基于计算流体动力学的地铁车厢气流性能评价分析

宣守旺 曹从咏 周 鹏

（南京理工大学自动化学院，210094，南京∥第一作者，硕士研究生）

乘客对地铁空调舒适性的要求越来越高。相关研究表明，良好的气流组织对车厢内热环境的舒适性有重要影响。近年来，计算流体动力学（CFD）越来越多地应用于列车车厢内气流性能评价分析［1-5］，对于改善车厢热舒适性、提高服务水平具有重要意义。本文以南京地铁2号线某型列车为研究对象，运用Fluent软件模拟了夏季地铁车厢不同送风工况下的空气流场，并根据模拟结果进行气流性能评价分析，得出最优工况。

1 地铁车厢内气流性能评价方法

评价地铁车厢气流性能时，需考虑车厢内温度与速度分布均匀性程度，气流温度与速度综合作用下的人体热舒适程度，以及气流组织的能量利用效率。通过地铁车厢气流性能评价指标来评判气流组织的好坏［6］。

1.1 均匀性指标

不均匀系数为均匀性指标，反映气流组织的性能，反映温度场与速度场分布的均匀性。不均匀系数可分为温度不均匀系数Kt与气流速度（风速）不均匀系数Ku。

在工作区取n个测点，测得测点i的温度ti与气流速度值ui，并分别计算各测点的温度算术平均值ti及气流速度算术平均值u，则有：

由此得到，车厢内空气温度的均方根偏差σt与气流速度的均方根偏差σu为：

则有：

1.2 空气分布特性指标

空气分布特性指标（IADP）为工作区内有效温度差在-1.7～1.1℃范围内的测点数占测点总数的百分比。IADP将空气温度、气流速度与人的舒适感三者联系起来，若IADP=100%，表示全室内的人员都感到舒适；当IADP＞80%时，则认为气流组织效果满意；当IADP≤ 80%时，则认为有人感到不舒服，可能存在吹风感。其计算公式为：

其中，θ——有效温度差，反映温度与速度综合作用的指标，且

θ=（tx-tr）-M（ux-ur）（5）

式中：

tx——测点x的空气温度；

ux——测点x的气流速度；

tr——给定的室内温度，取27℃；

ur——停滞区气流速度，取0.15 m/s；

M——单位气流速度效应相当的温度值，一般为 7.66 ℃/（m/s）。

1.3 能量利用系数

能量利用系数η可用来评价气流组织的能量利用有效性，η越高表明能量利用越充分。计算式为：

式中：

tp——排风温度；

tn——工作区平均温度；

t0——送风温度。

2 地铁车厢流场模拟计算与方法

本文运用Fluent软件对车厢空气流场进行数值模拟，采用基于压力隐式稳态求解器，选取k-ε标准湍流模型模拟空气三维湍流流动。

2.1 物理模型

以南京地铁2号线某型列车一节车厢为样本，建立车厢物理模型。X方向为车长方向，Y方向为车宽方向，Z方向为车高方向。车厢长24.50 m，宽2.80 m，以地板为基准的顶板高度为2.12 m。车厢内有58个座椅，顶板上设有送风口和回风口，侧墙上设有排风口、车门和车窗。为模拟地铁车厢满载工况下的空气流动，在车厢内添加简化的乘客模型。乘客定员292人，有站立姿势和坐态。其中，站立乘客234人，坐态乘客58人，站立乘客平均身高为1.70 m，坐态乘客平均身高为1.26 m。物理模型如图1所示。送风口、回风口、排风口的尺寸、数量和位置见表1。

图1 地铁列车车厢物理模型

表1 各风口设置参数表

2个空调机组产生的冷风通过送风道从车厢顶板的送风口送入车厢内.冷热空气经过持续的热湿交换进行温度调节，一部分混合空气通过顶板上的回风口返回空调机组，重新制冷后再循环利用，另一部分混合空气通过设置在座椅下方的排风口排向外界。为了向车厢内补充新鲜空气，空调机组正常工作时不断吸入外界新风，相应的气流组织示意图如图2所示。

图2 列车空调通风系统气流组织示意图

2.2 网格划分

本文研究的计算域是车厢内除去座椅和乘客所占空间的其他所有空气流动区域。使用ICEM CFD网格划分软件生成非结构网格，即四面体网格和近壁面处的边界层三棱柱网格。在风口等部位采用较小尺寸的网格单元，在乘客区域采用较大尺寸的网格单元，以实现较好的疏密过渡。四面体网格数量为3 035 850，三棱柱网格数量为588 840，网格节点数量为892 827。

2.3 初始条件与边界条件

GB 50157—2003《地铁设计规范》（文献［7］）中规定：“夏季单节地铁列车的单个空调机组的送风量不少于4 000 m3/h，且新风量须满足每人12.6 m3/h的要求。”本文考虑了6种送风工况（如表2所示），其中送风角度即送风风向与竖直方向的夹角。

表2 送风工况参数表

边界条件设置如下：

（1）送风口边界条件：送风温度为18℃（291 K），送风速度根据各工况的送风量及送风角度，以及送风口尺寸计算可得。

（2）回风口边界条件：工况一、二、三的回风量为5 900 m3/h，回风速度为2.134 m/s；工况四、五、六的回风量为7 900 m3/h，回风速度为2.857 m/s。方向均为Z轴正向。

（3）排风口边界条件：自由出流边界。

（4）车体壁面边界条件：壁面处默认为无滑移；车体侧墙、车窗和车门采取第三类边界条件，传热系数分别为 2.5 W/（m2·K）、3.1 W/（m2·K）、4.6 W/（m2·K）；外界空气温度为 35 ℃（308 K），车厢两端、车顶、车底和座椅视为绝热壁面。

