軌道交通車廂氣體流場模擬仿真研究進展

蔣文彬，王壽川，方　瑩，劉益才（中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 先進儲能技術(shù)研究所，長沙　410083）

軌道交通車廂氣體流場模擬仿真研究進展

蔣文彬，王壽川，方瑩，劉益才
（中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 先進儲能技術(shù)研究所，長沙410083）

對車廂流場模擬仿真技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀進行了較為全面的回顧與總結(jié)，重點介紹了國內(nèi)外相關(guān)理論、實驗以及數(shù)值仿真的研究方法與成果。對車廂流場、溫度、濕度、微風(fēng)速、吹風(fēng)感、均勻性及空氣品質(zhì)之間平衡進行了研究，同時對車廂流場模擬仿真的研究熱點和研究方向進行了展望。

軌道交通；車廂；流場；溫度場；氣流組織

0　引言

改革開放以來，隨著經(jīng)濟的增長與城鎮(zhèn)化的深入發(fā)展，我國城市人口規(guī)模進一步擴大，越來越密集的居住環(huán)境給城市帶來的交通運輸壓力日益沉重。限于城市地表規(guī)模發(fā)展和規(guī)劃的遲滯性，地面的道路空間是相對有限的，常規(guī)地表城市交通體系越來越難以滿足人們的日常出行需求，地鐵正逐步成為每個城市迫切需要的交通工具。地鐵大容量、集約性、高效性、低能耗、低污染等特點，可以有效緩解城市交通擁堵現(xiàn)狀，同時也有利于解決能源緊張、環(huán)境污染等問題。

隨著居民環(huán)保和健康意識的提高，消費者對車廂環(huán)境提出了更高的要求。在地鐵車廂的環(huán)境方面，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計和運行狀況對調(diào)節(jié)車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)起到了決定性作用。車廂空氣過冷、過熱及空氣品質(zhì)差等是導(dǎo)致環(huán)境舒適度下降的主要原因，而這些原因往往與流場組織狀態(tài)密切相關(guān)。簡單的調(diào)節(jié)溫度是無法解決這些問題的，送風(fēng)口的位置與風(fēng)速、溫度及流域中的阻礙情況都會影響整個流場的狀況。合理的氣流組織分布能減輕污染物濃度，反之則會加重污染物所產(chǎn)生的危害。

如何對空氣流場進行有效而快速的預(yù)測、對空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)與方案提出快速評估，改善車廂舒適度，形成空氣調(diào)節(jié)的有益建議是現(xiàn)在車廂氣流組織的研究熱點，也是提高軌道交通研發(fā)水平的重要內(nèi)容。CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)仿真因項目周期短、預(yù)測高效準(zhǔn)確、成本低廉，正逐步受到廣泛重視。

1　CFD技術(shù)背景

1.1CFD發(fā)展的基本背景

CFD的應(yīng)用與計算機技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。CFD軟件最早于20世紀70年代誕生在美國，但得到較廣泛的應(yīng)用是在近10年。CFD的基本思想可以歸結(jié)為：把原來時間域和空間域上連續(xù)物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點上場變量之間的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。CFD技術(shù)可以非常嚴謹?shù)哪M整個流場的動態(tài)狀況。

目前，CFD軟件現(xiàn)已成為解決各種流體流動與傳熱問題的強有力工具，廣泛應(yīng)用于水利、航運、海洋、環(huán)境、食品、流體機械與流體工程等各種技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域，如對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能裝置的設(shè)計和航天器工作裝置的模擬［1-2］。過去只能靠實驗手段才能得到的某些結(jié)果，現(xiàn)在已完全可以借助CFD模擬來準(zhǔn)確獲得［3］。

1.2CFD在空氣流動研究領(lǐng)域的應(yīng)用

1974年丹麥科學(xué)家Niesle首次將CFD技術(shù)應(yīng)用在了空調(diào)工程領(lǐng)域，模擬室內(nèi)空氣流動情況，利用流函數(shù)和渦流公式求解封閉二維流動方程，采用流體湍流模型進行模擬，計算所得的房間某些截面速度分布和射流軸心速度的衰減與實驗數(shù)據(jù)對比表明，數(shù)值計算的結(jié)果是可信的［4］。這一舉措極大的推動了CFD技術(shù)的發(fā)展。

