周敏, 陳春俊,王東威,楊露

(1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 四川 成都 610031;2. 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司, 湖南 株洲 412000;3.軌道交通運(yùn)維技術(shù)與裝備四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031)

截至2021年底,中國鐵路營業(yè)里程已達(dá)到15 萬km,已建成的運(yùn)營鐵路隧道共16 798座,總長約19 630 km;正在建設(shè)的時(shí)速為300～350 km/h的高速鐵路隧道共2 884座,規(guī)劃建設(shè)的有1 566座[1]。近15年來,中國高速鐵路隧道發(fā)展極為迅速,車-隧耦合空氣動力學(xué)問題顯著。國內(nèi)外學(xué)者對高速化列車的研究重點(diǎn)逐漸聚焦于列車安全性及乘坐舒適性等領(lǐng)域。隧道壓力波引起的車內(nèi)壓力波動問題就是其中之一。列車通過隧道時(shí),隧道內(nèi)劇烈的壓力瞬變通過車體縫隙、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)等傳入車內(nèi),引發(fā)車內(nèi)劇烈的壓力波動,從而引起乘客耳膜不適等問題[2]。

為了解決這一問題,高速列車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部一般加裝有壓力保護(hù)系統(tǒng),用以控制車內(nèi)的壓力波動。目前技術(shù)比較成熟的壓力保護(hù)系統(tǒng)主要有兩種:基于高靜壓風(fēng)機(jī)技術(shù)的開放式壓力保護(hù)系統(tǒng)和基于換氣風(fēng)道閥門的封閉式壓力保護(hù)系統(tǒng)。目前我國的CRH系列高速列車,除了CRH2和CRH380A采用高靜壓風(fēng)機(jī)技術(shù)外,其他CRH系列高速列車均采用壓力截止閥保護(hù)技術(shù)[3],該技術(shù)對車內(nèi)壓力波動抑制效果明顯,但可能存在由于新風(fēng)門開度或開閉時(shí)機(jī)不當(dāng)而導(dǎo)致的車內(nèi)新風(fēng)量不足、CO2濃度超標(biāo)的問題。因此,有必要研究風(fēng)道閥門開度及定時(shí)刻關(guān)閉對車內(nèi)壓力及CO2濃度的影響。丁浩[4]基于CFD方法分析了壓力保護(hù)系統(tǒng)對隧道壓力波及交會壓力波的抑制效果;江傳東等[5]建立了高速列車車廂及換氣系統(tǒng)模型,研究了隧道壓力波對車內(nèi)壓力及微環(huán)境的影響;李樹典等[6]在CRH2型高速列車上分別進(jìn)行了開放式及封閉式壓力保護(hù)系統(tǒng)的對比試驗(yàn),試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用主被動結(jié)合的控制方式能夠更好地控制車內(nèi)壓力波動;歐陽立芝等[7]研究了高速列車新風(fēng)量與風(fēng)道閥門的關(guān)系及其對車內(nèi)壓力的影響;He等[8]考慮壓力保護(hù)閥的截止特性,建立了被動式壓力保護(hù)系統(tǒng)下的車內(nèi)外壓力傳遞模型,并研究了通過調(diào)節(jié)風(fēng)道閥門的開度抑制車內(nèi)壓力波動的控制算法。

盡管國內(nèi)外學(xué)者對隧道壓力波激擾下壓力保護(hù)系統(tǒng)對車內(nèi)壓力波動的抑制效果及控制算法進(jìn)行了大量研究,但目前的研究大多基于流動模型展開,其精度及廣度有待加深;風(fēng)道閥門對車內(nèi)空氣質(zhì)量的影響研究仍停留在新風(fēng)量的計(jì)算上,而未進(jìn)一步考慮CO2濃度的變化規(guī)律。因此,本文以某型CRH高速列車為研究對象,綜合考慮空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)、換氣風(fēng)道閥門及管路系統(tǒng),建立了滿載高速空調(diào)列車三維模型?？紤]人體呼吸作用,采用計(jì)算流體力學(xué)方法模擬了隧道壓力影響下閥門不同開度及定時(shí)刻關(guān)閉等工作狀態(tài)下的通風(fēng)系統(tǒng)送排風(fēng)作用,研究了高速列車風(fēng)道閥門開度對車內(nèi)壓力及CO2濃度的影響。

1 計(jì)算模型

1.1 基本條件及假設(shè)

