上海地铁车厢气流组织分析

郝胜男，郑学林 ( 上海海事大学 商船学院，上海 201306 )

上海地铁车厢气流组织分析

郝胜男，郑学林 ( 上海海事大学 商船学院，上海 201306 )

通过对上海地铁多条线路不同车型的实车测试，得到上海6条典型线路的客室温度和风速数据。根据实际测试和CFD数值模拟不同送风温度，送风速度以及不同客流密度下的车厢环境。得到送风温度为17℃，送风速度1.53m/s时最符合人体舒适度要求。最终形成了研究地铁车厢客室环境的完整体系。为上海地铁客室气流组织优化设计以及舒适性研究提供参考。

地铁；气流组织；CFD；送风温度；送风速度

0 引言

随着城市化水平的不断提高，快节奏的都市生活使得地铁成为公共交通最为重要的角色。因此人们对于地铁车厢客室环境的要求也日渐提高。目前影响地铁列车客室环境的主要因素有温度，风速等。故本文将从送风温度和送风速度的角度出发，对地铁列车客室环境的影响进行研究，首先通过实地调研上海地铁列车车厢内温度速度，了解现有运行的地铁车内温度风速情况，对整体设定温度速度有个概念性的了解；由于条件限制，不能在实车上进行变风速和变温度测试，因此采用数值模拟的方法通过模拟不同送风温度和送风速度下地铁列车客室流场情况，对各种工况下温度场和速度场进行对比分析。

目前，我国地铁车厢内温度控制基本参照国际铁路联盟UIC553标准[1]，控制车内外温差为核心，以车内回风温度及温差为主。车内温度场评价主要是以测点温度平均值代表客室内部温度，并规定了典型断面的温差限值，离地板1.1m高度平面上温度差值不超过8K；同一铅垂面上的温度差值不得超过8K[2]。送风速度在1～3m/s。

1 测试方法及结果

本文进行上海地铁列车车厢温度速度的测试，测试线路的选取综合考虑到不同线路不同车型的覆盖，最终选择了上海地铁16号线，地铁11号线，6号线，12号线，8号线，2号线这6条线路。选用的仪器型号为“天建华仪WFWZY-1”的手持式万向风速风温记录仪。为减小人流密度的变化对测试数据的影响，选定测试时间为周一至周五的非高峰时间段进行，人流密度均控制在列车满载(车厢座位满座且无人员站立)情况下，每辆列车均测试了头车和中间车车厢，每节车厢均测试了车厢最高处(2.1米处)，乘客头顶处(1.7米处)，车厢中间高度(1.1米处)三个高度的温度和速度。读取数据时均保证列车在匀速行进过程，以防止车门开关以及穿堂风的影响。下表显示各个位置的平均风速和平均温度。

表1 车厢温度风速测试结果

位置风速温度℃位置风速温度℃上海地铁11号线头车车厢21m153236中间车3号车厢21m15523317m03123817m03723511m01223311m016231平均-065235平均-069233上海地铁16号线头车车厢21m10227中间车3号车厢21m1223017m03622017m04623311m0222811m018237平均-052225平均-070233上海地铁6号线头车车厢21m090217中间车3号车厢21m1121217m03522017m02921311m01221411m012218平均-045217平均-05214上海地铁12号线头车车厢21m092206中间车3号车厢21m09321817m0420917m03521911m0221911m015221平均-050211平均-047219上海地铁8号线头车车厢21m147194中间车3号车厢21m16119917m02519717m02620211m01520111m01206平均-062197平均-0652023上海地铁2号线头车车厢21m136192中间车3号车厢21m13421417m03519717m02621311m01120211m012215平均-060197平均-057214

车厢温度基本保持在19～24℃之间，风速在0.1～2m/s，送风温度在14～20℃，送风速度在1m/s～3m/s。按舒适度空调要求[3]的平均风速应小于0.25m/s.不同车厢受各种因素影响稍有差异，大部分车厢越接近地面温度越高。根据温度速度实测数据结果，表明上海地铁夏季大部分车厢温度较低，2号线尤为明显，温度竖直方向有轻微分层现象，风速分布不均匀。实际测量可以直观的得出上海地铁温度和风速的情况，但想要研究送风温度和送风速度对上海地铁客室温度场和流场的影响程度，需要通过数值模拟的方法对比分析。