空氣流動的研究方法通常有理論與實驗研究。傳統(tǒng)的理論方法通常比較抽象，簡化程度也較大，對于非線性問題理論方法甚至難以求出解析解；而實驗技術(shù)則通常受到很多限制，如模型尺寸、流場擾動以及測量精度等。

CFD技術(shù)很好的彌補了傳統(tǒng)方法的弊端。一般來說，CFD在工程研究方面具有的優(yōu)點：（1）CFD軟件提供良好的交互頁面，模擬結(jié)果具有較高的可重復(fù)性；（2）對參數(shù)和邊界的控制較現(xiàn)場試驗更加準(zhǔn)確穩(wěn)定；（4）計算結(jié)果更加直觀，分析效率較高；（5）相對于傳統(tǒng)方法，具有較短的工程周期與人力投入，成本低廉。

但CFD技術(shù)計算結(jié)果的精度往往取決于對復(fù)雜流場仿真前置處理時的邊界條件、物性參數(shù)等是否與實際情況一致，以及計算方法與后置處理是否準(zhǔn)確等方面，結(jié)果可靠度有限。目前，如何提高CFD仿真準(zhǔn)確度和復(fù)雜工況的適用性正成為相關(guān)研究者的中心工作。

2　國外車廂流場方面的研究狀況

國外最早從20世紀70年代開始利用CFD技術(shù)研究通風(fēng)空調(diào)中的空氣動力學(xué)問題。CFD技術(shù)在暖通領(lǐng)域的研究主要分為基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究兩個方向。

2.1基礎(chǔ)領(lǐng)域

基礎(chǔ)研究主要針對室內(nèi)空氣流動的簡化模擬、室外空氣流動的大渦模擬及建筑能耗的耦合模擬。

美國、日本在利用CFD技術(shù)對空間流場分析方面有著長期的研究積累，并處于較領(lǐng)先的地位。1988年Emmrich等利用大渦模擬技術(shù)對三維房間內(nèi)熱空氣流動和煙氣傳播進行了模擬。1994年Shnzo等利用代數(shù)應(yīng)力模型（ASM）和微分應(yīng)力模型（DSM）等二階封閉模型對三維非等溫室內(nèi)空氣流動進行了模擬。2000年Topp等［5］對全方位通風(fēng)房間內(nèi)的空氣流動情況進行了數(shù)值模擬。

2.2應(yīng)用領(lǐng)域

基礎(chǔ)研究在不斷深入的同時，應(yīng)用領(lǐng)域的研究也在不斷發(fā)展。應(yīng)用研究主要針對自然通風(fēng)的數(shù)值模擬、置換通風(fēng)的數(shù)值模擬以及高大空間和潔凈室的數(shù)值模擬等。

GM公司Lin等［6］簡化了GM-10空調(diào)車室流場并進行實際測量，利用VEN3D軟件研究送風(fēng)量、送風(fēng)位置等因素對乘客熱舒適性的影響。Ingersoll等［7-8］對空調(diào)車內(nèi)的舒適度進行了數(shù)值計算，提出人體舒適度受空氣濕度、溫度、輻射溫度、速度、人體著裝和相對濕度等因素影響。Park等［9］用數(shù)值模擬方法計算對流熱源的置換通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)流場、溫度場以及污染物濃度場，并分析了流場分布的特點。Chang［10］利用CFD技術(shù)對大型空調(diào)車室的送風(fēng)位置進行了探討。