本文對空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的送排風(fēng)數(shù)值模擬假設(shè)如下:①空調(diào)管路及車廂內(nèi)部的氣體流動為低速流動,因此滿足Boussinesq假設(shè),即流體的密度變化僅對浮升力產(chǎn)生影響;②客室內(nèi)存在自然對流,氣體流動狀態(tài)為紊流流動;③送風(fēng)系統(tǒng)及車廂密封性良好,除送風(fēng)口及排風(fēng)口與外界相通外,不存在漏氣現(xiàn)象;④車廂為滿載狀態(tài),僅對車廂內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,對衛(wèi)生間、電器柜等區(qū)域作簡單分割;⑤假設(shè)空氣由二氧化碳(CO2)、水蒸氣(H2O)、氧氣(O2)、氮?dú)?N2)組成,不含其他微量氣體及雜質(zhì)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文所用的數(shù)值模擬計(jì)算軟件為ANSYS Fluent,不考慮空氣壓縮性的影響,采用三維非定?？蓧嚎sNavier-Stokes方程和工程中適用于管道內(nèi)部流動的Realizable k-epsilon兩方程湍流模型對隧道壓力激擾下的車內(nèi)流場進(jìn)行描述,數(shù)學(xué)模型受質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程的支配。方程離散格式采用二階迎風(fēng)格式,壓力速度耦合算法采用SIMPLE算法。瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間步長為2.5×10-4s,在整個(gè)模擬過程中,計(jì)算單元Courant值小于1.0。

1.3 幾何模型

以某型高速列車為研究對象,建立客室內(nèi)流場及空調(diào)系統(tǒng)幾何模型,車廂全長為24.8 m,寬為3.27 m,高為3.89 m?？褪覂?nèi)流場考慮了座椅、乘客、兩端的洗手間及電器柜等,座椅采用2+3布置,如圖1所示?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng)模型見圖2。該車型未設(shè)有單獨(dú)的回風(fēng)管道,僅有兩個(gè)布置于車廂頂端的回風(fēng)口。風(fēng)道閥門位于新風(fēng)格柵及廢排單元內(nèi),通風(fēng)面積為0.02 m2。

圖2 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)模型

該型空調(diào)列車送風(fēng)道安裝于車廂頂部,分為3個(gè)管道以不同的輸送路徑向車內(nèi)送風(fēng)。在本文空調(diào)機(jī)組工作模式下,75%的風(fēng)量從中間管道經(jīng)由風(fēng)道底面的出風(fēng)孔、調(diào)整板及多孔天花板通道送入車內(nèi);25%的風(fēng)量從中間管道兩側(cè)的供風(fēng)管道經(jīng)由軟風(fēng)管、側(cè)墻風(fēng)道通過窗戶及地板送風(fēng)口送風(fēng)。新風(fēng)進(jìn)入車廂后,一部分通過回風(fēng)口回到空調(diào)機(jī)組與新風(fēng)匯合,另一部分通過座椅下方的廢排口流入廢排道及安裝于車廂底部的廢排單元,排出車外,如圖3所示,圖中實(shí)線箭頭為送風(fēng)路徑,虛線箭頭為排風(fēng)路徑。

圖3 送風(fēng)及排風(fēng)路徑

1.4 網(wǎng)格劃分及獨(dú)立性驗(yàn)證

四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有較強(qiáng)的復(fù)雜幾何邊界貼合能力,在通用性和擴(kuò)展性上效果顯著,對具有復(fù)雜邊界的流場計(jì)算問題尤其有效。由于本文的幾何模型較復(fù)雜,故采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算域的離散。

對客室內(nèi)頂部的送風(fēng)孔板,小孔直徑為4 mm,若按原尺寸進(jìn)行直接建模,需要劃分的網(wǎng)格數(shù)量巨大。為節(jié)約計(jì)算資源,按開孔率采用等面積簡化處理,這種簡化方法基本不會影響到孔板阻力特性,且有利于送風(fēng)孔板處的網(wǎng)格劃分。

選取基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸分別為650、760、850 mm,劃分3套網(wǎng)格,同時(shí)對3套網(wǎng)格條件下風(fēng)道閥門全開工況t=2s時(shí)刻的車內(nèi)第8排過道測點(diǎn)氣壓及CO2濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。從表中可知,基礎(chǔ)尺寸為760 mm的網(wǎng)格與另外兩套網(wǎng)格的氣壓和CO2濃度相對誤差分別為2.6%(粗)、1.1%(細(xì))和3.5%(粗)、1.0%(細(xì))。