2 模型建立及网格划分

本文的数值计算以地铁列车B型车作为研究对象，车体结构为车辆总长19800mm，净宽2800 mm，净高2100mm。车厢左右两侧各设五排座椅，如图1所示。列车送风量8000m3/h，左右两侧分别设置条缝型送风口，尺寸10mm×16048mm，风口下方有导流板，将送风引向车厢两侧；本车厢为顶部集中回风，设计2个回风口，每个机组下方布置1个回风口，尺寸780mm×250mm，回风进入机组下部风道，再次参与送风循环；另一部分车内空气通过废排风道直接排向车外，废排风口布置在列车两端顶板，共4个，每端布置2个，尺寸为190mm×665mm。图1为列车车厢简化模型。计算的地铁车厢模型复杂，为了获得较好的计算结果，采用了非结构四面体网格对车厢模型进行了离散化。本模型在划分网格时经过多次试验，最终获得最匹配的网格尺寸参数，其中最小尺寸为2mm，最大尺寸控制在85mm以内，整体网格质量大于0.3。

图1 车体三维模型

3 数值模拟方法

本文采用RNG k-ε湍流模型，RNG k-ε湍流模型通过大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响，这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除[4]。

其中,

μeff=μ+μt

Cμ=0.0845,αk=αε=1.39

η0=4.377,β=0.012

RNG k-ε湍流模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大地流动[4]。因为基于雷诺平均(RANS)的CFD模拟在研究列车车厢内的气流分布时已有不少成功的算例。采用SIMPLE数值计算算法[5]，选用二阶迎风(Second Order Upwind)差分格式的离散格式，选用Standard的压力插值格式。为了计算方便作了以下四条假设：

1)室内空气为不可压缩流体。

2)流体具有高雷诺数，且粘性保持一致。

3)湍流流动为稳态。

4)车厢封闭性较好，不考虑漏风和外界压力变化产生的穿堂风的影响。

4 边界条件

(1)入口边界条件

入口边界即车内送风口，定义为速度入口边界条件(velocity-inlet)，送风温度分别设定为14,17,20℃,送风速度规定为1～3m/s，此处选择实测数据1.53m/s和2.0m/s.

(2)出口边界条件

计算模型的出口边界条件即车内回风口和废排风口。回风口设置为速度入口(velocity-inlet)边界条件，方向垂直于风口平面向外，将车内部分空气送回到空调机组，速度大小由总风量及送风口有效面积确定，经计算得回风口风速为1.6m/s。

废排风口设置为压力出口(pressure-outlet)边界条件，根据一般列车车内压力规律，设定废排风口压力值为50Pa。

(3)壁面边界

车体固体壁面主要为车身，包括车壁、车窗及车门等部件。模拟工况为地下隧道，因此车体无太阳辐射的影响，车身，车窗，车门使用第三类边界条件；根据列车运行规律，设置车厢两端非门位置，车厢地板以及列车天花板均为均热边界条件，不参与对流换热；已知各个部位的传热系数：车身：2.4W/m2·K；车窗：3.1W/m2·K；车门：4.6W/m2·K。车厢端部连接前车厢，故在Fluent中设置连接面为symmetry；实际计算中值采用了半节车厢，以车厢中心面为分界划分，所以该中心面也设置为symmetry对称面。本次模拟考虑最极端工况，故外界空气温度设定为35℃，在Fluent软件中壁面传热的设置需要设置为Mixd，即根据外界温度和墙体换热系数自动匹配传热量。设定人体散热边界条件将热流量分别平均在座位上。在室温为20～25℃静坐状态下，单个人体散热量取78W/人[5]。

5 数值计算结果

本次计算共设有9个工况。考虑人体散热情况下的有：case1：送风温度14℃，送风速度1.53m/s。case2：送风温度14℃，送风速度2.1m/s。case3：送风温度17℃，送风速度1.53m/s。case4：送风温度17℃，送风速度2.1m/s。case5：送风温度20℃，送风速度1.53m/s。case6：送风温度20℃，送风速度2.1m/s。另外还设置了不考虑人体散热(空载)的有：case7：送风温度14℃，送风速度1.53m/s。case8：送风温度17℃，送风速度1.53m/s。case9：送风温度20℃，送风速度1.53m/s。为了更直观的展示和比较各个工况的计算结果，特选取部分典型截面进行分析，截面具体信息见表2。

表2 典型截面信息表

截面编号平面备注high1XY平面距地21m高度high2XY平面距地17m高度high3XY平面距地11m高度long1YZ平面送风口处

以下均对比了各个工况high1，high2，high3共3个高度的截面，分别可以代表送风口高度，站立乘客头顶高度和坐姿乘客头顶高度的温度场分布情况。

图2 各个工况下的温度垂直分布

图3 各工况下风口温度

从图2中可以看出送风温度的改变对温度场的垂直分布基本没有影响。相同送风温度下送风速度越大车厢同一高度的平均温度越低。平均温差为0.6℃。送风速度不变,送风温度每升高3℃，各截面温度也相应升高3℃。

