究采用RNGk-ε湍流模型對地鐵車廂內空氣流動進行求解，求解方程如下[12-13]：

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

湍流動能方程:

湍流擴散方程：

式中：t為時間，ui(i=1，2，3，分別對應X，Y，Z)為3 個方向的流速，m/s；uj(j=1，2，3，分別對應X，Y，Z)為3 個方向的流速，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；P為壓力，Pa；μ為動力黏度系數(shù)，N·s/m2；Si為動量源項(如重力，浮力等)；T為熱力學溫度，K；k為導熱系數(shù)，W/(m·K)；Cp為比熱容，J/(kg·k)；ST為熱源項；Gk為由于速度梯度引起的湍流動能產(chǎn)生項；Gb為由于浮力引起的產(chǎn)生項；σk和σε分別為k和ε對應的普朗特數(shù)；C1ε和C2ε為經(jīng)驗常數(shù)。

1.2.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

以北京某地鐵車廂作為研究對象，將無葉風扇安裝在車廂頂部，考慮到車廂的實際布局及客觀因素(如安全、穩(wěn)定等)，無葉風扇呈吸頂式交錯安裝。車廂內部長×寬×高為16.76 m×2.30 m×2.30 m，該車廂采用上送上回送風方式，送回風口分別設置在車廂左、右兩側呈對稱布置，送風口共14個，回風口共4個。送回風口的寬度均為90 mm，長度各有不同，具體尺寸及位置布置如圖2所示。為研究無葉風扇對車廂內氣流組織的影響，本文建立了2 種模型，分別是改造前(無無葉風扇)和改造后(有無葉風扇)模型，在2種模型下模擬4種不同工況(無無葉風扇、無葉風扇速度為2 m/s、無葉風扇速度為4 m/s、無葉風扇速度為6 m/s)，如表1所示。

表1 數(shù)值模擬工況表Table 1 Table of numerical simulation of working conditions

圖2 地鐵車廂空調送回風口布置位置及尺寸圖Fig.2 Air conditioning supply and return air outlet layout location and size chart of subway

以該地鐵車廂為計算模型，并對該計算模型進行簡化：1)忽略車廂內吊環(huán)、扶手、LED 顯示屏等細微結構；2)對車窗、車門、座椅、送回風口等做適當簡化。數(shù)值模擬計算采用如圖3所示網(wǎng)格。為了獲得準確的計算結果，并節(jié)省計算成本，本研究采用混合網(wǎng)格(非結構網(wǎng)格和結構網(wǎng)格)對車廂進行離散化處理，車廂安裝無葉風扇處由于形狀復雜故采用非結構網(wǎng)格，其余空間采用六面體結構網(wǎng)格。為排除網(wǎng)格數(shù)目對計算結果的影響，本研究分別采用網(wǎng)格數(shù)目為312 萬、430 萬和569萬這3種不同網(wǎng)格數(shù)目進行網(wǎng)格獨立性分析，以代表線L(8.35 m，1.15 m，Z)為例進行速度比較，結果如圖4所示。綜合考慮計算成本與精度，本模擬研究選擇網(wǎng)格數(shù)目為430萬。

圖3 計算網(wǎng)格劃分Fig.3 Computational Gridding

圖4 網(wǎng)格獨立性分析[代表線L(8.35 m，1.15 m，Z)]Fig.4 Grid independence analysis [represented the line of(8.35 m,1.15 m,Z)]

1.2.3 邊界條件

本研究所選擇的是夏季工況，數(shù)值模擬邊界條件根據(jù)實地測試得出。送風口采用速度入口(velocity inlet)，方向垂直風口向內，送風速度為1.15 m/s，送風溫度設為294 K；回風口采用速度入口(velocity inlet)，方向垂直風口向外，回風速度為1.95 m/s。車廂壁面采用第三類邊界條件，綜合傳熱系數(shù)為2.4 W/(m2·K)[14]，車廂兩端因分別連接其余車廂，故將其設置為symmetry。

