地鐵車輛不同送風(fēng)格柵的車內(nèi)氣流仿真分析

（中車長春軌道客車股份有限公司工程實(shí)驗(yàn)室，130062，長春∥第一作者，工程師）

地鐵車輛不同送風(fēng)格柵的車內(nèi)氣流仿真分析

王常宇 王云霄 夏春晶

（中車長春軌道客車股份有限公司工程實(shí)驗(yàn)室，130062，長春∥第一作者，工程師）

依據(jù)某地鐵車輛車廂中部垂直截面的實(shí)際尺寸和布局建立物理模型，對3種送風(fēng)格柵的車內(nèi)氣流分布從速度場、溫度場和壓力場方面進(jìn)行仿真對比分析，確定送風(fēng)格柵最優(yōu)類型，以使車內(nèi)送風(fēng)均勻性更好，乘客舒適性得到提高。

地鐵車輛；送風(fēng)格柵；氣流分布；仿真分析

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

隨著人民生活水平的提高，地鐵車輛運(yùn)行時(shí)乘客在車廂內(nèi)的舒適性問題也變得備受關(guān)注，如車廂內(nèi)空氣流動(dòng)與溫度問題就是其中之一。地鐵空調(diào)送風(fēng)格柵能通過改變送風(fēng)方向影響車內(nèi)送風(fēng)均勻性，因此，送風(fēng)格柵是影響車內(nèi)氣流分布的重要因素之一。

本文就某城市地鐵車輛的空調(diào)系統(tǒng)在3種送風(fēng)格柵類型下的車內(nèi)氣流分布進(jìn)行仿真對比分析，給出了各種送風(fēng)格柵類型下車內(nèi)氣流速度場、溫度場和壓力場的對比分析結(jié)果，從而確定最優(yōu)送風(fēng)格柵類型。最優(yōu)送風(fēng)格柵類型能使車內(nèi)氣流分布更加均勻，乘客舒適性得到提高。

1 物理模型

依據(jù)某地鐵車輛車廂中部垂直截面的實(shí)際尺寸和布局建立車內(nèi)氣流物理模型。所建模型在空載條件下截面尺寸為2 263mm×2 748mm，車廂頂部兩側(cè)為送風(fēng)格柵口。由于實(shí)際列車的回風(fēng)口設(shè)置在車廂兩端的頂部，回風(fēng)氣流分散于整節(jié)車廂時(shí)對車廂中部區(qū)域影響很小，且車內(nèi)流場主要由送風(fēng)射流決定，回風(fēng)口位置對其影響較小，因此，二維模型計(jì)算時(shí)對回風(fēng)口進(jìn)行了簡化處理，即將列車座椅底部設(shè)置為回風(fēng)口，且回風(fēng)口氣流速度低于0．5m／s，不影響車內(nèi)的氣流分布，另外還忽略了車內(nèi)扶手。簡化后的模型以水平方向?yàn)閄軸，垂直方向?yàn)閅軸，如圖1所示。不同送風(fēng)格柵形式如圖2所示。

圖1 車廂截面及送風(fēng)格柵模型

2 車內(nèi)氣流分布仿真分析

2．1 模型網(wǎng)格劃分

采用三角形形式對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，送風(fēng)格柵口和回風(fēng)口進(jìn)行了局部加密處理。3種不同格柵送風(fēng)形式的網(wǎng)格數(shù)量約48萬個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量均達(dá)0．8以上（1表示最高質(zhì)量），可以保證計(jì)算精度。部分網(wǎng)格劃分如圖3、4、5所示。

圖2 3種送風(fēng)格柵類形

圖3 車廂截面網(wǎng)格圖

圖4 送風(fēng)格柵網(wǎng)格放大圖

圖5 回風(fēng)口網(wǎng)格放大圖

2．2 邊界條件和模型設(shè)置

邊界條件包括流體邊界條件和壁面邊界條件。

（1）送風(fēng)格柵口設(shè)置為速度入口邊界條件，依據(jù)送風(fēng)道氣流計(jì)算結(jié)果，設(shè)：送風(fēng)速度為0．622 m／s，溫度為16℃。

