上海地鐵車廂氣流組織分析

郝勝男，鄭學林 ( 上海海事大學 商船學院，上海 201306 )

上海地鐵車廂氣流組織分析

郝勝男，鄭學林 ( 上海海事大學 商船學院，上海 201306 )

通過對上海地鐵多條線路不同車型的實車測試，得到上海6條典型線路的客室溫度和風速數(shù)據(jù)。根據(jù)實際測試和CFD數(shù)值模擬不同送風溫度，送風速度以及不同客流密度下的車廂環(huán)境。得到送風溫度為17℃，送風速度1.53m/s時最符合人體舒適度要求。最終形成了研究地鐵車廂客室環(huán)境的完整體系。為上海地鐵客室氣流組織優(yōu)化設計以及舒適性研究提供參考。

地鐵；氣流組織；CFD；送風溫度；送風速度

0 引言

隨著城市化水平的不斷提高，快節(jié)奏的都市生活使得地鐵成為公共交通最為重要的角色。因此人們對于地鐵車廂客室環(huán)境的要求也日漸提高。目前影響地鐵列車客室環(huán)境的主要因素有溫度，風速等。故本文將從送風溫度和送風速度的角度出發(fā)，對地鐵列車客室環(huán)境的影響進行研究，首先通過實地調(diào)研上海地鐵列車車廂內(nèi)溫度速度，了解現(xiàn)有運行的地鐵車內(nèi)溫度風速情況，對整體設定溫度速度有個概念性的了解；由于條件限制，不能在實車上進行變風速和變溫度測試，因此采用數(shù)值模擬的方法通過模擬不同送風溫度和送風速度下地鐵列車客室流場情況，對各種工況下溫度場和速度場進行對比分析。

目前，我國地鐵車廂內(nèi)溫度控制基本參照國際鐵路聯(lián)盟UIC553標準[1]，控制車內(nèi)外溫差為核心，以車內(nèi)回風溫度及溫差為主。車內(nèi)溫度場評價主要是以測點溫度平均值代表客室內(nèi)部溫度，并規(guī)定了典型斷面的溫差限值，離地板1.1m高度平面上溫度差值不超過8K；同一鉛垂面上的溫度差值不得超過8K[2]。送風速度在1～3m/s。

1 測試方法及結果

本文進行上海地鐵列車車廂溫度速度的測試，測試線路的選取綜合考慮到不同線路不同車型的覆蓋，最終選擇了上海地鐵16號線，地鐵11號線，6號線，12號線，8號線，2號線這6條線路。選用的儀器型號為“天建華儀WFWZY-1”的手持式萬向風速風溫記錄儀。為減小人流密度的變化對測試數(shù)據(jù)的影響，選定測試時間為周一至周五的非高峰時間段進行，人流密度均控制在列車滿載(車廂座位滿座且無人員站立)情況下，每輛列車均測試了頭車和中間車車廂，每節(jié)車廂均測試了車廂最高處(2.1米處)，乘客頭頂處(1.7米處)，車廂中間高度(1.1米處)三個高度的溫度和速度。讀取數(shù)據(jù)時均保證列車在勻速行進過程，以防止車門開關以及穿堂風的影響。下表顯示各個位置的平均風速和平均溫度。

表1 車廂溫度風速測試結果

位置風速溫度℃位置風速溫度℃上海地鐵11號線頭車車廂21m153236中間車3號車廂21m15523317m03123817m03723511m01223311m016231平均-065235平均-069233上海地鐵16號線頭車車廂21m10227中間車3號車廂21m1223017m03622017m04623311m0222811m018237平均-052225平均-070233上海地鐵6號線頭車車廂21m090217中間車3號車廂21m1121217m03522017m02921311m01221411m012218平均-045217平均-05214上海地鐵12號線頭車車廂21m092206中間車3號車廂21m09321817m0420917m03521911m0221911m015221平均-050211平均-047219上海地鐵8號線頭車車廂21m147194中間車3號車廂21m16119917m02519717m02620211m01520111m01206平均-062197平均-0652023上海地鐵2號線頭車車廂21m136192中間車3號車廂21m13421417m03519717m02621311m01120211m012215平均-060197平均-057214