2 結果分析與討論

2.1 模型驗證

為驗證數(shù)值模擬結果的有效性，本研究從車廂內溫度場與速度場分布對模擬結果進行驗證。圖5和圖6所示分別為不同測點下溫度與速度的實驗值與模擬值的比較。從圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬與實驗測試結果比較吻合，并且溫度吻合度要比速度吻合度高，主要原因是溫度變化不明顯，測量誤差較小，而速度由于受氣流影響波動較大，誤差相對較高。在本研究中，溫度最大相對誤差為3.20%，速度最大相對誤差為15.38%。就整體而言，該誤差在可接受范圍內，因此模擬計算結果可靠。

圖5 不同測點位置溫度的實驗值與模擬值的比較Fig.5 Comparison of experimental values with simulated values for temperatures at different measurement locations

圖6 不同測點位置速度的實驗值與模擬值的比較Fig.6 Comparison of experimental values with simulated values for velocities at different measurement point positions

2.2 速度場分析

“呼吸區(qū)”是研究氣流組織及熱舒適等方面的關注重點[15-17]，ANSI/ASHRAE 標準62.1—2019 中將呼吸區(qū)定義為“距離地面0.75～1.80 m 之間的區(qū)域[18]。為研究不同工況下車廂內氣流分布，選取車廂中心截面(Y=1.15 m)和呼吸區(qū)截面(Z=1.7 m)進行分析。圖7所示為不同工況下車廂中心截面(Y=1.15 m)速度場分布。從圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)：改造前的地鐵車廂在垂直高度方向上氣流速度分層明顯，即在車廂上部(圖中紅線標記上方)速度較小，介于0.1～0.3 m/s 之間，車廂下部速度較大，介于0.4～0.7 m/s 之間，氣流速度分布不均勻，難以滿足乘客熱舒適需求。從圖7(b)～(d)可以看出：改造后的車廂內速度分層現(xiàn)象減弱，并且隨著無葉風扇速度的增加，車廂內氣流擾動增強，增強了冷熱空氣的混合，使得車廂內氣流速度分布趨向均勻，尤其是呼吸區(qū)域內(圖中紅線標記下方)。圖8所示為不同工況下車廂呼吸區(qū)(截面Z=1.7 m)速度分布?？梢园l(fā)現(xiàn)在送風口正下方氣流速度較大，而在其他區(qū)域速度相對較小。由圖8(b)和(d)可知：當車廂內安裝無葉風扇進行改造后，無葉風扇的送風速度過小或過大都會導致室內氣流組織差，送風速度太小驅動力不足，影響的區(qū)域有限；送風速度過大，會有強烈的吹風感。為了進一步評估室內氣流的均勻性，分析呼吸面1.7 m處速度不均勻系數(shù)。工況一至工況四的氣流速度不均勻系數(shù)ku分別為0.95，1.04，0.79 和0.70。ku越小，氣流分布的均勻性越好。由此可知，改造后車廂內氣流均勻性與無葉風扇的送風速度密切相關。

圖7 不同工況下車廂中心截面(Y=1.15 m)速度場分布Fig.7 Ⅴelocity field distribution at the center section of carriage(Y=1.15 m)under different working conditions

圖8 不同工況下車廂呼吸區(qū)截面(Z=1.7 m)速度場分布Fig.8 Ⅴelocity field distribution of carriage breathing zone section(Z=1.7 m)under different working conditions

2.3 溫度場分析

由于本研究中考慮的是空載情況下的地鐵車廂，無內部熱源，因此車廂內部溫度場在各工況下差別不大，主要是由氣流組織引起的差別。工況一至工況四下車廂平均溫度分別為21.95，21.90，21.85 和21.98 ℃?？梢钥吹焦r四下的車廂內平均溫度最高，工況二下的車廂內平均溫度最低。而由2.2節(jié)分析可知，工況四的速度分布不均勻系數(shù)最小為0.7，工況二的速度分布不均勻系數(shù)與工況四的接近。由此可知在空調通風條件下密閉受限空間內速度場及溫度場存在一定的關聯(lián)，而合理的改造需兼顧速度場及溫度場舒適性要求。