（2）座椅底部的回風(fēng)口設(shè)置為壓力出口邊界條件，壓力值設(shè)為0Pa。

（3）列車室內(nèi)各壁面邊界條件均采用第一類邊界條件，設(shè)：側(cè)墻壁溫度為30℃，地板溫度為26℃，頂板溫度為29℃。

計(jì)算模型設(shè)置如表1所示。

表1 計(jì)算模型設(shè)置

3 仿真分析結(jié)果

經(jīng)模擬計(jì)算達(dá)到收斂，質(zhì)量和能量的不平衡率均小于計(jì)算區(qū)進(jìn)口總質(zhì)量和總能量的1%。

經(jīng)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)，座位區(qū)1．2m高度處和中間乘客站立區(qū)1．7m高度處的平均風(fēng)速v與溫度T如表2所示（高度位置如圖6所示）。

表2 車廂不同區(qū)域平均風(fēng)速與溫度

圖6 1＃送風(fēng)格柵車內(nèi)風(fēng)速示意圖

由表2可知，座位區(qū)和乘客站立區(qū)平均風(fēng)速都小于0．35m／s，均滿足TB 1951—1987標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。對3種送風(fēng)格柵所形成的車內(nèi)氣流分布比較可知：對于座位區(qū)，3＃送風(fēng)格柵風(fēng)速最低，僅0．01 m／s，接近靜止，送風(fēng)溫度最高，1＃送風(fēng)格柵風(fēng)速相對較高，為0．34m／s，送風(fēng)溫度最低，會(huì)存在些許冷感；對于乘客站立區(qū)，3種送風(fēng)格柵平均風(fēng)速與平均溫度相差不大，1＃與2＃送風(fēng)格柵的風(fēng)速稍小，約0．16m／s，舒適性效果較好。

圖6、7、8分別為3種送風(fēng)格柵計(jì)算區(qū)域的風(fēng)速大小示意圖。由圖可以看出，送風(fēng)氣流從送風(fēng)格柵處以一定速度噴射，并沿著格柵擋板方向運(yùn)動(dòng)，形成兩股分開的氣流，并逐步與車廂內(nèi)氣流摻混，混合程度較高。1＃與2＃送風(fēng)格柵的氣流由出口分成兩股后在高度約2m的位置匯合，共同向中部流動(dòng)。3＃格柵形成的兩股氣流中靠近車壁的氣流由于車內(nèi)空氣阻力，速度快速降低并與空氣充分混合。3＃格柵形成的氣流風(fēng)速較1＃與2＃格柵降低得更快，且氣流混合更充分，車內(nèi)氣流均勻性更好。

圖7 2＃送風(fēng)格柵車內(nèi)風(fēng)速示意圖

圖8 3＃送風(fēng)格柵車內(nèi)風(fēng)速示意圖

圖9 、10、11分別為3種送風(fēng)格柵計(jì)算區(qū)域的風(fēng)速標(biāo)記跡線圖。由圖可明顯看出送風(fēng)氣流的運(yùn)動(dòng)軌跡，1＃與2＃格柵引起的乘客站立區(qū)吹風(fēng)感更強(qiáng)烈，舒適感較3＃送風(fēng)格柵稍差。

圖9 1＃送風(fēng)格柵車內(nèi)風(fēng)速標(biāo)記跡線圖

圖10 2＃送風(fēng)格柵車內(nèi)風(fēng)速標(biāo)記跡線圖

圖11 3＃送風(fēng)格柵車內(nèi)風(fēng)速標(biāo)記跡線圖

圖12 、13、14為分別為3種送風(fēng)格柵計(jì)算區(qū)域的壓力云圖。從圖中可以看出車廂內(nèi)部壓力基本均勻，接近0Pa，且均在0．2Pa范圍內(nèi)變化。1＃送風(fēng)格柵形成的車內(nèi)氣流在乘客座位區(qū)前部形成了局部負(fù)壓，2＃和3＃送風(fēng)格柵形成的車內(nèi)氣流壓力更均勻。

