C型地铁列车次风道出风均匀性研究

王友君，穆广友，姜海英，刘立平

（1.上海海洋大学 制冷与空调系，上海 201306；2.上海阿尔斯通交通设备有限公司 设计部，上海 200245；3.山东电力经济技术研究院 建设管理中心，山东 济南 250001）

C型地铁列车次风道出风均匀性研究

王友君1，穆广友2，姜海英3，刘立平1

（1.上海海洋大学 制冷与空调系，上海 201306；2.上海阿尔斯通交通设备有限公司 设计部，上海 200245；3.山东电力经济技术研究院 建设管理中心，山东 济南 250001）

利用数值模拟方法研究了C型地铁列车次风道内的空气流动特性和出风均匀性.研究结果表明：扰流板铅直宽度、混合腔前端斜隔板以及隔板孔洞与出风口的相对位置是影响风道气流组织的3个重要因素.因受尺寸限制和不合理内部结构的制约，C型地铁列车不能很好地实现静压送风，从而可能导致不合理的速度分布和出风的不均匀性.

出风均匀性；次风道；扰流板；混合腔；地铁列车

地铁列车客室的空气品质对乘客健康具有重要的影响［1］，而送风均匀性是决定客室空气品质的关键因素之一［2］.对于车体宽度较大的A型车，静压条缝送风可以实现很好的送风均匀性［3］.但是，对于车体宽度较小的地铁列车，如B型或C型车，现有送风方式仍不能很好地实现均匀送风.因此，本文采用实验与模拟相结合的方法分析了一种C型车次风道的空气流动特性和出风均匀性.

1 实验与数值模拟准备

1.1 实验简介

本文研究对象是C型地铁列车中间客室两端短风道的一端，其一半对称结构如图1所示.风道长为3 412 mm，高为100 mm，顶面宽为1 186 mm，底面宽为1 216 mm.风机送风口尺寸为762 mm×284 mm，风道出风口尺寸为217 mm×102 mm.距风机送风口最近的对称布置的斜扰流板（2个）和中间垂直扰流板（1个）的尺寸均为313 mm×50 mm，最远垂直扰流板（1个）的尺寸为700 mm×30 mm.斜扰流板与对称面的夹角为45°，斜扰流板顶端与中间垂直扰流板在x轴方向上的间距为1 114 mm，中间扰流板与最远扰流板的间距为952 mm.

实验时，风机送风量调整为最小安全风量740 m3／h，监测各出风口风量用来验证数值模型.监测风量所用仪器为TSI-8357型风量罩（美国，TSI公司），风量罩位于图1所示的3个位置i、ii、iii.其中，位置i处风量罩测量出风口3、4、5的总风量，位置ii处风量罩测量出风口6、7的总风量，位置iii处风量罩测量出风口8、9、10的总风量.

图1 送风风道和出风量采样点分布示意图Fig.1 Sketch of air supply duct and outlet flow rate sampling points arrangement

1.2 数值模拟描述

本文所考察的空气流动属于绝热不可压流，满足式（1）所示的欧拉守恒方程［4］.

式中：ρ为空气密度；t为时间；Φ为通用变量；u为速度矢量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项.

采用非结构网格把图1所示风道划分为10 173个四面体单元，扰流板、隔板孔洞和出风口附近网格加密，边界上最小网格点间距为11.67 mm，具体如图2所示.选择Fluent软件中的标准κ-ε模型进行湍流计算.利用一阶差分格式的有限体积法将欧拉方程离散成代数方程，并利用SIMPLE方法耦合压力场和速度场.风道对称面、进风口、出风口、隔板孔洞和固体壁面分别定义为Symmetry，Velocityinlet，Pressure-out，Interface，Wall，并假设进风湍流强度为10%，壁面光滑.除了实验的最小安全风量740 m3／h，本文又模拟了5种送风风量：1 077，1 645，2 153，2 691，3 229 m3／h.

图2 数值模拟采用的送风风道非结构网格Fig.2 Unstructured grids of air supply duct for the numerical simulations

2 数值模型验证

风机送风量为740 m3／h时，实验与模拟得出的出风量数据如图3所示.由图3可知，模拟数据变化趋势与实验数据的一致性很好，模拟得出的平均出风量比实验值大14%左右.因此，数值模型可以用来研究C型地铁列车风道的空气流动特性和出风均匀性.

图3 模拟与实验出风量对比Fig.3 Comparison of simulation and test air-out capacity

3 模拟数据讨论

3.1 气流组织

本文所研究送风工况处在流体自模区范围内，风道气流组织不随送风量大小变化.因此，选取送风量为740 m3／h时的气流组织以分析风道内空气流动特性.图4给出高度70 mm（z＝0.07 m）水平剖面上的气流速度矢量分布.图4的数值结果表明，风道前端斜扰流板和中间垂直扰流板的铅直宽度较大（50 mm），对风道内空气流动影响显著.因为扰流板的阻碍作用，导致空气向两侧流入混合腔.但是，风道末端扰流板的铅直宽度较小（30 mm），对风速的影响很弱.总体而言，风道水平面上气流速度矢量分布很不均匀.

