周期性扰动气流对地铁车辆车内流场影响

叶晨辉，陈建云，臧建彬

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

周期性扰动气流对地铁车辆车内流场影响

叶晨辉，陈建云，臧建彬

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

地铁车厢空间狭小相对封闭，客室流场对乘客乘坐感受至关重要，已有地铁列车通过加装幅流风机改善车厢气流组织，但未对幅流风机改善流场效果做定量分析。本文通过CFD数值模拟列车在夏季温度35℃时的运行工况，分别研究了20℃送风时无风机和有风机作用下客室流场情况，以及研究在有风机运行时将送风温度提高到23℃时的客室流场。结果表明幅流风机能减小客室温度不均匀度，将无风机作用下的不均匀度0.49减小到有风机作用下的0.28；若适当提高空调出风温度，可以改善客室PMV指标，同时减小空调机组负荷。

幅流风机；客室流场；不均匀度；节能

0　引言

地铁车厢具有空间狭小，相对密闭，乘客人数众多等特点，这就对地铁车厢热环境的舒适性和空气品质的保证提出了难题。目前，我国各地地铁的载客量已经达到了很高的水平，尤其是一线城市地铁客流高峰期载荷达到8人/m2，远远超过一般建筑的人员密度。而地铁运行时保持半密闭状态，容易造成车厢内闷热，空气品质下降，给乘客带来不舒适感。

Mc Intyre[1]在研究中发现，当室内温度达到28℃时，受试者仍能通过提高风速达到热舒适。Rohles[2]等人通过研究认为当Rh=50%时，只要给一定风速，舒适温度上限能达到29.4℃，并且分析了节能效果，蒸发温度每升高1℃，空调可以节能5.4%。清华大学夏一哉[3]研究发现高气流脉动强度可以改善中性-热状态下人体的热感觉并减少吹风感的产生，在高湿度的条件下（Rh=65%）以及低相对湿度（35%）且温度高于27.5℃时，气流脉动强度增大会减少人的不舒适感；而低湿度低温的情况下，气流脉动强度的增大会增大人的不舒适感。Mayer[4]认为气流脉动强度的增加会加大对流换热量，从而产生冷吹风感。夏一哉[5]等人试验结果表面在26-30.5℃范围内吹等温气流，大部分人偏好的气流频率为0.3-0.5Hz，而随着频率增加，人体感受到的吹风强度逐渐减小。Fanger[6]等人的实验发现，频率在0.3-0.5Hz的周期性变化的气流对于处于冷-中性状态的受试者容易引起更大的不舒适感觉。贾庆贤[7]等人研究机械风和自然风的对舒适度的影响，通过调查106人以及客观分析得出摇头风扇吹风相比直吹风扇风更接近自然风，更易让人接受。McIntyre[8]的研究结果表明，利用风扇可以改善室内热环境，但是风速不要超过2m/s，过高的风速会使人不适感增强。

本文主要研究扰动气流对地铁车辆车内流场影响，通过对比研究加装幅流风机与否，以及采用不同出风温度时风机的作用效果。

1　地铁列车气流组织方案

目前地铁列车采用的送回风方式有上送上回和上送下（侧）回方式。两种方式的送风口均布置在车顶处，分布在中轴线的两侧；上回指的是回风口布置在车顶近中心处，废排风口布置在车顶两端处；下回指的是回风口和废排风口布置在侧墙拐角处以及座椅下方，两种方式如图1所示。易柯[9]通过分别对两种送回风方式进行模拟研究发现上送上回方式更有利于车厢温度场均匀。故本文采用上送上回的气流组织方式进行研究。

2　研究对象及模型

选取地铁列车B型车为研究对象，长19m，宽2.8m，车内地板到车顶高为2.1m，忽略车厢内扶手等细小部件以简化模型使其更易划分优质网格，同时为了减少网格数量，只选取了半节车厢进行建模划分网格，中间截面采用用对称面边界条件。进风口，回风口以及废排风口均按列车实际情况进行布置，且着重画出了各个风口处的导流格栅，而不像以往模拟采用平面代替出风口，这样更能保证各个出风口出风的均匀性，风口布置及风口细节如图2所示。而本次模拟核心的部分是幅流风机的建模和使用，风机采用双轴幅流风机，长1.1m，扇叶直径8cm，蜗壳上部开设有进风口，下部平面处为出风口，为了能使风机出风呈现动态过程，使风机蜗壳绕扇叶中轴来回做循环摆动，摆动幅角为76°，具体结构如图3所示。