3　國內(nèi)車廂流場方面的研究狀況

國內(nèi)在車室內(nèi)流場分析這一塊的研究起步較國外晚，上世紀80年代中期，空調(diào)客車才被逐步開發(fā)投向市場。隨著人們對乘車舒適度的要求逐漸提高，空調(diào)客車的需求量日益增大。中國雖然1969年就有了北京地鐵1號線，但是地鐵的發(fā)展比較緩慢，天津市在1970年建成中國第2條地鐵線路，上海市1995年才建成上海地鐵1號線，其他城市是2000年之后才陸續(xù)建成各自的地鐵線路。2003年建成的北京地鐵13號線首次加裝了空調(diào)系統(tǒng)。直到近幾年，中國的地鐵規(guī)劃才呈現(xiàn)迅速的發(fā)展，這與城市的發(fā)展和擴張密不可分。

3.1基本現(xiàn)狀

伴隨空調(diào)的使用率猛增，汽車空調(diào)車室內(nèi)流場的分析研究工作也逐步展開，但是相關(guān)的研究工作還處于初期階段，可供參考的經(jīng)驗非常有限。我國在地鐵空調(diào)系統(tǒng)方面的研究起步較晚，城市軌道交通空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完備，關(guān)于城市軌道交通車輛空調(diào)的送風(fēng)速度和車內(nèi)微風(fēng)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)尚處于擬定階段，目前設(shè)計時參考得比較多的是歐盟的標(biāo)準(zhǔn)（EN-14750）。

近年來，工程應(yīng)用方面的工作人員對地鐵車廂氣流的分析主要集中在對車廂的溫度與風(fēng)速的研究，因為各種研究和經(jīng)驗表明與乘客舒適性最相關(guān)的是車廂的環(huán)境溫度、風(fēng)速及濕度。

3.2氣流分散特性的研究

李世富［11］采用PHOENICS軟件對北京地鐵列車的車廂內(nèi)氣流組織進行了在軸流風(fēng)扇通風(fēng)條件下的模擬，得到了氣流速度與溫度場的分布情況，并研究了沿列車長度方向風(fēng)速變化時的壓力分布規(guī)律。同時在現(xiàn)場進行了實際測量，將實際數(shù)據(jù)作為模擬的邊界條件，將計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行了對比，有一定的工程參考價值。

易柯［12］采用數(shù)值模擬的方法，分析了地鐵車廂內(nèi)的氣流組織形式，重點討論了在相同送風(fēng)量的條件下，不同送風(fēng)風(fēng)速對車廂內(nèi)流場和溫度場分布規(guī)律的影響，對具體的送風(fēng)風(fēng)速給出了合理的建議。

臧運雷等［13］利用FLUENT軟件對北京DKZ1型地鐵的車廂進行了氣流組織模擬，對不同的送風(fēng)溫度和送風(fēng)風(fēng)速進行數(shù)值計算，得到不同溫度及風(fēng)速條件下的車廂流場模型。

送風(fēng)速度不變的情況下，改變送風(fēng)溫度，車廂各區(qū)域的溫度會隨之正向變化，但風(fēng)速基本不隨便溫度變化而改變；送風(fēng)溫度不變，改變送風(fēng)速度的情況時，各區(qū)域的溫度會隨著風(fēng)速的提高而略有下降，如圖1、圖2所示。

圖1　氣流速度隨風(fēng)溫度變化曲線圖

通過研究空調(diào)送風(fēng)參數(shù)的改變對車廂內(nèi)溫度和速度場的影響，確定了合適的送風(fēng)及回風(fēng)布置參數(shù)，得出了滿足人體舒適度要求的送風(fēng)溫度與風(fēng)速。該模型做了一定的簡化，如忽略了車窗的熱輻射及車門的對流，并將人簡化為面熱源。

圖2　氣流溫度隨送風(fēng)速度變化曲線圖

3.3人體散熱模型的提出

2010年，李超［14］在利用CFD軟件進行車廂流場模擬時進一步考慮了人體熱源的影響，在車廂模型中建立了人體散熱模型，并對人體模型進行了細致的網(wǎng)格劃分。筆者采用了曲面建模的方法，使人體模型更為逼真，并且在網(wǎng)格劃分時采用了Prism網(wǎng)格類型，對人體周圍的體網(wǎng)格做了兩層邊界層網(wǎng)格，提高了湍流模型計算的準(zhǔn)確性，如圖3所示。

