地铁列车采用两侧回风的载人客室车厢气流组织方案分析

刘兴之 计敏良

（广州市地下铁道总公司，广东 广州510000）

0 引言

广州地铁是中国第三大城市广州市的城市轨道交通系统，于1997年6月28日开通，是中国大陆第四个开通并运营地铁的城市。截至2013年12月28日，广州地铁共有9条营运路线，其中尤以3号线（包括番禺广场—天河客运站和体育西路—机场南两条交路）的客流压力最大，全年工作日的列车满载率基本均在120%以上，在早、晚高峰期，特别是夏季气温较高时期，客室经常出现短时温度急剧升高现象，致使客室闷热，影响了乘客乘坐地铁的舒适度。

1 原因分析

经空调系统处理的冷空气经送风口送入客室内，冷空气与室内空气相混和，进行热湿交换，经回风口送入空调机组，进行循环。送风冷空气与室内空气存在压力差、速度差、温度差和湿度差，因此会引起车内空气流动，形成一定的气流组织，气流组织的分布影响室内温度场、速度场等的分布，气流组织形式是影响室内热环境的主要因素。

广州地铁3号线列车空调机组位于列车顶部，送风通道位于客室上方左右两侧，风从客室上方的送风通道流出，经送风格栅把风梳理形成发散风。因客室回风口位于送风通道中间，易导致送、回风短路（冷空气未能充分下沉即从回风口流出，如图1所示），使得回风温度传感器检测到温度比客室内实际温度低，即客室实际温度未达到设定温度时，空调机组就停止制冷。这是造成车厢内实际温度偏高的主要原因。

图1 广州地铁3号线列车气流组织示意图

2 改进方案

根据上述对造成客室闷热的原因的分析，计划在新线列车设计中，要求列车采用两侧回风的气流组织方案，即车顶两侧散流器送风，经内装拐角顶板的缝隙及设在座椅下方的风口回风，如图2所示。

3 仿真计算分析

3.1 客室物理模型

由于车体的形状和内部结构较复杂，为了简化流场模拟中计算模型，尽量完全反映车体结构中的细节，对车内气体过于复杂但是对流动影响不大的区域进行了简化处理。在Gambit生成车辆模型。选取的计算车辆为M车，为前后左右对称结构，人员布置为48人。为简化计算，建立的1／4客室模型及车顶送风口及回风布置如图3所示。

图2 两侧回风的列车气流组织示意图

图3 客室几何模型图

3.2 边界条件的设置

（1）入口的边界条件：采用FLUNET软件模拟计算过程中，速度入口（velocity inlet）用来定义入口边界的速度以及温度等属性。本文将所有的送风口定义为速度入口，送风速度按送风矢量值计算，矢量值的大小由送风量决定，温度按设计值计算。

（2）出口的边界条件：车厢计算模型中回风口和废排口都设定为outlet－vent，分别设定其阻力系数。

（3）壁面边界：流场分析时，固体表面边界一般按无滑移条件处理，车顶及侧墙壁面、客室地板、内端墙取无滑移边界条件。

车顶及壁面在考虑传热问题温度场分析时，使用第三类边界条件，列车车顶与车体侧壁由于受室内外温差作用，对车内产生作用，形成热负荷。由试验得出车体表面的换热系数k为2.4W／（m2·K）。

（4）流体参数：假设车内空气流动可认为是不可压缩的稳态湍流，车内空气设为理想气体，并考虑重力与浮升力的作用。除了入口和出口外，假设车内空气不从客室的其他任何缝隙处泄漏出去。

（5）人体边界：夏季制冷考虑乘客较多时客室内空气的温度场和速度场，取人体壁温35℃。

3.3 客室内热环境分析

为方便分析温度场、速度场分布规律及特点，选取了包括沿X轴、Y轴、Z轴（即车身的宽、高、长）3个方向的关键截面，其仿真模拟结果如下：

3.3.1 流量分配

根据合同规定的参数数据，在给定的设计值中：总风量8 500m3／h，新 风 量 2 600m3／h，回 风 量 5 900m3／h，废 排2 600m3／h。在模拟的过程中，考虑到车身的对称性和计算的快捷性，本文只对车身的1／4进行模拟计算，所以相应的风量也为1／4，车厢送风量为2 125m3／h。

在对拐角顶板和座椅下方排风口分别设定其不同的阻力系数后，最后模拟得到的M车流量分配结果为：侧顶板处排风量为4 509.6m3／h；长座椅下方排风量为2 710.68m3／h；短座椅下方排风量为1 042.8m3／h。模拟结果基本符合设计要求。

3.3.2 速度场分析

从速度矢量图（图4）可以看出，送风口送出的空气经循环后分别从座椅下方和侧顶板处的排风口排出，没有出现较大的短路现象，风速最大的位置出现在送风口和排风口处，其余绝大部分区域的速度均小于0.7m／s，满足EN14750－1标准，客室气流组织比较理想。

图4 截面速度矢量图

3.3.3 温度场分析

从温度云图（图5）中可以看出，在送风口位置，温度比较低，人所处环境附近温度稍高，其他大部分区域的温度分布在23～26℃之间，符合EN14750－1标准的要求。但有乘客的区域温度明显高于没有乘客的区域，说明人体散热会对周围的环境产生影响，在设定控制温度时，应考虑载客量的影响，即载客量大的时候，适当提高空调的设定温度。

图5 截面温度云图

4 结论

本次仿真对载人客室的基本特征参数进行了详细分析，对车体空调模型进行了合理的简化，建立研究对象的物理模型，进行网格划分，选择适当数学模型，设定松弛系数、收敛标准和边界条件，初始化进行数值迭代计算，得到以下结论：（1）地铁列车采用两侧回风的方案，气流的组织和流量的分配较为理想，没有出现较大的送风短路现象；（2）地铁列车采用两侧回风的方案，温度场分布均匀，送风冷空气能较好地与室内空气混合，可以给乘客提供较高的舒适度；（3）乘客所处区域环境温度高于周边环境温度，说明人体散热对车厢环境造成了一定的影响，在对车内温度进行设定时需考虑载客量的影响。

本文提出了地铁列车采用两侧回风的空调设计方案，试验结果表明该方案可以满足乘客的乘坐舒适性需求，目前，广州正在建设的7号线和9号线中，已要求厂家按该方案进行列车设计。

［1］南车株洲电力机车有限公司.广州地铁7号线项目车辆空调及通风系统技术规格书［Z］，2014.

［2］南车株洲电力机车有限公司.广州地铁9号线项目车辆空调及通风系统技术规格书［Z］，2014.

［3］易柯.地铁车厢内回风方式数值仿真分析［J］.电力机车与城规车辆，2012（2）.

［4］刘洋.地铁车辆风道系统出风均匀性设计［J］.电力机车与城规车辆，2011（1）.

［5］易柯.地铁车辆空调系统气流组织数值计算与分析［J］.城市轨道交通研究，2009（11）.