車廂溫度基本保持在19～24℃之間，風速在0.1～2m/s，送風溫度在14～20℃，送風速度在1m/s～3m/s。按舒適度空調(diào)要求[3]的平均風速應小于0.25m/s.不同車廂受各種因素影響稍有差異，大部分車廂越接近地面溫度越高。根據(jù)溫度速度實測數(shù)據(jù)結果，表明上海地鐵夏季大部分車廂溫度較低，2號線尤為明顯，溫度豎直方向有輕微分層現(xiàn)象，風速分布不均勻。實際測量可以直觀的得出上海地鐵溫度和風速的情況，但想要研究送風溫度和送風速度對上海地鐵客室溫度場和流場的影響程度，需要通過數(shù)值模擬的方法對比分析。

2 模型建立及網(wǎng)格劃分

本文的數(shù)值計算以地鐵列車B型車作為研究對象，車體結構為車輛總長19800mm，凈寬2800 mm，凈高2100mm。車廂左右兩側各設五排座椅，如圖1所示。列車送風量8000m3/h，左右兩側分別設置條縫型送風口，尺寸10mm×16048mm，風口下方有導流板，將送風引向車廂兩側；本車廂為頂部集中回風，設計2個回風口，每個機組下方布置1個回風口，尺寸780mm×250mm，回風進入機組下部風道，再次參與送風循環(huán)；另一部分車內(nèi)空氣通過廢排風道直接排向車外，廢排風口布置在列車兩端頂板，共4個，每端布置2個，尺寸為190mm×665mm。圖1為列車車廂簡化模型。計算的地鐵車廂模型復雜，為了獲得較好的計算結果，采用了非結構四面體網(wǎng)格對車廂模型進行了離散化。本模型在劃分網(wǎng)格時經(jīng)過多次試驗，最終獲得最匹配的網(wǎng)格尺寸參數(shù)，其中最小尺寸為2mm，最大尺寸控制在85mm以內(nèi)，整體網(wǎng)格質(zhì)量大于0.3。

圖1 車體三維模型

3 數(shù)值模擬方法

本文采用RNG k-ε湍流模型，RNG k-ε湍流模型通過大尺度運動和修正后的粘度項體現(xiàn)小尺度的影響，這些小尺度運動有系統(tǒng)地從控制方程中去除[4]。

其中,

μeff=μ+μt

Cμ=0.0845,αk=αε=1.39

η0=4.377,β=0.012

RNG k-ε湍流模型可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大地流動[4]。因為基于雷諾平均(RANS)的CFD模擬在研究列車車廂內(nèi)的氣流分布時已有不少成功的算例。采用SIMPLE數(shù)值計算算法[5]，選用二階迎風(Second Order Upwind)差分格式的離散格式，選用Standard的壓力插值格式。為了計算方便作了以下四條假設：

1)室內(nèi)空氣為不可壓縮流體。

2)流體具有高雷諾數(shù)，且粘性保持一致。

3)湍流流動為穩(wěn)態(tài)。

4)車廂封閉性較好，不考慮漏風和外界壓力變化產(chǎn)生的穿堂風的影響。

4 邊界條件

(1)入口邊界條件

入口邊界即車內(nèi)送風口，定義為速度入口邊界條件(velocity-inlet)，送風溫度分別設定為14,17,20℃,送風速度規(guī)定為1～3m/s，此處選擇實測數(shù)據(jù)1.53m/s和2.0m/s.