圖12 1＃送風(fēng)格柵的車內(nèi)氣壓示意圖

圖15 、16、17分別為3種送風(fēng)格柵計(jì)算區(qū)域的溫度云圖。由圖可看出送風(fēng)氣流能與車內(nèi)氣流充分摻混。就整個(gè)車廂截面而言，由于格柵擋板偏角的存在，使得部分送風(fēng)氣流入射至中間區(qū)域，形成車內(nèi)局部低溫區(qū)，其中1＃格柵形成的效果最明顯，3＃格柵形成的車內(nèi)氣流溫度更均勻，舒適性更優(yōu)。1＃格柵的座位區(qū)1．2m高處與站立區(qū)1．7m高處的最大溫差分別約為0．7℃和1．5℃，3＃格柵的座位區(qū)1．2m高處與站立區(qū)1．7m高處的最大溫差分別約為2．1℃和1．3℃。3種格柵形成的乘客座位區(qū)和站立區(qū)氣流溫差都在3℃以內(nèi)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖13 2＃送風(fēng)格柵的車內(nèi)氣壓示意圖

圖14 3＃送風(fēng)格柵的車內(nèi)氣壓示意圖

圖15 1＃送風(fēng)格柵的車內(nèi)溫度示意圖

4 結(jié)語

圖16 2＃送風(fēng)格柵的車內(nèi)溫度示意圖

圖17 3＃送風(fēng)格柵的車內(nèi)溫度示意圖

對地鐵空載條件下的3種送風(fēng)格柵形成的車內(nèi)中部截面氣流分布進(jìn)行了仿真計(jì)算，并對車內(nèi)速度場、溫度場及壓力場進(jìn)行了對比分析。計(jì)算與分析結(jié)果表明：1＃送風(fēng)格柵形成的車內(nèi)氣流分布均勻性稍差，局部存在冷感區(qū)，且1＃與2＃格柵引起的乘客站立區(qū)吹風(fēng)感稍強(qiáng)烈；3＃送風(fēng)格柵的送風(fēng)氣流與車內(nèi)氣流摻混程度較高，形成的車內(nèi)氣流分布更均勻，座位區(qū)1．2m高度處和乘客站立區(qū)1．7m高度處的氣流平均速度及平均溫度均較適宜，形成的車內(nèi)舒適性更優(yōu)。因此，車輛設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取3＃送風(fēng)格柵方案，但該類型的送風(fēng)格柵仍需通過整車試驗(yàn)測試，檢驗(yàn)其送風(fēng)均勻性效果。

［1］ 于淼，王東屏，襲望，等．地鐵車空調(diào)風(fēng)道及車室內(nèi)氣流組織數(shù)值分析［J］．大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（2）：17．

［2］ 張慧中，王宗昌，劉紹禹．地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)車內(nèi)出風(fēng)格柵形式研究［J］．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（7）：9．

Simulation of Airflow Distribution in Metro Vehicles with Different Air Supply Grilles

WANG Changyu，WANG Yunxiao，XIA Chunjing

A physical model is established based on the actual size and layout of the vertical section of the central compartment on metro train，to compare and analyse the airflow distribution in three different air supply grilles，which are simulated in the velocity field，temperature field and pressure field respectively．Then，an optimal scheme of the air supply grille is determined，which chould achieve better air supply uniformity and provide an important theoretical basis for the improvement of passenger′s comfort．

metro vehicle；air supply grilles；airflow distribution；simulation analysis

U270．38＋3

10．16037／j．1007－869x．2017．02．009

2016－09－25）