中等密度與細(xì)密度網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果誤差在1%左右,網(wǎng)格精度已經(jīng)達(dá)到計(jì)算要求,后續(xù)采用760 mm的基礎(chǔ)尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分。車廂整體網(wǎng)格及孔板局部網(wǎng)格見圖4。

(a) 車廂整體網(wǎng)格

1.5 邊界條件

入口邊界:空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)入口作為入口邊界條件,設(shè)置為壓力入口(pressure inlet),壓力數(shù)據(jù)為武廣線窯頭嶺隧道(1 067 m)線路實(shí)測壓力數(shù)據(jù)。以函數(shù)形式給出壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系,利用UDF編譯。氣體組分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)與大氣環(huán)境相同,CO2為0.05%,O2為23.1%,H2O為2.1%,其余為N2。

出口邊界:空調(diào)系統(tǒng)的廢排口作為壓力出口邊界(pressure outlet),以廢排口處的車外壓力作為壓力邊界條件。

換氣裝置:根據(jù)換氣風(fēng)機(jī)的特性曲線設(shè)定壓頭函數(shù),風(fēng)機(jī)特性曲線是關(guān)于靜壓和流量的關(guān)系曲線(圖5)。改變風(fēng)機(jī)兩端壓差,使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工作點(diǎn)發(fā)生平移,則進(jìn)入車廂的總風(fēng)量得以確定。

圖5 風(fēng)機(jī)特性曲線

人體呼吸邊界:在乘客面部設(shè)置各氣體組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù),其中CO2為5.71%,O2為16.9%,H2O為3.45%,其余為N2。

內(nèi)部面邊界:為模擬風(fēng)道閥門的開閉動作,按照閥門的通風(fēng)面積建立內(nèi)部面并將其分割成面積相等的5份,以模擬風(fēng)道的不同開度(100%,80%,60%,40%,20%)。通風(fēng)時(shí)將閥門面設(shè)置為氣流可通過的內(nèi)部面邊界(interior),阻斷時(shí)設(shè)置為氣流不可通過的壁面邊界(wall)。

2 人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)

我國《聯(lián)調(diào)聯(lián)試動態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》和動車組招標(biāo)技術(shù)文件中對車廂內(nèi)瞬變壓力的舒適性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了等級劃分:車內(nèi)空氣壓力變化小于或等于200 Pa/1 s為優(yōu); 小于或等于800 Pa/3 s為良; 小于或等于1 250 Pa/3 s為合格, 大于1 250 Pa/3 s為不合格[9]。本文對車內(nèi)壓力舒適度的分析均是基于該標(biāo)準(zhǔn)的。

對車內(nèi)空氣質(zhì)量的要求:空氣中CO2含量對乘客的舒適性影響較大,按照GB/T 1883—2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,室內(nèi)空氣日平均CO2濃度不得超過0.1%。

3 結(jié)果分析

3.1 測點(diǎn)布置

由于車廂體積龐大,本節(jié)分析計(jì)算結(jié)果時(shí)僅選取關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。選取的主要測點(diǎn)共5個(gè),分別分布在第1、8、16排過道、洗手間過道及電器柜過道,測點(diǎn)分布示意圖見圖6,圖中白色圓點(diǎn)即為測點(diǎn)。

圖6 測點(diǎn)分布示意圖

3.2 風(fēng)道閥門全開對壓力及CO2濃度影響

圖7為風(fēng)道閥門全開時(shí)隧道壓力影響下的車內(nèi)各測點(diǎn)仿真壓力時(shí)程曲線。由圖可知,車內(nèi)各測點(diǎn)壓力時(shí)程曲線基本重合,車內(nèi)壓力分布均勻,后續(xù)選取第8排過道測點(diǎn)作為車內(nèi)壓力代表測點(diǎn)。圖8為風(fēng)道閥門全開時(shí)隧道壓力影響下的車內(nèi)、外壓力時(shí)程曲線對比。從圖中可知,車內(nèi)壓力波動趨勢與車外基本相同,但車內(nèi)壓力波動幅度小,該工況下車內(nèi)壓力1 s變化率為253.67 Pa/1 s,3 s變化率為281.32 Pa/3 s,車內(nèi)壓力舒適度等級為良好。

