城軌車輛客室采用上送上回與上送下回氣流組織仿真對比

丁前莊 許鈺文 楊天智 呂知梅

摘 要：目前城軌車輛客室內部氣流組織一般采用上部送風上部回風或者上部送風下部回風方式，其中上部送風上部回風方式約占80%左右，本文采用數值模擬對比兩種氣流組織形式的差異，以及對客室內部溫度場的影響。

關鍵詞：城軌車輛;上部回風;下部回風;人體模型;阻力

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0092-02

1 概述

本文通過模擬城軌車輛上送上回和上送下回兩種氣流組織方式對客室內部溫度場的分布影響，對比兩種氣流組織方式各自存在的問題及后續的研究方向。

2 物料模型及模擬方法

使用GAMBIT軟件建模，FLUENT軟件模擬。由于地鐵車廂內結構復雜，車內障礙物較多，幾何模型需對實際情況進行合理的簡化[1]。

（1）考慮了車廂內座椅對氣流的影響;（2）忽略了車內燈、扶手等尺寸較小障礙物對氣流的影響;（3）由于車體呈橫向和縱向的對稱性，只考慮車體內部1/4模型進行計算。

車廂模型圖1所示，車廂模型數據表1所示。

關于人體模型的大小，參考了Airpak軟件自帶的人體模型尺寸。為了避免建模時出現網格劃分問題，對人體模型尺寸進行了的調整，如表2所示。

建模時采用非結構四面體網格，車廂內空氣為不可壓縮氣體，符合boussinesq假設，車壁傳熱系數設置為2.4W/（m2·K），通過能量方程及k-ε湍流模型，對車廂內部的溫度場、氣流速度進行模擬。

3 上送上回載人車廂的數值模擬

以條縫型送風口作為入口邊界，送風速度為2.2m/s，送風溫度設定為16℃。座椅座位坐滿人，站立72人，模型可站立區域面積18.93m3，則可求得模型的車內站立密度為3.8人/m2。模擬得到車廂內平均空氣溫度22.21℃，車內不同截面的空氣溫度分布圖如圖2所示。

由圖2中的溫度分布情況可以得出結論：（1）通過圖2的溫度分布能明顯看出送風氣流可達到人體活動范圍內，即頭部至膝蓋位置的空氣溫度能維持在25℃左右。（2）回風口位置的冷空氣有回流現象，從圖中可以看出，人體附件區域與拐角頂板存在1-2K的溫差。

4 上送下回載人車廂的數值模擬

為了研究上送上回與上送下回通風方式對車內溫度場的區別，將回排風口設置在座椅下方側墻位置，每排座椅下方設置兩個風口，其他模擬條件不變。模擬得到車廂內平均空氣溫度21.59℃，與上送上回方式的平均空氣溫度相差不大。車內不同截面的空氣溫度分布圖如圖3所示。

從圖3可以看出，上送下回的通風方式使得氣流有明顯的貼壁現象，即靠近車壁的空氣溫度明顯降低，但是中間區域的溫度已經高于29℃。這非常不利于車內站立乘客的熱舒適。

5 兩種氣流組織方式的差異

5.1 回風阻力

上送上回這種通風方式或多或少存在送風短路的現象，尤其是在載人時，乘客量越大，人體對送風的阻礙作用越大，氣流不能順利送至車輛底部，因此回流現象也越明顯。采用上送下回的通風方式可以改善這一現象，充分利用送風，優化氣流組織，提高空調系統利用效率。上送下回通風方式相比上送上回而言，由于氣流要經過人體間隙，最終進入回風口，氣流阻力勢必增加[2]。表3所示列出了兩種送回風型式的壓力值。

上送下回車廂的回風阻力明顯高于上送下回車廂，相比于上送上回載人車廂，上送下回載人車廂的回風阻力高出63.4%。文中模擬的載人車廂車內站立密度為3.8人/m2，乘客之間還有許多空隙。而對于上送下回車輛，如果車內人數增加，乘客之間的空隙減小，回風阻力將會明顯增加。當車內站立密度高達8人/m2時，乘客之間幾乎沒有空隙，回風阻力變得非常大，需要增加送風機的壓頭以克服氣流的回風阻力。

5.2 上送下回通風方式的貼壁現象

通過圖2及圖3可以發現，上送下回的通風方式極大的改善了送風短路的現象，送風能夠通過乘客之間的空隙，送至地板位置。但是由于回風口的位置只能布置在座椅下方，使得氣流有明顯的貼壁現象，即靠近車壁的空氣溫度明顯降低，但是中間區域的溫度已經高于29℃，這非常不利于車內中部站立乘客的熱舒適性。

6 結語

（1）上送上回的通風方式在載人時容易出現車內送風短路的現象，上送下回的通風方式能夠將冷氣流充分送至人體活動區，解決送風氣流短路現象，但是回風阻力會比上送上回的車輛大許多，同時上送下回易造成車廂乘客站立區域的溫度偏高的現象;（2）針對上述問題，目前我們正在對上部回風與下部回風結合的方式進行仿真研究。

參考文獻

[1] 易柯.地鐵車輛空調系統氣流組織數值計算與分析[J].城市軌道交通研究，2009（11）：40-44.

[2] 丁前莊.城軌車輛客室中頂板格柵送風與孔板送風方案仿真對比[J].科技中國，2018（4）：334-335.