周期性擾動氣流對地鐵車輛車內流場影響

葉晨輝，陳建云，臧建彬

（同濟大學機械與能源工程學院，上海201804）

周期性擾動氣流對地鐵車輛車內流場影響

葉晨輝，陳建云，臧建彬

（同濟大學機械與能源工程學院，上海201804）

地鐵車廂空間狹小相對封閉，客室流場對乘客乘坐感受至關重要，已有地鐵列車通過加裝幅流風機改善車廂氣流組織，但未對幅流風機改善流場效果做定量分析。本文通過CFD數值模擬列車在夏季溫度35℃時的運行工況，分別研究了20℃送風時無風機和有風機作用下客室流場情況，以及研究在有風機運行時將送風溫度提高到23℃時的客室流場。結果表明幅流風機能減小客室溫度不均勻度，將無風機作用下的不均勻度0.49減小到有風機作用下的0.28；若適當提高空調出風溫度，可以改善客室PMV指標，同時減小空調機組負荷。

幅流風機；客室流場；不均勻度；節能

0　引言

地鐵車廂具有空間狹小，相對密閉，乘客人數眾多等特點，這就對地鐵車廂熱環境的舒適性和空氣品質的保證提出了難題。目前，我國各地地鐵的載客量已經達到了很高的水平，尤其是一線城市地鐵客流高峰期載荷達到8人/m2，遠遠超過一般建筑的人員密度。而地鐵運行時保持半密閉狀態，容易造成車廂內悶熱，空氣品質下降，給乘客帶來不舒適感。

Mc Intyre[1]在研究中發現，當室內溫度達到28℃時，受試者仍能通過提高風速達到熱舒適。Rohles[2]等人通過研究認為當Rh=50%時，只要給一定風速，舒適溫度上限能達到29.4℃，并且分析了節能效果，蒸發溫度每升高1℃，空調可以節能5.4%。清華大學夏一哉[3]研究發現高氣流脈動強度可以改善中性-熱狀態下人體的熱感覺并減少吹風感的產生，在高濕度的條件下（Rh=65%）以及低相對濕度（35%）且溫度高于27.5℃時，氣流脈動強度增大會減少人的不舒適感；而低濕度低溫的情況下，氣流脈動強度的增大會增大人的不舒適感。Mayer[4]認為氣流脈動強度的增加會加大對流換熱量，從而產生冷吹風感。夏一哉[5]等人試驗結果表面在26-30.5℃范圍內吹等溫氣流，大部分人偏好的氣流頻率為0.3-0.5Hz，而隨著頻率增加，人體感受到的吹風強度逐漸減小。Fanger[6]等人的實驗發現，頻率在0.3-0.5Hz的周期性變化的氣流對于處于冷-中性狀態的受試者容易引起更大的不舒適感覺。賈慶賢[7]等人研究機械風和自然風的對舒適度的影響，通過調查106人以及客觀分析得出搖頭風扇吹風相比直吹風扇風更接近自然風，更易讓人接受。McIntyre[8]的研究結果表明，利用風扇可以改善室內熱環境，但是風速不要超過2m/s，過高的風速會使人不適感增強。

本文主要研究擾動氣流對地鐵車輛車內流場影響，通過對比研究加裝幅流風機與否，以及采用不同出風溫度時風機的作用效果。

1　地鐵列車氣流組織方案

目前地鐵列車采用的送回風方式有上送上回和上送下（側）回方式。兩種方式的送風口均布置在車頂處，分布在中軸線的兩側；上回指的是回風口布置在車頂近中心處，廢排風口布置在車頂兩端處；下回指的是回風口和廢排風口布置在側墻拐角處以及座椅下方，兩種方式如圖1所示。易柯[9]通過分別對兩種送回風方式進行模擬研究發現上送上回方式更有利于車廂溫度場均勻。故本文采用上送上回的氣流組織方式進行研究。

2　研究對象及模型

選取地鐵列車B型車為研究對象，長19m，寬2.8m，車內地板到車頂高為2.1m，忽略車廂內扶手等細小部件以簡化模型使其更易劃分優質網格，同時為了減少網格數量，只選取了半節車廂進行建模劃分網格，中間截面采用用對稱面邊界條件。進風口，回風口以及廢排風口均按列車實際情況進行布置，且著重畫出了各個風口處的導流格柵，而不像以往模擬采用平面代替出風口，這樣更能保證各個出風口出風的均勻性，風口布置及風口細節如圖2所示。而本次模擬核心的部分是幅流風機的建模和使用，風機采用雙軸幅流風機，長1.1m，扇葉直徑8cm，蝸殼上部開設有進風口，下部平面處為出風口，為了能使風機出風呈現動態過程，使風機蝸殼繞扇葉中軸來回做循環擺動，擺動幅角為76°，具體結構如圖3所示。