(2)出口邊界條件

計算模型的出口邊界條件即車內(nèi)回風口和廢排風口。回風口設置為速度入口(velocity-inlet)邊界條件，方向垂直于風口平面向外，將車內(nèi)部分空氣送回到空調(diào)機組，速度大小由總風量及送風口有效面積確定，經(jīng)計算得回風口風速為1.6m/s。

廢排風口設置為壓力出口(pressure-outlet)邊界條件，根據(jù)一般列車車內(nèi)壓力規(guī)律，設定廢排風口壓力值為50Pa。

(3)壁面邊界

車體固體壁面主要為車身，包括車壁、車窗及車門等部件。模擬工況為地下隧道，因此車體無太陽輻射的影響，車身，車窗，車門使用第三類邊界條件；根據(jù)列車運行規(guī)律，設置車廂兩端非門位置，車廂地板以及列車天花板均為均熱邊界條件，不參與對流換熱；已知各個部位的傳熱系數(shù)：車身：2.4W/m2·K；車窗：3.1W/m2·K；車門：4.6W/m2·K。車廂端部連接前車廂，故在Fluent中設置連接面為symmetry；實際計算中值采用了半節(jié)車廂，以車廂中心面為分界劃分，所以該中心面也設置為symmetry對稱面。本次模擬考慮最極端工況，故外界空氣溫度設定為35℃，在Fluent軟件中壁面?zhèn)鳠岬脑O置需要設置為Mixd，即根據(jù)外界溫度和墻體換熱系數(shù)自動匹配傳熱量。設定人體散熱邊界條件將熱流量分別平均在座位上。在室溫為20～25℃靜坐狀態(tài)下，單個人體散熱量取78W/人[5]。

5 數(shù)值計算結果

本次計算共設有9個工況。考慮人體散熱情況下的有：case1：送風溫度14℃，送風速度1.53m/s。case2：送風溫度14℃，送風速度2.1m/s。case3：送風溫度17℃，送風速度1.53m/s。case4：送風溫度17℃，送風速度2.1m/s。case5：送風溫度20℃，送風速度1.53m/s。case6：送風溫度20℃，送風速度2.1m/s。另外還設置了不考慮人體散熱(空載)的有：case7：送風溫度14℃，送風速度1.53m/s。case8：送風溫度17℃，送風速度1.53m/s。case9：送風溫度20℃，送風速度1.53m/s。為了更直觀的展示和比較各個工況的計算結果，特選取部分典型截面進行分析，截面具體信息見表2。

表2 典型截面信息表

截面編號平面?zhèn)渥igh1XY平面距地21m高度high2XY平面距地17m高度high3XY平面距地11m高度long1YZ平面送風口處

以下均對比了各個工況high1，high2，high3共3個高度的截面，分別可以代表送風口高度，站立乘客頭頂高度和坐姿乘客頭頂高度的溫度場分布情況。

圖2 各個工況下的溫度垂直分布

圖3 各工況下風口溫度

從圖2中可以看出送風溫度的改變對溫度場的垂直分布基本沒有影響。相同送風溫度下送風速度越大車廂同一高度的平均溫度越低。平均溫差為0.6℃。送風速度不變,送風溫度每升高3℃，各截面溫度也相應升高3℃。

圖3中顯示的是各個風口的溫度，9個工況都是隨著送風溫度的增加回風口和廢排風口的溫度也相應增加，且同一工況下，廢排風口要稍高于回風口。模擬空載時回風口和廢排風口的溫度略低于有人員散熱情況下回風口和廢排風口的溫度。

2017年7月，上海室外溫度高達40℃。相應的送風口溫度也相應調(diào)整。經(jīng)過測得6條典型線路的送風口溫度，得到上海地鐵送風口的平均溫度為17℃。圖4為模擬送風溫度17℃送風速度1.53m/s時的溫度場。

圖4 high 1.1m

圖4中可以看出溫度場分布均勻，除車體外壁溫度達到30℃外，其余部位溫度均控制在20℃左右。送風溫度符合車內(nèi)舒適度要求。因此可以看出此種送風溫度較為合理。圖5為入口速度1.53m/s時送風口截面的車內(nèi)流場分布。