圖3　人體網(wǎng)格劃分模型

文章還探討比較了上送上回與上送下回這兩種送風(fēng)方式對流場的影響，模型如圖4所示。

圖4　上送上回和下回送風(fēng)方式模型

通過比較認為采用上送下回并且不均勻送風(fēng)的方式能解決另外兩個方案中端部溫度及中部濕度偏高的問題，雖然熱量囤積在車廂的一側(cè)，但主流區(qū)部位的舒適感是較好的。同時還減少送風(fēng)口附近的吹風(fēng)感和送風(fēng)短路問題，且節(jié)能性能較好。

目前，中國成品油批發(fā)價格已經(jīng)基本實現(xiàn)完全市場化，但零售價格仍參照國家規(guī)定的最高零售限價來確定，尚未實現(xiàn)完全市場化，無法有效反映國內(nèi)成品油市場供需現(xiàn)狀。過高的批發(fā)價與零售價價差使得一些煉油企業(yè)容易誤判國內(nèi)成品油市場供需形勢，導(dǎo)致部分地區(qū)和企業(yè)盲目擴張煉油能力，進一步加劇了中國成品油供應(yīng)過剩的局面。建議國家加快推進成品油定價機制向市場化定價邁進，以真正有效反映國內(nèi)成品油市場的供需狀況。另外，加快推出成品油期貨交易，為市場化定價提供定價基準(zhǔn)。通過推動成品油價格市場化，實現(xiàn)資源的最優(yōu)配置。

3.4模擬仿真的精確度在應(yīng)用中的驗證

靳誼勇等［15］采用k-ε雙方程模型分別對第一、第二類邊界條件下的車內(nèi)流場進行了模擬計算，并將模擬計算的結(jié)果與實驗結(jié)果進行了對比，對影響車內(nèi)溫度、速度場的因素進行了初步分析。

張登春［16］通過分析車廂內(nèi)空氣流動和傳熱，使用SIMPLE算法計算鐵路空調(diào)車內(nèi)的氣、固耦合傳熱問題，對硬座車內(nèi)氣流組織進行了數(shù)值模擬，考慮了送風(fēng)口的布置，座椅、行李架等障礙物，人體的散熱以及太陽輻射熱對車內(nèi)環(huán)境的影響，并對實體車進行實驗和測量，數(shù)值計算結(jié)果與實驗測量基本一致。

高秀峰等［17］首先采用高Re數(shù)k-ε湍流模型結(jié)合壁面函數(shù)法，固體區(qū)域應(yīng)用區(qū)域擴充方法，對25K型鐵路空調(diào)硬座車內(nèi)流場進行數(shù)值模擬，然后對實體車進行實測，得到的溫度分布和氣流速度數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬預(yù)測的趨勢基本相一致。

趙忠超等［18］以鐵道部四方機車廠25型空調(diào)硬座車廂為模型進行數(shù)值模擬，采用Monte Carlo法分析計算了太陽輻射和壁面間的輻射在車室內(nèi)各固體壁面引起的附加熱流變化，對旅客產(chǎn)生的熱負荷分別采用平均分布和空間分布處理方式，研究結(jié)果表明，不同的熱源處理方式對流場和溫度場有較大的影響。

4　結(jié)語與展望

CFD技術(shù)在車廂流場分析方面具有廣闊的應(yīng)用前景，CFD在低成本和短周期方面，較于傳統(tǒng)實驗手段有明顯的優(yōu)勢，同時也具有相當(dāng)大的開發(fā)潛力。隨著計算機的計算速度越來越快，計算成本越來越低，將極大的推動CFD技術(shù)的應(yīng)用和普及，合理利用可大大提高準(zhǔn)確度和適用性。隨著研究的深入，會對車廂的流場進行更深入細致的研究，溫度、濕度、微風(fēng)速、吹風(fēng)感、均勻性以及空氣品質(zhì)之間的平衡將成為研究人員關(guān)注的重點。

［1］牛越，張靜雅，夏淯博，等.空調(diào)制冷系統(tǒng)增壓節(jié)能裝置設(shè)計研究［J］.真空與低溫，2012，17（3）：176-180.

