瞬態(tài)環(huán)境軌道交通客車乘員人體熱舒適分析

刁雷，何鋒，趙京

（1.550025 貴州省 貴陽(yáng)市 貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；2.550025 貴州省 貴陽(yáng)市 貴州航航科技有限公司）

0 引言

地鐵列車乘員熱舒適隨車廂空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)熱流場(chǎng)改變而變化。張建平[1]以B 型地鐵半節(jié)車廂為模型，以不同的送風(fēng)角度及回風(fēng)情況工況對(duì)車廂內(nèi)氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬；柳禹羿[2]采用人體模型第三類邊界，對(duì)車廂內(nèi)氣流組織進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并利用 ADPI 熱舒適性評(píng)價(jià)；胡滋艷[3]結(jié)合PMV-PPD 評(píng)價(jià)法對(duì)車廂乘員進(jìn)行了人體熱舒適分析。徐雯和王瑞君[4]采用模糊綜合模型對(duì)乘員的熱舒適性評(píng)價(jià)，優(yōu)化設(shè)計(jì)裝甲車輛空調(diào)艙內(nèi)氣流組織，為空調(diào)艙送風(fēng)控制提供相關(guān)理論依據(jù)。目前，人體熱舒適性評(píng)價(jià)通常借用適用于穩(wěn)態(tài)、均勻熱環(huán)境的PMV-PPD 評(píng)價(jià)法。地鐵車廂環(huán)境復(fù)雜多變，呈現(xiàn)熱環(huán)境高度不均勻；Fiala[5]對(duì)大量的熱舒適實(shí)驗(yàn)的熱舒適模型進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，控制整體動(dòng)態(tài)熱感覺的3 個(gè)生理變量分別是皮膚溫度、核心溫度及皮膚溫度變化率。開發(fā)出一種數(shù)學(xué)模型，其預(yù)測(cè)人體熱響應(yīng)以及穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下的熱感覺；Stolwijk[6]等提出人體生理溫度調(diào)節(jié)模型，將人體分為14 個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段均有肌肉層、核心層、脂肪層及皮膚層。Zhang[7]等基于非均勻和瞬態(tài)條件下人體實(shí)驗(yàn)測(cè)試，建立了局部熱舒適、人體局部熱感覺、整體熱感覺與整體熱舒適模型人體熱舒適預(yù)測(cè)模型，但目前鮮有該模型在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用。

針對(duì)B 型地鐵列車乘員車廂空氣循環(huán)導(dǎo)致人體熱舒適不佳，結(jié)合瞬態(tài)熱舒適模型對(duì)不同新風(fēng)進(jìn)口溫度及不同進(jìn)口風(fēng)量下人體熱舒適進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。對(duì)進(jìn)一步推進(jìn)優(yōu)化車廂送風(fēng)控制、氣流循環(huán)和節(jié)能有著重要意義。

1 熱舒適理論

Berkeley 人體熱舒適模型中局部熱感覺指標(biāo)計(jì)算

式中：Ts1——局部皮膚表面溫度，℃；S1——局部熱感覺；Ts1s——設(shè)定的局部皮膚表面溫度，℃；Tsas——設(shè)定的平均溫度，℃；Tsa——平均皮膚溫度，℃；Tc——核心溫度，℃；C1，K1，C2i，C3i——常數(shù)回歸系數(shù)；t——時(shí)間，s。

局部熱舒適指標(biāo)公式為：

式中：S0——整體熱感覺絕對(duì)值；C3，C6，C7，C8，n——常數(shù)回歸系數(shù)，其中，整體熱感覺正負(fù)不同時(shí)，C3和C7數(shù)值不相同；其中，

式中：Wi——各部位影響權(quán)重。

一般情況下，整體熱舒適取兩個(gè)最低局部熱舒適度平均值。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

如圖1 所示，建立半截車廂，車廂總長(zhǎng)、寬、高分別為9.9，2.1，2.8 m。各風(fēng)口按實(shí)際尺寸及位置布置。簡(jiǎn)化兩側(cè)送風(fēng)口；頂部設(shè)回風(fēng)口4 個(gè)；布置2 個(gè)廢排風(fēng)口在地鐵頂板，條縫型廢排風(fēng)口設(shè)于列車底部。

圖1 車廂及人體模型圖Fig.1 Carriage and manikin

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

如圖2 所示，利用STRA-CCM+幾何清理，表面重構(gòu)選擇高質(zhì)量三角形，人體表面使用棱柱層及細(xì)化網(wǎng)格50%，網(wǎng)格類型選用多面體網(wǎng)格，整體網(wǎng)格數(shù)量42 萬。

圖2 1/2 車廂網(wǎng)格Fig.2 1/2 carriage grid

選用Realizable k-ε湍流模型，地鐵處于地下，忽略太陽(yáng)熱輻射。車廂內(nèi)流為低速受限流動(dòng)，選用Boussinesq 重力模型。半截車廂進(jìn)口風(fēng)量為4 000 m3/h，回風(fēng)量2 350 m3/h，廢排風(fēng)量1 650 m3/h。入口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量入口，回風(fēng)口設(shè)置為+y 軸質(zhì)量流量入口，數(shù)值為0.193 2 kg/s。出口邊界條件根據(jù)廢排風(fēng)量設(shè)置為壓力50 Pa 目標(biāo)質(zhì)量流量壓力出口。人體熱調(diào)節(jié)模型采用Stolwijk的人體生理溫度調(diào)節(jié)模型，TCM 乘客設(shè)置根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)設(shè)置。TCM 邊界設(shè)置相對(duì)濕度保持40%，外部對(duì)流列車參考車75 km/h，外部總溫度35 ℃，車身、車窗及車門設(shè)置為對(duì)流。熱傳遞系數(shù)分別2.4，3.1，4.6 W/m2·K。