2.4 空氣齡指標

空氣齡反映室內各點空氣的新鮮程度，是空氣在房間內已經(jīng)滯留的時間，它可以揭示室內空氣的流動狀態(tài)[19]。圖9 和圖10所示分別為不同工況下車廂內中心截面和呼吸區(qū)截面的空氣齡分布情況。從圖9 和圖10 可以發(fā)現(xiàn)車廂中部空氣齡比兩端部空氣齡小，主要原因是車廂兩端部設有回風口，車廂內混合后的空氣從該處流出。觀察改造前后車廂內空氣齡，發(fā)現(xiàn)改造后車廂中部空氣齡減小，兩端部空氣齡有所增大。并且隨著無葉風扇送風速度的增大，車廂中部空氣齡減小，兩端空氣齡先減小后增大。這表明無葉風扇的送風速度存在一臨界值。為了進一步分析改造前后車廂內空氣齡的變化，對車廂內整體平均空氣齡與呼吸區(qū)平均空氣齡進行計算。計算結果如表2所示?？芍粑鼌^(qū)內空氣齡比車廂整體空氣齡要小，其中工況三空氣齡最小，工況四空氣齡最大?？諝恺g越小說明空氣越新鮮，空氣品質越好，對人越有利，基于這點可知工況三比工況一車廂內空氣品質要好。

圖9 不同工況下車廂中心截面(Y=1.15 m)空氣齡分布Fig.9 Air age distribution at center section of carriage(Y=1.15 m)under different working conditions

圖10 不同工況下車廂呼吸區(qū)截面(Z=1.7 m)空氣齡分布Fig.10 Air age distribution in breathing zone section(Z=1.7 m)of carriage under different working conditions

表2 不同工況下平均空氣齡Table 2 Mean age of air under different working conditions

2.5 空氣分布特性指標

空氣分布特性指標(IADP)是指滿足規(guī)定風速和溫度要求的測點數(shù)與總測點數(shù)之比，主要考慮的是空氣溫度與風速對人體的綜合影響，IADP越大，代表感到舒適的人群比例越大[20-21]。其定義如下：

式中：IADP為空氣分布特性指標；m為ΔTe大于-1.7且小于1.1的測點數(shù)；n為總測點數(shù)；ΔTe為有效溫度差，℃；ti和tn分別為工作區(qū)某點的空氣溫度和給定的室內設計溫度，℃；ui為工作區(qū)某點的空氣流速，m/s。

在本研究中，為了進一步分析各工況下車廂內氣流組織性能，選擇IADP進行評價，考慮呼吸區(qū)內所有符合溫度與風速的計算測點與總測點。各工況下的IADP計算結果如表3所示。從表3 可知：工況三的IADP最高，較改造之前即工況一提高了11.09%，對應的乘客熱舒適也將提高。

表3 不同工況下車廂內空氣分布特性指標(IADP)Table 3 IADP of subway carriage under different working conditions

3 結論

1)無葉風扇能有效提升地鐵車廂內部空氣品質。采用無葉風扇能減弱車廂內速度分層現(xiàn)象，并且隨著無葉風扇送風速度的增加，氣流擾動作用增強，車廂內速度分布趨向均勻，工況一到工況四的速度不均勻系數(shù)ku分別為0.95，1.04，0.79和0.70。

2)地鐵車廂內部中心區(qū)域空氣齡比車廂兩端空氣齡小，中心區(qū)域空氣齡集中在40～100 s 之間，而兩端空氣齡大多在100 s以上。

3)合理的改造能有效改善地鐵車廂內氣流組織，在本文研究的4個工況中，從綜合速度不均勻系數(shù)、空氣齡、空氣分布特性指標3 個指標評估，工況三形成的氣流組織對熱舒適的改善性能較好。