探究风道结构优化对地铁车室内气流组织均匀性影响

    刘晶

    

    

    摘?要：随着我国经济建设的快速发展，城市化的进一步集中，城市交通中的地铁已经成为了现代交通的重要工具。其中，空调送风系统的好坏直接影响着城市地铁乘客的舒适程度，同时也是地铁车辆中最为重要的子系统之一，而空调送风系统中的风道结构的均匀性，在很大程度上决定着乘客的热舒适性。因此，本文对风道结构通风量因素的内部配置，新鲜空气入口条件，内部空气出口条件做了一定的研究，通过改变进口速度、出口位置，从而优化风道结构，改进室内组织的均匀性。

    关键词：风道结构;均匀性;出口位置;热舒适性

    1 绪论

    地铁车厢由金属制成，没有可打开的窗户，因此安装了机械通风和空调系统以供应新鲜空气并提供热舒适的环境。在地铁运营期间，室内的温度应该保持在合理的温度范围之内，而保持这种温度的关键措施是通过采暖以及空调系统实现的，其中，通过HVAC系统，可以实现跨腔边界交换空气。对于以乘客舒适性为主要要求的空调系统，在很大程度上取决于风道系统的结构优化，其均匀性是是否能满足乘客的舒适性要求。

    2 风道结构中的通风道口

    2.1 几何模型

    当前的研究采用了一种特殊类型的地铁中间车，其中包括一个乘客车厢，两个通道，一个HVAC系统和一个风道系统[2]。其中，空调系统位于地铁车厢内的顶部，在乘客舱内布置的每一个空调都设置有一个入口以及两个出口，对于HVAC系统的是数值模拟系统，可以采用速度入口以及出口边界的方法，从而能够有效的替代实际模型。

    2.2 网格和边界条件

    当选择采用非结构化网格进行数值模拟时，要将进气口管道以及乘客舱的网格化进行集中加密。其中，隔室表面的边界网格第一层厚度为3mm，总网格数为1.1亿。图1所示为局部表面的网格化图，将地铁内部的流场设置为湍流状态。并且采用湍流模型可以得到有效的计算，y+（无量纲第一单元间距y+=y×ut×g-1，其中y表示为靠近壁的第一单元厚度，ut表示为在此过程中的摩擦力，湍流模型的速度（g为动粘度）通常情况下设置为30—100。在此模拟过程中，构造网格中y+平均约为34，满足标准规范中的要求。因此，两个模型的网格满足y+值的要求，从而将边界设定条件如下所示：

    （1）将空调出口，再循环空气管道入口和排气空气管道入口设置为质量流入口边界条件。当质量流量的值为负时，空气会流到计算域之外。供气，再循环和排气的流速分别为10000m3h-1、6800m3h-1和3200m3h-1，进而根据相应进气口和排气口的面积，送风、再循环空气和排气的速度分别为5261m3h-1、1.937m3h-1和3.922m3h-1。

    （2）将车厢表面设为热通量壁边界条件，将传热系数25W（m2K）-1定义为K值。

    （3）所有表面均设置为防滑墙边界条件。

    （4）这项研究检查了夏季的全乘客工作条件，类比于现实条件中，假定地铁车厢内有300多位乘客，并且在此过程中保持室外的温度维持34℃不变。由于乘客在乘坐期间会产生大量的热能，因此在数值模拟中考虑了人类的热源。根据欧标EN14750中得出，可以将乘客的热源规定为120w左右，并将其作为体积源装入计算域的相应人为活动区域。体积热源设置为294.5Wm3，由于乘客车厢包含大量热源，因此新鲜空气温度设置为13°C。

    （5）本研究测试了三种用于数值模拟的通风面板模型：分别为原始模型、多孔介质模型和多孔跳变面模型。

    3 结构优化中的通风面板型号

    本研究选择了三种类型的通风面板模型进行数值模拟，将其中的“原始模型”定义为以空调系统中的通风面板的实际尺寸为标准。其中，原始模型还需要大量的计算结果进行支撑，而在此应用较好的模型为多孔介质以及多孔跳跃界面模型，本次研究着重于使用所提出的通风板模型对内部流场进行数值模拟。为了更好地理解多孔跳跃面模型，通风面板定义为单位表面。