圖7 車內(nèi)不同測點(diǎn)仿真壓力時(shí)程曲線

圖8 車內(nèi)、外壓力時(shí)程曲線對比

圖9為風(fēng)道閥門全開時(shí)隧道壓力影響下的車內(nèi)不同測點(diǎn)仿真CO2濃度曲線。從圖中可以看出,車內(nèi)各測點(diǎn)CO2時(shí)程曲線差異較大。由于乘客的呼吸作用,在乘客區(qū)CO2濃度普遍比非乘客區(qū)高,排序?yàn)榈?排→第16排→第1排,第1排乘客靠近回風(fēng)口,空氣流通性較好,故CO2濃度最低;第8排乘客距離回風(fēng)口較遠(yuǎn)且位于CO2聚集的乘客區(qū)中部,CO2濃度最高。風(fēng)道閥門全開工況下,隧道全程室內(nèi)CO2最大濃度為0.065%,車內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

圖9 車內(nèi)不同測點(diǎn)仿真CO2濃度曲線

3.3 風(fēng)道開度對車內(nèi)壓力及CO2濃度影響

圖10為閥門開度分別為100%(即全開)、80%、60%、40%及20%工況下的車內(nèi)壓力時(shí)程曲線。由圖10可知,風(fēng)道閥門開度減小,車內(nèi)壓力變化趨勢不變,但波動減弱且幅值減小,即關(guān)小風(fēng)道閥門將進(jìn)一步抑制列車在過隧道工況下的車內(nèi)壓力波動。

圖10 不同風(fēng)道閥門開度下的車內(nèi)壓力時(shí)程曲線

圖11為不同風(fēng)道閥門開度下的車內(nèi)各測點(diǎn)CO2濃度曲線。由圖11可知,風(fēng)道閥門開度與CO2濃度成反比,減小風(fēng)道閥門開度將導(dǎo)致車內(nèi)各測點(diǎn)CO2濃度升高。其中,第8排過道測點(diǎn)CO2濃度升高最為明顯,說明閥門開度減小,乘客區(qū)空氣質(zhì)量惡化最為嚴(yán)重。此外,列車進(jìn)入隧道后,換氣風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)受隧道壓力波的影響發(fā)生了平移,車內(nèi)新風(fēng)量較明線工況時(shí)減少,回風(fēng)增加,車內(nèi)乘客呼出的CO2堆積,故乘客區(qū)各測點(diǎn)CO2濃度均在隧道后半段明顯升高,該路段不適宜關(guān)閉風(fēng)道閥門。

(a) 第1排過道

圖12(a)～圖12(c)為隧道壓力影響下的開度-壓力舒適度關(guān)系曲線?？芍?風(fēng)道閥門開度小于80%時(shí),車內(nèi)壓力峰峰值及1 s變化率最大值與開度近似呈2次函數(shù)關(guān)系,3 s變化率最大值與開度近似呈線性關(guān)系。閥門開度為60%時(shí),車內(nèi)壓力1 s變化率為147.48 Pa/1 s,相比閥門全開工況降低了41.81%,壓力舒適度等級由良好提升至優(yōu)秀。因此,要使車內(nèi)壓力舒適度為優(yōu)秀,開度區(qū)間在0～60%時(shí)效果較好。圖12(d)為隧道壓力影響下的開度-CO2濃度最大值關(guān)系曲線。從圖中可知,開度大于40%時(shí),閥門開度與CO2濃度最大值呈線性反比;小于40%時(shí),繼續(xù)關(guān)小閥門,車內(nèi)CO2濃度急劇升高。當(dāng)開度為20%時(shí),CO2濃度最大值達(dá)到0.092%,接近臨界濃度。閥門開度繼續(xù)減小,車內(nèi)空氣質(zhì)量將有可能超標(biāo),故要使車內(nèi)空氣質(zhì)量良好,開度區(qū)間應(yīng)當(dāng)大于20%。綜合考慮風(fēng)道閥門開度對車內(nèi)壓力舒適性及空氣質(zhì)量的影響,風(fēng)道閥門開度應(yīng)控制在20%～60%為最佳。

