地铁车空调风道及车室内气流组织数值仿真

于淼，王东屏，袭望，黄少东

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028;2.中国北车集团 唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035)*

0 引言

近年来，为了缓解交通出行的压力，我国各大城市大力发展地铁的建设.随着我国城轨空调列车应用的迅速发展，人们对空调客车客室内的舒适状况和空气品质的要求越来越高.对于以乘客为服务对象的地铁车辆空调系统，仅仅提供满足负荷要求的制冷量是远远不够地，车内的舒适性问题也越来越得到更多人的关注［1］.风道送风的均匀性是否均匀、客室内温度场分布是否均匀稳定、风速大小控制是否合理都与地铁车内乘客乘坐舒适性息息相关.在车厢内的空气温度分布合理和风速符合标准的情况下，还需要考虑温度场和速度场分布的均匀性，否则，不但会影响乘客乘坐舒适性，而且会造成能源的浪费［2］.目前国内有关地铁车厢内气流组织研究方面的文章较少，由于地铁车辆受限界的影响，实现风道均匀送风，还需要深入研究［3］.针对地铁空调的运行特点，本文主要对风道的速度场以及车厢内的速度场和温度场进行了模拟分析.对改进和优化风道设计，提高地铁车内环境的热舒适性有着重要的应用参考价值.

本文首先用ProE软件建立头车风道和车体的三维模型，然后利用Hypermesh软件进行网格划分，采用四面体非结构性网格以适应复杂的几何结构，最后在FLUENT软件中完成模拟计算.采用有限体积法中常用的SIMPLE算法对离散方程进行求解，离散方程时，对流项采用二阶迎风格式，粘性项采用二阶中心差分格式.

1 数学模型

研究风道和车厢内流场的空气动力特性，其实质是研究流体流动问题.而流体运动是最复杂的物理行为之一，与结构设计领域中应力分析等问题相比，其建模与数值模拟要困难得多.风道及车厢内流场的空气流动是三维、定常、不可压缩流动.根据流场特点，描述空气流动的控制方程包括连续性方程、Reynolds时均 Navier-Stokes方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes，简称 RANS)以及湍流模型方程［4-5］.

对大多数工程问题，无法获得精确解析解，只能用CFD数值模拟的方法求解.计算湍流运动时，还需要附加湍流方程，本计算采用了有适用范围广、经济和合理的精度，且工程流场计算中常用的标准k-ε湍流模型为主要计算工具.采用k-ε双方程模型对空调领域多种流型的计算结果显示，该模型优于其他模型.

2 风道和车体的计算模型

2.1 风道的组成和工作原理

车厢顶部有两台空调机组，空调机组分别分布在左右两侧，空气先通过导流板进行分流，分别向地铁风道的两侧流动，其中风道中的空气由于孔板的阻挡，速度逐渐降低，使空气向静压腔中流动，通过间隙风由主风道传送到静压风道，最后经静压腔底部的条缝式送风口，把风送入地铁车厢内，两条风道汇合后向司机室送风.模型包括4个供风入口，121个风道出风口，风道内部共有40个孔板.风道每侧有两个进风口，60个出风口，风道前端有一个风道出风口通往司机室.静压风道截面结构见图1.

图1 静压式送风风道断面三维模型

2.2 车体的构成和计算模型

地铁TC车(头车)车体及乘客计算模型，车厢内定员226人，如图2所示.主风道沿车顶中部设置，两个空调机组通过车顶的条缝向车厢内送风，车厢内的废排口在座椅下部，通过侧墙型腔进行排气，废排经废排管道送往车顶由废排烟囱排出，通往大气的废排烟囱位置不设风机装置，完全靠大气压力进行排风.

图2 满载时地铁头车车体及乘客计算模型

如图3所示，地铁头车的排风方式为上送上回下排.送风口、回风口和排风口的位置设置都会影响到地铁车室内气流组织其中包括车内温度场分布和速度场的分布等.

图3 地铁头车车厢内的送风和排风方式

2.3 参数设置

对地铁车结构进行了分析，简化处理了地铁头车计算模型，仅考虑地铁车厢内空气流通主要空间、座椅及人对气流的影响，并假设人员不走动.因此，边界设置为固定客室内壁面、坐椅表面及人员表面为壁面参数，送风口作为计算进风边界条件，回风口和废排风口为计算出风边界条件，给定车厢内的送风量和司机室内的送风量，忽略车厢空气泄漏.设置的参数为车辆运行状态下的车内温度场和流速场分布的初始条件.具体参数如下:车厢外温度取为35℃，冷风入口温度取为18℃，废排出口设置为压力出口，工厂提供的车体传热系数为2.4 W/m2K，车窗传热系数为3.1 W/m2K，车门传热系为数4.6 W/m2K，按整车车厢内满员226人计算，送风口使用导风格栅进行散流.

3 计算结果及分析

3.1 风道的压力和速度分布

由于地铁头车的风道显对称式，为简化计算，取半个风道为研究对象，除司机室以外的60个风道出风口速度分布如图4所示.

图4 地铁头车风道的60个出风口的速度分布

由于有回风口的存在，会产生一个往回风口抽吸的气流组织活动形式，位于空调机组下方的八个风道出风口有回流产生.由计算结果可知，空调机组下方的出风口10～13与出风口46～49平均速度较小.出风口10～出风口13的平均风速变化为0.06～0.21 m/s，出风口 12和13的出风速度较小，并且一部分风倒流回风道.所以目前设计方案是在最初方案的基础上将每个空调机组下方的8个风道出风口去掉，风道的计算模型改为4个供风入口，105个风道出风口.由图5可以看出，去掉空调机组下8个出风口后，地铁风道的出风口均匀性得到了有效地改善.风道出风口的平均速度最大差值由2.92 m/s变为2.23 m/s.