圖5 long1

從圖5中可以看出，車廂內(nèi)的內(nèi)氣流組織較為平均，靠近風口處,速度明顯高于其他部位，除去風口最大速度達到3.5m/s,其余部位風速均不超過1.2m/s。符合列車車內(nèi)舒適度的風速要求，可以看出這種送風回風方式較為合理。

圖6中各個截面的風速基本沒有變化。

6 結論

(1)從圖2中可以得出車廂送風溫度的改變對溫度場的垂直分布基本沒有影響。相同送風溫度下送風速度越大車廂同一高度的平均溫度越低。送風速度在一定程度上可以降低車廂內(nèi)環(huán)境溫度?？梢酝ㄟ^送風溫度和送風速度的協(xié)同作用改變車廂氣流組織以更加適合人體舒適度要求。

圖6 各截面風速

(2)圖2可得有人員散熱的情況下車廂溫度也隨之升高。因此人流密度的變化對車廂溫度有一定影響。但是隨送風速度的提高，車廂內(nèi)的溫度也可保持列車空載時溫度。

(3)圖6顯示送風速度不變，送風溫度的改變并不影響各個截面的風速，流場分布也沒有變化。只是在不同水平高度風速不同。

(4)實際測得上海地鐵6條典型線路車廂平均溫度為21.6℃，整體感覺偏冷。上海夏季最高溫度為40℃，車廂內(nèi)外溫差大，不滿足人體舒適度要求。應相應調(diào)整送風溫度和送風速度來改善列車室內(nèi)外溫差。

(5)綜合考慮送風溫度和送風速度的影響，對照UIC553-2004客車通風采暖和空調(diào)的感覺舒適的最大速度表，得出模擬工況中送風溫度為17℃時，送風速度為2m/s時，車廂平均溫度為24℃。因為車廂內(nèi)的溫度隨風速增大而減小，可采取適當增大風速的措施。當送風速度為2m/s時，車廂內(nèi)的平均風速不超過1.2m/s，高度為1.7m的位置平均風速為0.25m/s,吹風感不強，滿足舒適度要求。

通過實測調(diào)查和數(shù)值模擬的方法為上海地鐵車廂氣流組織優(yōu)化設計以及舒適性研究提供參考。

[1] UIC Heating ventilation and air-conditioning in coaches.UIC 553—2005.2004

[2] 錢一寧,龍靜,金甜甜,等.運營中的地鐵列車車廂溫度場分布特性分析[J].城市軌道交通研究,2016,(7):92-96

[3] 陶文栓.數(shù)值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社,1998

[4] 莫志姣,楊易,鄧峰.車用空調(diào)風口布置CFD數(shù)值仿真研究[J]建筑熱能通風空調(diào),2008,(1):63-67

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AnalysisofAirDistributioninCompartmentofShanghaiMetro

HAO Shengnan1，ZHENG Xuelin

( Merchant Marine College，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China )

The actual test of different models and Multiple lines of Shanghai metro，the data of room temperature and wind speed with 6 typical transmission lines in Shanghai have been gained.According to the actual test and CFD numerical simulation the compartment environment in different air supply temperature，air supply speed and different passenger flow density have verified supply air temperature is 17℃ and supply air velocity of 1.53 m/s meets the requirements of human comfort.Finally，a complete system of the airflow of the passenger compartment of the subway car was developed.This paper provides a reference for the optimization design and comfort study of air flow in Shanghai subway.

Air distribution；CFD；Supply air temperature；Supply air speed

2017-

郝勝男(1993-)，女，碩士研究生。研究方向：穿堂風對列車客室氣流組織的影響。E-mail：1254376697@qq.com

ISSN1005-9180(2017)04-047-06

TU831文獻標示碼A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.009