圖12 風(fēng)道閥門開度與車內(nèi)壓力及CO2濃度關(guān)系

3.4 關(guān)閉閥門對車內(nèi)壓力及CO2濃度影響

圖13為風(fēng)道閥門全開時(shí)車內(nèi)壓力1 s變化率及新風(fēng)口處壓力時(shí)程曲線,其中實(shí)線為新風(fēng)口處壓力,虛線為車內(nèi)壓力1 s變化率。觀察該圖可知,隧道壓力數(shù)據(jù)存在5個(gè)急劇變化時(shí)段,其中時(shí)段③及時(shí)段④的隧道壓力劇變導(dǎo)致了車內(nèi)壓力1 s變化率超標(biāo)。因此,針對性地對該路段風(fēng)道閥門進(jìn)行關(guān)閉,以隔絕隧道壓力波向車內(nèi)傳遞,探究其對車內(nèi)壓力波動及CO2濃度的影響.本節(jié)中風(fēng)道閥門關(guān)閉時(shí)刻t=4.18 s,開啟時(shí)刻t=6.54 s.

圖13 車內(nèi)壓力1 s變化率及新風(fēng)口壓力時(shí)程曲線

圖14為隧道壓力影響下風(fēng)道閥門全開及定時(shí)刻關(guān)閉工況下的車內(nèi)壓力時(shí)程曲線。由圖14可知,在隧道壓力危險(xiǎn)時(shí)段關(guān)閉風(fēng)道閥門可針對性地對壓力變化率較高時(shí)段進(jìn)行有效控制,車內(nèi)壓力1 s變化率由240.41 Pa/s降為199.50 Pa/s,降低17.02%,壓力舒適度等級由良好提升至優(yōu)秀。

圖14 閥門全開及定時(shí)關(guān)閉狀態(tài)下車內(nèi)壓力變化率時(shí)程曲線

圖15為風(fēng)道閥門全開及定時(shí)刻關(guān)閉狀態(tài)下車內(nèi)測點(diǎn)CO2濃度對比。風(fēng)道閥門關(guān)閉后,車內(nèi)第8排測點(diǎn)CO2濃度急劇上升,第1排及第16排測點(diǎn)CO2濃度在隧道后半段上升明顯,車內(nèi)CO2濃度最大值可達(dá)0.072%。相比閥門全開工況,CO2濃度升高10.29%,但總濃度均小于0.1%,在允許范圍內(nèi)。

(a) 第1排過道

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法,建立了某型高速空調(diào)列車滿載三維模型,考慮人體呼吸作用計(jì)算了隧道壓力影響下,換氣風(fēng)道閥門不同開度及定時(shí)刻關(guān)閉工況下的客室內(nèi)壓力及CO2濃度,得出結(jié)論如下:

(1)隧道壓力影響下車內(nèi)壓力分布均勻且變化趨勢與隧道壓力相似,車內(nèi)氣壓波動幅值大幅減小,氣密性車體及換氣系統(tǒng)中的大壓頭風(fēng)機(jī)對客室內(nèi)的壓力波動有一定抑制作用。

(2)風(fēng)道閥門開啟工況下,隧道壓力波將影響風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn),使送入客室的新風(fēng)量相比明線工況有所波動,乘客呼吸作用產(chǎn)生的CO2則持續(xù)堆積。因此,客室內(nèi)乘客區(qū)CO2濃度將在隧道后半段明顯升高,該路段不適合關(guān)閉風(fēng)道閥門。

(3)減小風(fēng)道閥門開度可有效減弱車內(nèi)壓力波動,該措施同樣會對于車內(nèi)空氣質(zhì)量造成影響。在本文給定隧道壓力波參數(shù)條件下,閥門開度為60%時(shí),車內(nèi)壓力1s變化率降低41.81%,車內(nèi)壓力舒適度等級由良好提升至優(yōu)秀,CO2濃度上升15.38%。綜合考慮閥門開度對車內(nèi)壓力及CO2濃度的影響,風(fēng)道閥門開度控制在20%～60%為最佳。

(4)隧道壓力劇變時(shí)段,車內(nèi)壓力舒適度超標(biāo),在這些路段將風(fēng)道閥門徹底關(guān)斷,可以有針對性地抑制車內(nèi)壓力波動,但會使車內(nèi)CO2濃度在隧道后半段顯著增大。本文在給定隧道壓力波參數(shù)條件下, 在隧道壓力劇烈波動路段關(guān)閉閥門2.27 s,車內(nèi)壓力1 s變化率降低17.02%,壓力舒適度等級由良好提升至優(yōu)秀,CO2濃度升高10.29%,在允許范圍內(nèi)。