3　邊界條件

本文是基于空載情況下研究幅流風機對列車車內舒適度的影響，為了探究在極端環境下其作用效果，因此設定外界隧道溫度為35℃，列車車廂溫度不超過27℃。根據文獻[10]知列車側壁面對流換熱系數2.4W/m2·K，車窗對流換熱系數為3.1W/m2·K，車門對流換熱系數為4.6W/m2·K，車頂，座椅及車底設為絕熱壁面，故車內熱源為車壁面，車門及車窗，換熱方式為對流和輻射混合。

進風口：該列車一節車廂進風量為8000m3/h，回風量為4700m3/h，新風量為3300m3/h，半節車廂各個風量均為上述風量的一半。進風口采用速度入口方式，方向豎直向下，風速為1.543m/s，風溫為20℃。

回風口：回風口也采用速度入口邊界條件，方向由車內向外，經計算得回風口風速為1.61m/s。

廢排風口：廢排風口采用壓力出口邊界，壓力限定為50Pa。

幅流風機：風機采用滑移網格技術，保證只有有扇葉的部分旋轉，該部分與內外其他部分采用interface面連接，保證了信息的傳遞。風機風量為820m3/h，對應風機轉速為1200r/min。風機蝸殼部分繞風機中軸進行來回旋轉擺動，擺動頻率為4次/min，一次擺動的角度為76°，該部分運動采用動網格技術，通過加載UDF使蝸殼按照要求進行擺動。

4　計算結果及分析

本次計算分為3個工況。

工況一：不打開幅流風機，送風溫度20℃，研究在只有進排風的作用下列車車廂的流場分布情況；

工況二：在穩態計算的的基礎上進行非穩態計算，開啟滑移網格和動網格，使風機轉動的同時蝸殼來回旋轉擺動，研究在幅流風機的作用下客室流場變化情況；

工況三：最后提高進風口風溫到23℃，同樣在幅流風機和蝸殼的作用下進行計算，研究在提高送風溫度的情況下幅流風機對客室內流場的影響。

4.1幅流風機未運轉時客室舒適度情況

在外界溫度為35℃的情況下進行靜態計算，幅流風機保持靜止，計算結果見表1。

各個部位得熱量與車廂內外溫度差有關，溫差越大，得熱量越多。以下將從溫度、風速、PMV-PPD三個方面分析該工況下車廂熱舒適度情況。截圖分別為經過幅流風機中間點，垂直于列車行進方向的x截面和距車地板1.7m的水平z截面。

表1　靜態計算時車體各處得熱量W

從圖4可以看出x截面中，受到進風口的影響車廂豎直方向速度較大，方向豎直向下，形成了明顯的溫度帶。

定義參數不均勻度為：

該截面中平均溫度為293.91K，平均風速為0.385m/s，則該工況下該截面溫度不均勻度為0.49，風速不均勻度為0.45。PMV指標可以反映人體熱舒適情況，其值處于-3~3之間，PMV=0意味著室內環境處于中性的不冷不熱狀態。從圖4c）中可以看出該截面PMV值偏低，平均值為-2.2，且存在不均勻現象，不均勻度為0.8。由于風速大風溫低，風口正下方較其余部位體感更冷。

圖5顯示了z截面的PMV指標云圖，PMV平均值為-1.54，可以看出整個車廂1.7m高處的水平截面上熱舒適度偏冷，進風口下方比其他部位偏冷，PMV不均勻度為0.75，PMV分布不均勻。

4.2幅流風機運轉時客室舒適度情況

在上一工況計算穩定的基礎上，打開幅流風機和轉動蝸殼，使風機以每分鐘1200轉運行，且蝸殼以每分鐘4次的頻率來回擺動。現選取第15s時的瞬態工況進行分析。表2顯示的是該時刻車體各處得熱量，由于幅流風機的擾動，使得車廂內氣流擾動增強，換熱能力提高，墻體車窗車門得熱量增大，送風口提供的冷量不變，回風口廢排風口的空氣熱量增加。可知在幅流風機的作用下空氣換熱效果有所增強。

表2　開啟風機后車體各處得熱量W

從圖6可以看出打開幅流風機后x截面氣流組織明顯更均勻，溫度、風速不像上一工況有明顯的分層現象，截面平均溫度為294.13K，平均風速為0.84m/s，溫度風速均較上以工況有所提高。溫度不均勻度為0.28，風速不均勻度為稍有提升為0.6。PMV指標雖也顯更均勻，平均值為-2.81，不均勻度為0.22，但由于風速增大，整體表現的更冷。

從圖7中可知1.7m高處水平截面上PMV值分布均勻性比上一工況好，不均勻度為0.38，平均PMV值為-2.75，整體偏冷。若適當提高送風溫度，則可以達到更適宜的熱舒適度。