图4 水平剖面（z＝0.07 m）的气流速度矢量分布图Fig.4 Airflow velocity vector distribution of horizontal section（z＝0.07 m）

结合图4所示水平剖面上的空气流动特征，图5进一步给出了风道上一些典型位置处垂直剖面（x＝0.30，-0.15，-0.25，-2.10，-2.30 m）上的气流速度矢量分布信息.由图5（a）可知，风道前部有一段距离没有出风口，部分空气存在横向循环，而不是直接流向后部.由图5（b）和5（c）可知，因为距送风口最近的斜扰流板和侧面混合腔前端斜隔板的综合阻碍和挤压作用，送风气流运动到这段位置直接流向风道后部，不能有效地流进侧面混合腔.进一步对比图5（d）和5（e）还可以发现：如果空气通过隔板孔洞进入混合腔内没有对应的出风口可以直接流入客室（见图5（d）），进入混合腔的空气不得不发生横向涡旋，这种现象不利于向客室送风.但是，若进入侧面混合腔的空气有对应的出风口可以直接流入客室（见图5（e）），这种现象则有利于向客室送风.

图5 垂直剖面气流速度矢量分布图Fig.5 Airflow velocity vector distribution of vertical sections

3.2 出风均匀性

为了进一步理解每个出风口的出风均匀性，图6给出了各出风口（10个）的铅直速度分量（z轴速度分量）分布.根据前面风道气流组织分析可知，因为空气不能有效进入侧面混合腔，或者进入混合腔的空气不能直接流出出风口而发生横向涡旋，从而导致有些出风口的部分位置出现向上速度（负z轴速度）的气流，特别是风道前面的出风口1和2.这意味着存在负z轴速度气流的这些出风口会吸入部分客室的污染空气，从而引起客室空气交叉污染.

图6 各出风口z轴气流速度分量分布Fig.6 Airflow velocity component of z-axis distribution of all outlets

由风道内气流组织和出风口铅直速度分量分布特征导致各出风口出风量的变化规律，如图7所示.由图7可知，对于本文所研究的这种风道结构，在模拟风量范围（流体自模区）内，各出风口的相对出风均匀性比较差，且受送风量变化的影响较弱.比如，送风量为2 153 m3／h时，最小出风口风量（出口1）比平均风量低135%，最大出风口风量（出口10）比平均值高69%.

图7 出风量随出风口位置的变化Fig.7 Dependence of air-out capacity on outlet position

4 结 语

根据本文对C型地铁列车次风道的出风均匀性的数值模拟结果，可以看出：扰流板铅直宽度越大对风道气流组织影响越显著；侧面混合腔最前端的斜隔板不利于空气进入混合腔；混合腔隔板空洞与出风口之间的相对位置不合理时，使得进入混合腔的空气发生涡旋，不能直接流出出风口，甚至有些出风口会卷吸部分客室污染空气进入风道混合腔.因为C型地铁列车送风风道受几何尺寸和内部几何结构制约，导致风道内气流组织分布不合理.为了提高C型地铁列车送风风道的出风均匀性，风道内部结构需要进一步调整和优化.

［1］NIEUWENHUIJSEN M J， GÓMEZ-PERALES J E，COLVILE R N.Levels of particulate air pollution，its elemental composition，determinants and health effects in metro systems［J］.Atmospheric Environment，2007，41（37）：7995-8006.

［2］陶红歌.地铁列车客室送风系统性能优化及列车客室内CO2扩散规律研究［D］.武汉：华中科技大学能源与动力工程学院，2011.

［3］王书傲，谈越明.空调客车均匀送风风道的研制［J］.铁道车辆，1992（8）：112-114.

［4］王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

Study on Air-Out Uniformity of the Secondary Air Supply Duct for a C Car-Type Metro Vehicle

WANGYou-jun1，MUGuang-you2，JIANGHai-ying3，LIULi-ping1

（1.Department of Refrigeration and Air-Conditioning Engineering，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；2.Design Department，Shanghai ALSTOM Transport Equipment Co.Ltd.，Shanghai 200245，China；3.Construction Management Center，Shandong Electric Power Economic Research Institute，Jinan 250001，China）

Numerical simulation is carried out to investigate the airflow characteristics and air-out uniformity of the secondary air supply duct for a C car-type metro vehicle.The results show that the vertical width of spoilers，the inclined dummy plate of front end mixing chamber as well as the relative location between dummy plate holes and outlets are the three key factors that influence air distribution of the air supply duct.For the limited air supply duct size and unoptimizable inner structure，this air supply duct can not bring effective static pressure air supply，and maybe lead to unreasonable velocity distribution and the terrible air-out uniformity.

air-out uniformity；secondary air supply duct；spoiler；mixing chamber；metro vehicle

TU 843.3

A

2014-06-11

上海海洋大学博士科研启动基金资助项目（A-2400-12-0000346）

王友君（1980—），男，山东济宁人，讲师，博士，研究方向为交通环境空气污染控制.E-mail：wangyoujun＠shou.edu.cn

1671-0444（2015）05-0689-03