    通过本研究中的实验获得了在不同风速下的上通风板和侧通风板的压力损失，在国内的中南大学模型测试平台上进行了该实验，该平台已获得中国计量认证（CMA）资格（证书编号2014002479K），人们在该项目中可以查询到更多有关该平台的信息。将地铁车厢内的空气速度分别设置为1、2、3、4和5ms-1，从而可以根据通风面板的实际尺寸构造实验，如图1（a）所示。如图1（b）所示，选择了Honeywell DC030NDC4压力传感器进行压力测量，在这组测试中，传感器的采样频率为1kHz，测量精度为0.01Pa。另一方面，对于速度上的测量，可以使用TSI9525风速计，测得其中的精度为0.01ms。在每次测试之前，必须保证负载测量的误差在0.2%以内，从而可以满足精度上的测试要求。

    在数值模拟中，使用ANSYS Fluent中的多孔单元区域条件设置通风面板的多孔介质模型，并使用多孔跳跃边界条件设置多孔跳跃面模型。为了使用这两个模型对地铁车厢的内部流场进行数值模拟，需要多孔介质参数1/a和C2以及孔隙率。在多孔介质模型中，在“单元区域条件”部分中将通风面板区域定义为“多孔区域”。对于多孔跳跃面模型，在“边界条件”部分中将通风面板的面选择为“多孔跳跃”，并输入通风面板的厚度Dn。

    4 试验验证与分析

    在本研究中应用了三种通风面板模型进行比较，将数值结果与地铁火车中间车的真实实验数据进行了比较，然后确定了能够使用最少的计算能力有效地对地铁车厢内部流场进行数值模拟的模型，从而对优化风道结构的均匀性进行更好的设计。

    4.1 真正的地铁实验

    借助于中南大学的平台，进行了地铁车厢风道试验，用于在实验中地铁车厢的尺寸。选择了四台XFH空调设备，出产于自悦特通风设备有限公司，每台都可以产生将近2500m3/h的13℃新鲜空气进行输送。该实验设置进气管道中有四个进气口，其中的每台进气口都会有一个空调进行对应，空调器产生的新鲜空气直接进入送风管道。与此同时该试验并未设置再循环系统，取而代之的是，在乘客舱的每个再循环和排气出口都设置了通风机。每个循环呼吸机和排气呼吸机的流量分别为3400和533m3h-1。该实验使用了功率为120w的加热线圈，其中的数量为310个，可以很好地模拟在车厢内乘客的工作条件。将其中的加热线圈平均分布在车厢地板上，在空调和加热盘管运行约30分钟后，测量乘客舱中的相关流场参数。此时，通过实验预期车厢内的温度以及流场是稳定不变的，可以有效的模拟地铁车厢内的乘客实际条件。

    乘客舱中的压力变化相对较小，并且高度为1.1m的水平面（Z=1.1m）的压力差小于1Pa。因此，未考虑测量点的压力，获得了测量点的风速和温度。对于温度测量，采用测量精度为0.01℃的AI5600手持式高精度温度计。

    4.2 内部流场分析

    将多孔介质模型的数值模拟结果与原始模型的数值模拟结果进行比较，可以进一步说明用多孔介质模型代替原始模型的可行性。在实际的地铁车厢实验中，基于欧洲标准EN14750，选择了15个测量点，这些点分为两组：水平组和垂直组，每个组对应一个平面。结果，选择了1.1m高的水平面（Z=1.1m）和对称的垂直平面（Y=0m）进行内部流场分析。考虑到其他方面的传热方式，比如车厢表面以及乘客本身的热量传输，乘客舱内的温度场保持在相对平衡的状态。因此，车厢的典型部分的速度和温度分布可以代表地鐵车厢内的速度和温度场，由于乘客舱中的压力变化相对较小，因此未研究压力场。

    图2显示了同时存在于地铁车厢两个典型区域中的原始模型和多孔介质模型的速度分布。由于湍流不稳定，并且两个模型的速度变化范围几乎相同，因此两个模型的速度场基本上是一致的。由于采用了再循环空气系统，再循环空气出口周围的空气速度要比隔室中的其他部分大，两个模型的平均速度，水平速度差和垂直速度差基本一致。

    通过对典型截面的速度和温度分布的分析，可以得出两个模型的内部流场分布吻合良好的结论。因此，多孔介质模型可以很好地替代通风面板在地铁车厢内部流场的数值模拟中，将通风管道的结构进行优化，从而提高室内阻止气流的均匀性。

    5 结语

    这项工作的重点是在添加穿孔挡风板进行结构优化的基础之上进行了数值模拟，并建立了模型，提高数值的计算效率，并同时提高了室内气流组织的均匀性。

    参考文献：

    [1]于会龙.地铁车辆空调系统送风均匀性仿真及优化[J].环球市场，2017，000（024）：96.

    [2]袁博，张杰，张永利.地铁车辆风道系统CFD数值模拟优化与试验验证[J].电力机车与城轨车辆，2017（05）：10-13.