4.3提高送風溫度，幅流風機運轉時客室舒適度情況

表3　提高送風溫度后車體各處得熱量W

依舊保持幅流風機和蝸殼的運轉，將送風溫度從20℃提高到23℃，選取15s時刻的工況具體參數進行分析，因室內溫度提高，故各部位得熱量減少，冷負荷降低。

提高送風溫度后，溫度分布差異性小，平均溫度為296.84K，溫度不均勻度為0.23；平均風速為0.57m/s，除風口附近風速較大外，其余部位風速均保持較好的均勻性，風速不均勻度為0.5，PMV指標平均值為-1.21，比上兩個工況PMV值更接近0，其不均勻度為0.4，有較好的舒適性和均勻性。圖9顯示了1.7m高水平截面PMV指標云圖，其平均值和不均勻度分別為-1.06，0.37，相比送風溫度為20℃時的云圖，23℃送風溫度下整個車廂熱舒適度更趨于中性狀態。

5　結語

本文通過CFD數值模擬方法，分別對有無幅流風機作用，以及有幅流風機作用的情況下采用送風溫度的地鐵車廂進行模擬，研究了幅流風機對地鐵列車車廂流場的影響。結果表明在沒有幅流風機作用下，車廂溫度出現明顯的分層現象，即風口下方溫度較其他部位明顯偏低，水平截面上也呈現出同樣的不均勻現象，不利于車廂熱舒適性的提高；當幅流風機及蝸殼作用時，在同樣的進風溫度下，在風機掃風的擾動下客室內氣流均勻性大大提升，但由于風速提高，PMV值減小，客室偏冷，同樣不利于車廂熱舒適性；故將出風溫度提高3℃，在風機的擾動下客室溫度保持良好的均勻性，且PMV值較前兩個工況有所提高，更接近0值，車廂熱舒適性大大提高。幅流風機與擺動蝸殼聯合使用，對于列車客室流場的改變有明顯效果，通過調節風機轉速和蝸殼擺動頻率，能快速對車廂微環境進行調節，在保證熱舒適性的同時提高出風溫度，減小空調機組負荷。

[1]McIntyre D A.Preferred air speeds for comfort in warm conditions [J].ASHRAE transactions，1978.

[2]Rohles F M，Jones B W，Konz S A.Ceiling fans as extenders of the summer com fort envelope[J].ASHRAE Trans.（United States），1983.

[3]夏一哉，趙榮義，牛建磊.等溫熱環境中紊動氣流對人體熱感覺的影響[J].清華大學學報：自然科學版，2000,40（10）：100-103.

[4]Mayer E.Influence of air turbulence on the convective surface heat transfer coefficient[A].Proc.3rd International Conference on Indoor Air Quality and Climate[C].Stockholm,1984，5：377-382.

[5]夏一哉，趙榮義.等溫條件下氣流運動的選擇頻率[J].清華大學學報:自然科學版,2001,41（6）:92-94.

[6]Fanger P O,Pedersen C J K.Discomfort due to air velocities in spaces[J].2014.

[7]賈慶賢，趙榮義.吹風對舒適性影響的主觀調查與客觀評價[J].暖通空調，2000,30（3）：15-17.

[8]McIntyre D A.Preferred air speeds for comfort in warm conditions [J].ASHRAE transactions,1978.

[9]易柯.地鐵車廂內回風方式數值仿真分析[J].電力機車與城軌車輛, 2012,35（2）：12-15.

[10]王斌.地鐵車空調通風系統及車廂內流場數值仿真[D].大連：大連交通大學，2012.

Im pact of Periodic Disturbance Airflow on Metro Train Flow Distribution

YE Chen-hui，CHEN Jian-yun，ZANG Jian-bin
（School of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Themetrocarriage iscomparatively crowded and sealed,so the flow distribution of thecarriage is important to passengers'feeling.There are trains equipped with cross-flow fans for improving flow distribution,but no numerical analysis about the influence of fans had been done.In this passage,the CFD simulation is used to analyze cabin flow distribution when train is in 35℃air environment.Whether cross-flow fanswith swinging volutes are functional or not to carriage environmentwhen supply air temperature is 20℃,and the flow distribution with cross-flow fanswhen supply air temperature is23℃areanalyzed in thispassage.And the final resultsindicate thatcross-flow fanswith swingingvolutescan improve the temperaturehomogeneity,making temperatureheterogeneousdegreedecrease from 0.49 to0.28.If thesupplyair temperature is raised,the thermalcom fort ofcarriagewill improveaswellassaveenergy.

cross-flow fan；cabin flow distribution；heterogeneous degree；save energy

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.017

U270.38+3

B

2095-3429（2016）05-0068-06

葉晨輝（1991-），男，安徽黃山人，碩士研究生，研究方向：制冷及低溫工程；陳建云（1994-），男，浙江衢州人，碩士研究生，研究方向：制冷及低溫工程；臧建彬（1973-），男，河北徐水人，教授，博士，研究方向：制冷及低溫工程。

2016-07-13

2016-08-25