3　边界条件

本文是基于空载情况下研究幅流风机对列车车内舒适度的影响，为了探究在极端环境下其作用效果，因此设定外界隧道温度为35℃，列车车厢温度不超过27℃。根据文献[10]知列车侧壁面对流换热系数2.4W/m2·K，车窗对流换热系数为3.1W/m2·K，车门对流换热系数为4.6W/m2·K，车顶，座椅及车底设为绝热壁面，故车内热源为车壁面，车门及车窗，换热方式为对流和辐射混合。

进风口：该列车一节车厢进风量为8000m3/h，回风量为4700m3/h，新风量为3300m3/h，半节车厢各个风量均为上述风量的一半。进风口采用速度入口方式，方向竖直向下，风速为1.543m/s，风温为20℃。

回风口：回风口也采用速度入口边界条件，方向由车内向外，经计算得回风口风速为1.61m/s。

废排风口：废排风口采用压力出口边界，压力限定为50Pa。

幅流风机：风机采用滑移网格技术，保证只有有扇叶的部分旋转，该部分与内外其他部分采用interface面连接，保证了信息的传递。风机风量为820m3/h，对应风机转速为1200r/min。风机蜗壳部分绕风机中轴进行来回旋转摆动，摆动频率为4次/min，一次摆动的角度为76°，该部分运动采用动网格技术，通过加载UDF使蜗壳按照要求进行摆动。

4　计算结果及分析

本次计算分为3个工况。

工况一：不打开幅流风机，送风温度20℃，研究在只有进排风的作用下列车车厢的流场分布情况；

工况二：在稳态计算的的基础上进行非稳态计算，开启滑移网格和动网格，使风机转动的同时蜗壳来回旋转摆动，研究在幅流风机的作用下客室流场变化情况；

工况三：最后提高进风口风温到23℃，同样在幅流风机和蜗壳的作用下进行计算，研究在提高送风温度的情况下幅流风机对客室内流场的影响。

4.1幅流风机未运转时客室舒适度情况

在外界温度为35℃的情况下进行静态计算，幅流风机保持静止，计算结果见表1。

各个部位得热量与车厢内外温度差有关，温差越大，得热量越多。以下将从温度、风速、PMV-PPD三个方面分析该工况下车厢热舒适度情况。截图分别为经过幅流风机中间点，垂直于列车行进方向的x截面和距车地板1.7m的水平z截面。

表1　静态计算时车体各处得热量W

从图4可以看出x截面中，受到进风口的影响车厢竖直方向速度较大，方向竖直向下，形成了明显的温度带。

定义参数不均匀度为：

该截面中平均温度为293.91K，平均风速为0.385m/s，则该工况下该截面温度不均匀度为0.49，风速不均匀度为0.45。PMV指标可以反映人体热舒适情况，其值处于-3~3之间，PMV=0意味着室内环境处于中性的不冷不热状态。从图4c）中可以看出该截面PMV值偏低，平均值为-2.2，且存在不均匀现象，不均匀度为0.8。由于风速大风温低，风口正下方较其余部位体感更冷。

图5显示了z截面的PMV指标云图，PMV平均值为-1.54，可以看出整个车厢1.7m高处的水平截面上热舒适度偏冷，进风口下方比其他部位偏冷，PMV不均匀度为0.75，PMV分布不均匀。

4.2幅流风机运转时客室舒适度情况

在上一工况计算稳定的基础上，打开幅流风机和转动蜗壳，使风机以每分钟1200转运行，且蜗壳以每分钟4次的频率来回摆动。现选取第15s时的瞬态工况进行分析。表2显示的是该时刻车体各处得热量，由于幅流风机的扰动，使得车厢内气流扰动增强，换热能力提高，墙体车窗车门得热量增大，送风口提供的冷量不变，回风口废排风口的空气热量增加。可知在幅流风机的作用下空气换热效果有所增强。

表2　开启风机后车体各处得热量W

从图6可以看出打开幅流风机后x截面气流组织明显更均匀，温度、风速不像上一工况有明显的分层现象，截面平均温度为294.13K，平均风速为0.84m/s，温度风速均较上以工况有所提高。温度不均匀度为0.28，风速不均匀度为稍有提升为0.6。PMV指标虽也显更均匀，平均值为-2.81，不均匀度为0.22，但由于风速增大，整体表现的更冷。

从图7中可知1.7m高处水平截面上PMV值分布均匀性比上一工况好，不均匀度为0.38，平均PMV值为-2.75，整体偏冷。若适当提高送风温度，则可以达到更适宜的热舒适度。