图5 地铁头车风道的52个出风口的速度分布

从模拟结果可以看出，风道中的空气由于孔板的阻挡，速度逐渐降低，同时孔板使得空气向静压风道中流动.因此，有出风口流入车厢内的空气速度较小，使车内的环境更加舒适.风道进风口处的压力较大，空气流动过程中由于孔板的阻挡，使压力不断降低.由计算结果得到，风道内最大阻力为122.87 Pa.风道进口的平均静压为 252.67 Pa.总之，在修改风道的出风口个数后，除了靠近空调装置的2个出风口平均速度较小外，其余出风口的平均风速均匀性较好.优化送风道的出风均匀性有助于改善车厢微环境，保证乘客乘坐的舒适性.

3.2 车厢内的温度和速度分布

考虑到地铁运行的实际情况，当地铁车内乘客不多时，地铁车内环境较为舒适，一般能够满足舒适性要求，在上下班高峰期时，当地铁车内出现人员满载或过载时，容易造成车内空气流通不畅，可能导致乘坐的舒适性下降，所以我们主要对车内满员的情况下进行了数值模拟分析.通过数值计算得到车厢内的速度场和温度场的详细信息.

从图6中看出，车厢的进风口通过导流格栅进入车厢，并且空调风道采用了条缝形送风口，其进口气流在车厢内形成两侧扩散的气流分布模式，这样有效避免了冷气直接吹向乘客头部.在车厢上方回风口位置，速度约为0.5 m/s，在远离回风口的其他位置，速度较小，车厢内速度范围为0.1 ～0.2 m/s.车厢内的速度为 0.1 m/s左右，废排风道中的速度约为1.2 m/s左右.由于车厢内的废排口位于座椅的下方，其速度约为1.6 m/s，对车内气流组织有一个向下导流的作用，加强了车厢下半部分空气的流通.地铁头车上送上回下排的排风方式，有效地改善了车厢内的环境温度和空气品质.

图6 车厢废排通道横断面的速度矢量分布

总体而言，车厢内风速较低，速度范围为0.05～0.5 m/s，车厢内乘客环境较舒适，符合欧洲标准EN14750-1(在28℃时最大气流速度＜1.4 m/s).靠近车体壁处由于有外界温度的影响温度较高，外界温度对车厢内的温度有一定的影响.如图7所示，车厢内冷风入口的温度为18℃，人体头顶温度约为19～20℃.由于车厢内满员时，人的密度较大，人员对冷风的流动起阻碍作用，所以冷风很难往下流动，人体下方周围温度较高，约为25℃，司机室内比客室上部温度略高，温度范围大致在21～23℃，人体周围温度大多分布在19～25℃.由模拟结果可知，车室内最高温度25℃，低于设计温度28℃.

图7 风道静压腔处横断面的温度分布图

4 结论

通过数值模拟技术对列车空调通风系统及车厢内流场气流组织进行模拟仿真，形象直观地对列车车箱内的空气流场作出分析和评价，得出如下结论:

(1)在回风口分布的周围，位于空调机组下方风道出风口有回流产生，并且机组送风口下方的主风道往静压风道的送风量较少，这就直接导致位于此处静压风道下方的条缝出风口出风量很少.因此，将空调机组下方的八个风道出风口去掉，由模拟结果可以看出，地铁风道的出风口均匀性得到了有效地改善.风道出风口的平均速度最大差值由2.919 m/s变为2.231 m/s;

(2)挡风板明显增加了空气流动的阻力，穿孔挡风板可以使得由导流板分流出来的高速的送风在此处得到一定的阻挡，增加一部分的风量送入静压风道内，再通过静压风道底部的条缝送风口送入车厢，达到整条风道均匀出风的目的.壁面附近温度较高，但就整体而言，温度场和速度分布较均匀，说明条缝型送风口能够提供较好的空气品质;

(3)由模拟结果可知，地铁头车的上送上回下排的排风方式，通过选择合适的送风温度与送风速度的组合，车厢内乘客环境较舒适，是比较合理的气流组织方式.除了靠近空调装置的2个出风口的平均速度较小外，其余出风口的平均风速均匀性较好.车厢内微风速为0.05～0.5 m/s，在人体周围大部分速度≤0.5 m/s，符合欧洲标准EN14750-1(在28℃时最大气流速度＜1.4 m/s).人体头部上方温度19～20℃，由于车厢内人员密集，空调冷风的向下流动困难，所以人体下侧温度略高，约为25℃，人体周围温度在21～25℃.该空调通风系统能使车厢内得到比较合理的微风速分布，满足设计温度28℃的要求.

［1］LIN C H，LELLI M A，HAN T.experimental and computational study of cooling in simplified GM210 passenger compartment［J］.SAE(society of automotive engineers)，1992，2(2):1-3.

［2］李超，齐朝晖，盛思思.地铁车厢内气流组织的探讨［J］.制冷与空调，2009，23(3):109-112.

［3］杨柳.风道结构优化对地铁车室内气流组织均匀性影响的研究［D］.武汉:华中科技大学，2008.

［4］田红旗.列车空气动力学［M］.北京:中国铁道出版社，2007:28-31.

［5］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004.