图3中显示的是各个风口的温度，9个工况都是随着送风温度的增加回风口和废排风口的温度也相应增加，且同一工况下，废排风口要稍高于回风口。模拟空载时回风口和废排风口的温度略低于有人员散热情况下回风口和废排风口的温度。

2017年7月，上海室外温度高达40℃。相应的送风口温度也相应调整。经过测得6条典型线路的送风口温度，得到上海地铁送风口的平均温度为17℃。图4为模拟送风温度17℃送风速度1.53m/s时的温度场。

图4 high 1.1m

图4中可以看出温度场分布均匀，除车体外壁温度达到30℃外，其余部位温度均控制在20℃左右。送风温度符合车内舒适度要求。因此可以看出此种送风温度较为合理。图5为入口速度1.53m/s时送风口截面的车内流场分布。

图5 long1

从图5中可以看出，车厢内的内气流组织较为平均，靠近风口处,速度明显高于其他部位，除去风口最大速度达到3.5m/s,其余部位风速均不超过1.2m/s。符合列车车内舒适度的风速要求，可以看出这种送风回风方式较为合理。

图6中各个截面的风速基本没有变化。

6 结论

(1)从图2中可以得出车厢送风温度的改变对温度场的垂直分布基本没有影响。相同送风温度下送风速度越大车厢同一高度的平均温度越低。送风速度在一定程度上可以降低车厢内环境温度。可以通过送风温度和送风速度的协同作用改变车厢气流组织以更加适合人体舒适度要求。

图6 各截面风速

(2)图2可得有人员散热的情况下车厢温度也随之升高。因此人流密度的变化对车厢温度有一定影响。但是随送风速度的提高，车厢内的温度也可保持列车空载时温度。

(3)图6显示送风速度不变，送风温度的改变并不影响各个截面的风速，流场分布也没有变化。只是在不同水平高度风速不同。

(4)实际测得上海地铁6条典型线路车厢平均温度为21.6℃，整体感觉偏冷。上海夏季最高温度为40℃，车厢内外温差大，不满足人体舒适度要求。应相应调整送风温度和送风速度来改善列车室内外温差。

(5)综合考虑送风温度和送风速度的影响，对照UIC553-2004客车通风采暖和空调的感觉舒适的最大速度表，得出模拟工况中送风温度为17℃时，送风速度为2m/s时，车厢平均温度为24℃。因为车厢内的温度随风速增大而减小，可采取适当增大风速的措施。当送风速度为2m/s时，车厢内的平均风速不超过1.2m/s，高度为1.7m的位置平均风速为0.25m/s,吹风感不强，满足舒适度要求。

通过实测调查和数值模拟的方法为上海地铁车厢气流组织优化设计以及舒适性研究提供参考。

[1] UIC Heating ventilation and air-conditioning in coaches.UIC 553—2005.2004

[2] 钱一宁,龙静,金甜甜,等.运营中的地铁列车车厢温度场分布特性分析[J].城市轨道交通研究,2016,(7):92-96

[3] 陶文栓.数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社,1998

[4] 莫志姣,杨易,邓峰.车用空调风口布置CFD数值仿真研究[J]建筑热能通风空调,2008,(1):63-67

[5] 王芳,臧建彬,于佳等.高速列车客室内部流场计算流体动力学数值模拟[J].冷空调与电力机械，2011，(1)：45-48

AnalysisofAirDistributioninCompartmentofShanghaiMetro

HAO Shengnan1，ZHENG Xuelin

( Merchant Marine College，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China )

The actual test of different models and Multiple lines of Shanghai metro，the data of room temperature and wind speed with 6 typical transmission lines in Shanghai have been gained.According to the actual test and CFD numerical simulation the compartment environment in different air supply temperature，air supply speed and different passenger flow density have verified supply air temperature is 17℃ and supply air velocity of 1.53 m/s meets the requirements of human comfort.Finally，a complete system of the airflow of the passenger compartment of the subway car was developed.This paper provides a reference for the optimization design and comfort study of air flow in Shanghai subway.

Air distribution；CFD；Supply air temperature；Supply air speed

2017-

郝胜男(1993-)，女，硕士研究生。研究方向：穿堂风对列车客室气流组织的影响。E-mail：1254376697@qq.com

ISSN1005-9180(2017)04-047-06

TU831文献标示码A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.009