［2］水龍，楊震春，杜永剛.航天器火工作動裝置流固耦合過程的數(shù)值研究［J］.真空與低溫，2015，21（1）：42-47.

［3］王福軍.計算流體動力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［4］Patankar SV，Spalding DB.A calculation procedure forheat，massandmomentum transfer in three-dimensional parabolic flows［J］.International Journal of Heat andMassTransfer，1972，15（10）：1787-1806.

［5］Topp C，Nielsen PV，Davidson L.Room Airflowwith Low ReynoldsNumberEffects［C］//ProceedingsofRoom Vent，2000.

［6］Lin CH，Han T，Koromilas CA.EffectsofHVAC design parameterson passenger thermalcomfort［R］.SAETechnicalPaper，1992.

［7］IngersollJG，Kalman TG，MaxwellLM，etal.Automobilepassenger compartment thermal com fortmodel-Part II：Human thermalcomfortcalculation［R］.SAETechnicalPaper，1992.

［8］Ingersoll JG，Kalman TG，MaxwellLM，etal.AutomobilePassengerCompartmentThermalComfortModel-Part I：Compartment Cool-Down/Warm-Up Calculation［R］.SAE Technical Paper，1992.

［9］Park H-J，Holland D.The effectof location of a convective heatsourceon displacementventilation：CFD study［J］.Buildingand Environment，2001，36（7）：883-889.

［10］Chang J，Kim JB.Investigation ofbus duct system for optimum coolingperformance［R］.SAE technicalpaper，1993.

［11］李世富.北京地鐵列車通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2005.

［12］易柯.地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)氣流組織數(shù)值計算與分析［J］.城市軌道交通研究，2009，12（11）：40-43.

［13］臧運雷，陳淑玲，曹建偉.用Fluent軟件對地鐵客車室內(nèi)溫度場和流場的數(shù)值計算［J］.都市快軌交通，2005，18（6）：42-45.

［14］李超.地鐵車廂內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬與熱舒適性研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2010.

［15］靳誼勇，郁永章.鐵路空調(diào)客車車內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬［J］.制冷學(xué)報，2002，33（2）：30-34.

［16］張登春.鐵路空調(diào)車內(nèi)氣流組織的CFD模擬與實驗研究［J］.流體機械，2004，32（5）56-59.

［17］高秀峰，馮詩愚，郁永章，等.鐵路空調(diào)客車內(nèi)三維湍流流動及溫度場的實驗研究［J］.流體機械，2004，32（12）：57-60

［18］趙忠超，史自強，靳誼勇.非空態(tài)與空態(tài)空調(diào)列車室內(nèi)氣流組織的數(shù)值模擬與試驗研究［J］.工業(yè)筑，2009（S1）：126-131.

ADVANCERESEARCH ON THE SIMULATIONSOFAIR DISTRIBUTION IN RAIL VEHICLECOMPARTMENTS

JIANGWen-bin，WANG Shou-chuan，F(xiàn)ANG Ying，LIUYi-cai
（Schoolof Energy Scienceand Engineering，Instituteof Advanced Energy Storage，Central South University，Changsha410083，China）

A review and summary of the current theory and experiment study on the simulation of flow and temperature field in compartmentswasmade，whichmainly focus on the researchmethod and achievementon theory，experiment and the simulation study.Finally，a review and summary of the current theory and experiment study on the simulation of flow and temperature field in compartmentswasmade，some forecastsabout the research hotpotsandmethodsof the simulation study on airdistribution in compartmentswas further discussed.

railvehicles；flow field；compartment；temperature field；air distribution

O354

A

1006-7086（2016）04-0197-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.04.003

2016-02-23

蔣文彬（1986-），男，湖南長沙人，碩士研究生，從事軌道交通車廂流場仿真研究。E-mail：403920309@qq.com。