4.3提高送风温度，幅流风机运转时客室舒适度情况

表3　提高送风温度后车体各处得热量W

依旧保持幅流风机和蜗壳的运转，将送风温度从20℃提高到23℃，选取15s时刻的工况具体参数进行分析，因室内温度提高，故各部位得热量减少，冷负荷降低。

提高送风温度后，温度分布差异性小，平均温度为296.84K，温度不均匀度为0.23；平均风速为0.57m/s，除风口附近风速较大外，其余部位风速均保持较好的均匀性，风速不均匀度为0.5，PMV指标平均值为-1.21，比上两个工况PMV值更接近0，其不均匀度为0.4，有较好的舒适性和均匀性。图9显示了1.7m高水平截面PMV指标云图，其平均值和不均匀度分别为-1.06，0.37，相比送风温度为20℃时的云图，23℃送风温度下整个车厢热舒适度更趋于中性状态。

5　结语

本文通过CFD数值模拟方法，分别对有无幅流风机作用，以及有幅流风机作用的情况下采用送风温度的地铁车厢进行模拟，研究了幅流风机对地铁列车车厢流场的影响。结果表明在没有幅流风机作用下，车厢温度出现明显的分层现象，即风口下方温度较其他部位明显偏低，水平截面上也呈现出同样的不均匀现象，不利于车厢热舒适性的提高；当幅流风机及蜗壳作用时，在同样的进风温度下，在风机扫风的扰动下客室内气流均匀性大大提升，但由于风速提高，PMV值减小，客室偏冷，同样不利于车厢热舒适性；故将出风温度提高3℃，在风机的扰动下客室温度保持良好的均匀性，且PMV值较前两个工况有所提高，更接近0值，车厢热舒适性大大提高。幅流风机与摆动蜗壳联合使用，对于列车客室流场的改变有明显效果，通过调节风机转速和蜗壳摆动频率，能快速对车厢微环境进行调节，在保证热舒适性的同时提高出风温度，减小空调机组负荷。

[1]McIntyre D A.Preferred air speeds for comfort in warm conditions [J].ASHRAE transactions，1978.

[2]Rohles F M，Jones B W，Konz S A.Ceiling fans as extenders of the summer com fort envelope[J].ASHRAE Trans.（United States），1983.

[3]夏一哉，赵荣义，牛建磊.等温热环境中紊动气流对人体热感觉的影响[J].清华大学学报：自然科学版，2000,40（10）：100-103.

[4]Mayer E.Influence of air turbulence on the convective surface heat transfer coefficient[A].Proc.3rd International Conference on Indoor Air Quality and Climate[C].Stockholm,1984，5：377-382.

[5]夏一哉，赵荣义.等温条件下气流运动的选择频率[J].清华大学学报:自然科学版,2001,41（6）:92-94.

[6]Fanger P O,Pedersen C J K.Discomfort due to air velocities in spaces[J].2014.

[7]贾庆贤，赵荣义.吹风对舒适性影响的主观调查与客观评价[J].暖通空调，2000,30（3）：15-17.

[8]McIntyre D A.Preferred air speeds for comfort in warm conditions [J].ASHRAE transactions,1978.

[9]易柯.地铁车厢内回风方式数值仿真分析[J].电力机车与城轨车辆, 2012,35（2）：12-15.

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

Im pact of Periodic Disturbance Airflow on Metro Train Flow Distribution

YE Chen-hui，CHEN Jian-yun，ZANG Jian-bin
（School of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Themetrocarriage iscomparatively crowded and sealed,so the flow distribution of thecarriage is important to passengers'feeling.There are trains equipped with cross-flow fans for improving flow distribution,but no numerical analysis about the influence of fans had been done.In this passage,the CFD simulation is used to analyze cabin flow distribution when train is in 35℃air environment.Whether cross-flow fanswith swinging volutes are functional or not to carriage environmentwhen supply air temperature is 20℃,and the flow distribution with cross-flow fanswhen supply air temperature is23℃areanalyzed in thispassage.And the final resultsindicate thatcross-flow fanswith swingingvolutescan improve the temperaturehomogeneity,making temperatureheterogeneousdegreedecrease from 0.49 to0.28.If thesupplyair temperature is raised,the thermalcom fort ofcarriagewill improveaswellassaveenergy.

cross-flow fan；cabin flow distribution；heterogeneous degree；save energy

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.017

U270.38+3

B

2095-3429（2016）05-0068-06

叶晨辉（1991-），男，安徽黄山人，硕士研究生，研究方向：制冷及低温工程；陈建云（1994-），男，浙江衢州人，硕士研究生，研究方向：制冷及低温工程；臧建彬（1973-），男，河北徐水人，教授，博士，研究方向：制冷及低温工程。

2016-07-13

2016-08-25