3 結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算對(duì)比

對(duì)乘員位置進(jìn)行實(shí)測(cè)。圖3 為對(duì)比云圖。實(shí)驗(yàn)云圖中，背景環(huán)境溫度為22 ℃，頭部面部因戴口罩，軀干、大腿及腳部因著衣呈現(xiàn)較低溫度，實(shí)驗(yàn)與仿真皮膚表面溫度云圖基本吻合。

圖3 乘員實(shí)驗(yàn)與仿真溫度云圖對(duì)比Fig.3 Comparison of temperature nephogram between passenger experiment and simulation

3.2 進(jìn)口溫度的影響

設(shè)置進(jìn)風(fēng)溫度16，20，24 ℃三組工況，送風(fēng)量均為4 000 m3/h。圖4 中，隨著進(jìn)口溫度的升高，人體熱感覺在各部位也隨之升高。其中，頭部和小腿部位熱感覺較高，說明乘員感覺到更熱。除軀干外，人體其余部位在各工況下均處于正值。人體四肢對(duì)于進(jìn)口溫度的改變比較敏感，說明頭部、軀干等部位熱感覺受進(jìn)口溫度的影響較小。

圖4 不同進(jìn)口溫度乘員局部熱感覺對(duì)比Fig.4 Comparison of local thermal sensation of passengers with different inlet temperatures

如圖5 所示，隨著進(jìn)口溫度的降低，人體局部熱舒適隨之升高。其中，對(duì)熱感覺最為敏感的四肢熱舒適改善較為明顯，當(dāng)人體四肢感受到不舒適時(shí)可適當(dāng)降低送風(fēng)溫度；左下臂隨著溫度的降低由輕微不舒適狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭孢m狀態(tài)；腳部處于溫暖的熱感覺狀態(tài)局部熱舒適較高，說明腳部更偏好于溫暖的環(huán)境；頭部和小腿部位則相反。因此，地鐵車廂想要改善人體熱舒適情況，應(yīng)加強(qiáng)頭部和小腿部位的氣流均勻度，使其獲得較為舒適的狀態(tài)。

圖5 不同進(jìn)口溫度乘員局部熱舒適對(duì)比Fig.5 Comparison of local thermal comfort of passengers with different inlet temperatures

局部熱感覺和局部熱舒適決定整體熱感覺和整體熱舒適，如圖6 所示。夏季條件下，整體熱感覺隨進(jìn)口溫度的升高而升高；反之，整體熱舒適隨進(jìn)口溫度而定升高而降低。16 ℃工況下相對(duì)于24 ℃工況下，熱感覺降低了30.66%，熱舒適升高了6.32%。因此，夏季條件下，降低進(jìn)口溫度可降低熱感覺提升熱舒適。

圖6 不同進(jìn)口溫度乘員整體熱感覺和舒適對(duì)比Fig.6 Comparison of overall thermal feeling and comfort of passengers with different inlet temperatures

3.2 進(jìn)風(fēng)量的影響

設(shè)置進(jìn)口風(fēng)量4 000，6 000，8 000 m3/h 三組工況，進(jìn)口溫度保持20 ℃。如圖7 所示，隨著進(jìn)口風(fēng)量的增大，人體局部熱感覺隨之升高，腳部除外。人體四肢對(duì)進(jìn)風(fēng)量的改變比較敏感。相較于進(jìn)口溫度的改變，進(jìn)口風(fēng)量的增加使得頭部和小腿部分降低熱感覺的效果變得明顯。結(jié)合進(jìn)口溫度的影響，人體想要得到全部位低熱感覺，軌道交通客車需加以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)口溫度和風(fēng)量。

圖7 不同進(jìn)風(fēng)量乘員局部熱感覺對(duì)比Fig.7 Comparison of local thermal sensation of passengers with different air intakes

如圖8 所示，人體大部分局部熱舒適隨進(jìn)風(fēng)量的增大而增大，軀干和腳部隨進(jìn)風(fēng)量的增大局部熱舒適減小。這說明局部和軀干更偏好于低進(jìn)風(fēng)量。

圖8 不同進(jìn)風(fēng)量乘員局部熱舒適對(duì)比Fig.8 Comparison of local thermal comfort of passengers with different air intakes volume

如圖9 所示，隨著進(jìn)風(fēng)量增大，整體熱感覺下降，整體熱舒適上升。其中，8 000 m3/h 的進(jìn)風(fēng)量相較于4 000 m3/h 整體熱感覺下降了21.14%，整體熱舒適上升了19.92%。由于整體熱舒適和局部不舒適相關(guān)，車廂中的人體小腿部分局部熱舒適最差。提升進(jìn)口風(fēng)量小腿的敏感度較高。因此，提升進(jìn)風(fēng)量可降低熱感覺，提升整體熱舒適。

圖9 不同進(jìn)風(fēng)量乘員整體熱感覺熱舒適對(duì)比Fig.9 Comparison of overall thermal feeling and comfort of passengers with different air intake volume

4 結(jié)論

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬人體溫度場(chǎng)確保數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，結(jié)合瞬態(tài)人體熱舒適模型研究了夏季不同進(jìn)口溫度和不同進(jìn)口流量對(duì)人體熱感覺及熱舒適的影響。得出以下結(jié)論：

（1）進(jìn)口溫度升高會(huì)提高人體局部熱感覺，導(dǎo)致整體熱感覺上升，整體舒適度下降。腳部偏好熱環(huán)境的部位局部舒適度上升。

（2）進(jìn)口風(fēng)量的增大降低人體局部熱感覺，導(dǎo)致整體熱感覺下降，整體舒適度上升。其中軀干和腳部更偏好低進(jìn)口風(fēng)量。