（5）室内热源边界条件：将乘客人体散热简化为室内热源项，设为第一类边界条件，其温度为36℃（309 K）。

3 模拟结果及气流性能评价分析

3.1 监测断面与监测点的选取

在车辆长度方向（X轴）选取有代表性的断面，如图3所示。

图3 监测断面位置示意图

在每个断面内选取20个监测点，距车内地板的高度分别为0.1 m、0.5 m、1.2 m和1.7 m，即对应于乘客的脚部、膝部、坐下和站立时的头部等位置，如图4所示。

图4 各监测断面内监测点位置示意图

由于乘客模型不是均匀对齐摆放的，因此断面中的人形出现缺头或缺腿的情况是正常的。

3.2 模拟结果分析

运用Fluent软件分别对6种送风工况的空气流场进行数值计算，计算完毕后读取并统计60个测点的温度与气流速度值。

根据GB/T 12817—1991《铁道客车通用技术条件》及国际铁路联合会标准《UIC 553客车通风采暖和空调》等资料，夏季车厢内空气的适宜温度范围为24～28℃（297～301 K），适宜微风速范围为0.07～0.35 m/s。在上述范围内，温度越低、风速越大，乘客热舒适性越好。但站立乘客头部位置风速若超过0.7 m/s，则乘客会有强烈的吹风感。

经过统计，在60个测点中，各工况满足适宜温度、适宜微风速的测点个数如表3所示，并且所有工况均不存在风速超过0.7 m/s的测点。

由表3可以看出，工况三的适宜温度测点最多，工况六的适宜微风速测点个数最多。

表3 各工况满足适宜温度、微风速范围的测点个数

统计位于同一高度测点的温度及速度值得到平 均温度及平均风速情况分别如表4及表5所示。

表4 各工况4个高度的平均温度

表5 各工况4个高度的平均风速

由表4及表5可以发现，各种工况下，随着测点高度从高到低变化，相应的平均温度递增变化，平均风速递减变化。

根据适宜温度范围与适宜微风速范围可以发现，工况六有2个高度的温度最佳，1个高度的风速最佳，在各工况中表现最好。需要指出的是，虽然所有工况在站立乘客头部高度的空气平均温度均低于适宜温度的最低值297 K，但工况三和工况六较其他工况更接近适宜温度。这是由于工况三、六的送风角度较大，对站立乘客头部高度的影响较小。而工况四、五、六在这一高度的平均风速均略高于适宜微风速的最大值0.35 m/s，这是由于工况四、五、六送风量较大。此外，所有工况在乘客脚部高度的平均风速均低于适宜微风速的最小值0.07 m/s，说明这一高度的空气流通性比较差。

3.3 车厢气流性能评价分析

由于车厢气流性能受很多因素影响，本文选取了空气分布特性指标IAPP、能量利用系数、温度不均匀系数Kt与风速不均匀系数Ku作为评价指标，各工况指标比较见表6。

表6 各工况气流性能指标比较

由IAPP数据可以看出，所有工况的空气分布特性指标都比较低，位于30%～40%范围内，明显低于80%。表4及表5表明车厢内从高到低的温度及风速波动较大，其中站立乘客头部高度的温度偏低、风速偏大，乘客脚部高度的风速极小。这是致使IAPP值较低的重要原因。造成这一现象的根本原因是地铁车厢自身的结构限制以及车室内人员密度大。

由上述数据可以看出，只有工况六的能量利用系数大于1。这说明工况六的系统经济性最好，其能量得到了充分利用。

由Kt可以看出，工况六的Kt值最小，温度分布最均匀。通过对比可以发现：提高送风量可较明显地降低Kt值；而增大送风角度也可明显降低Kt值，并且送风角度从45°增至60°时的Kt值降幅比从30°增至45°时的Kt值降幅大。

由Ku可以看出，工况二的Ku值最小，风速分布最均匀。通过对比可以发现，提高送风量使Ku值明显升高，而改变送风角度对于Ku值的影响很小。

通过以上对6种不同送风工况下车厢温度、风速及气流性能指标对比分析可以看出：不同工况各有优势，最优工况的各项指标并非都是最好的。由综合对比可见，工况六（送风量为12 000 m3/h，送风角度为60°）是最理想的。

4 结语

本文采用Fluent软件模拟分析了不同送风工况（送风量和送风角度）对车厢内温度、速度及气流性能的影响。模拟结果表明，在6种工况中，送风量12 000 m3/h、送风角度60°的送风工况是最优工况，其气流性能较其他工况更好。基于CFD的流场模拟可作为一种有效手段应用于地铁车厢通风系统的设计与优化中，从而有效提高地铁车厢的热舒适性与节能性。

［1］ 刘佳，张利明.地铁车厢条缝送风方式数值模拟［J］.制冷与空调，2010，10（4）：72.

［2］ 林松.B型地铁送风口特性研究及优化［D］.青岛：青岛理工大学，2012.

［3］ 王斌.地铁车空调通风系统及车厢内流场数值模拟［D］.大连：大连交通大学，2012.

［4］ 黄文杰.地铁车厢空调气流组织仿真及优化［J］.建筑热能通风空调，2009，28（6）：88.

［5］ 王志全.空调硬座客车车厢内部热舒适性研究［D］.兰州：兰州交通大学，2012.

［6］ 孙宝红.地铁车厢围护结构隔热性能与车室内气流组织的模拟计算［D］.长沙：中南大学，2013.

［7］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范：GB 50157—2013［S］.北京：中国计划出版社，2013.