向清河 康 伟 朱启文 段洪亮 秦鸿波 姜 宇

(1.武汉地铁集团建设事业总部，430079，武汉；2.中车长春轨道客车股份有限公司工程研究中心，130062，长春//第一作者，教授级高级工程师)

通过CFD(计算流体动力学)软件数值模拟研究室内热环境已成为现代通风空调工程研究规划和设计中的课题之一[1]。文献[2]利用FLUENT软件对北京地铁车辆客室内的温度场和流场进行了数值模拟，得到了满足人体舒适性要求的送风工况；文献[3-4]对地铁车辆的风道和客室内气流组织进行了模拟，为地铁车辆空调系统的合理设计提供了理论依据。通过CFD数值模拟分析不同送风方式对车辆内流场、温度场的影响，可以为城市轨道交通车辆空调系统的设计提供新的思路和方法，有利于车辆舒适性的提升。

本文针对送风格栅和中顶孔板与侧送风口这两种送风方式进行试验测试、数值模拟、舒适性分析，研究不同送风方式下客室内的温度与流场，为开展以舒适性为基础的送风气流组织研究工作摸索经验和方法。

1 测试方法及结果

测试对象为武汉地铁3号线列车，测试仪器为“天建华仪WFWZY-1”手持式万向风速风温记录仪。测点选取参考 UIC553《客车通风采暖和空调》，选取距地板面高0.6 m、1.1 m、1.7 m和回风口4处共10个测点。测试中，送风口的平均风速为2 m/s，温度为19 ℃。送风格栅与中顶孔板与侧送风口两种送风方式下客室内的温度分布如图1、图2所示。

图1 送风格栅送风方式下客室内的温度分布图

由图1、图2可见，在两种送风方式下，头部处的温度均较低，这是因为头部处靠近送风口，受气流射流影响；0.6 m、1.1 m处的截面温度比1.7 m处的高，这是因为下部区域人体散热堆积，而气流循环又受阻，因而导致温度升高。

图2 中顶孔板侧送风口送风方式下客室内的温度分布图

下文根据实测数据模拟送风格栅和中顶孔板与侧送风口两种送风方式下客室内的气流组织。

2 模型建立及边界条件设定

2.1 物理模型

以武汉地铁3号线车辆为研究对象建立车厢内部模型，仅针对送风口、流速分布及客室内部分建模分析。由于车辆具有对称性，因此，研究中车长取值为4.2 m，车宽取值为2.6 m，车内净高取值为2.1 m。客室内设2排座椅，每排座椅限定6人。简化模型如图3所示。

图3 车辆客室模型断面图

2.2 车厢数学模型选择

为能更直观地分析模拟结果，建立车厢数学模型。设定车长为X轴、高为Y轴、宽为Z轴，并选取车厢客室的代表性截面，代表性截面及其说明如表1所示。

表1 车厢客室代表性截面说明表

采用标准k-ε方程模型，同时作如下假设：客室内空气不可压缩且符合Boussinesq假设；流动为稳态湍流；流体的湍流粘性各向同性，且具有高雷诺数；不考虑漏风影响，车厢内气密性良好。

2.3 边界条件的设定及模拟工况

1)车厢各部位传热系数K值为2.4 W/(m2·K)。采用第二类边界条件，设置边界条件热流密度。

2)风口边界为：夏季送风温度为19 ℃，室外环境温度35 ℃，送风口风速为2 m/s。

3)回风口采用自由出口，给定人体平均热流密度值为116 W，显热值为75 W，潜热值为41 W。

不同模拟工况下的客室断面送风示意图如图4所示。模拟工况1为送风格栅送风，模拟工况2为中顶孔板与侧送风口送风。

图4 不同送风工况下车辆客室断面送风示意图

3 数值计算结果及分析

3.1 气流组织的评价指标

根据相关规范[6-9]要求，车内气流组织的评价指标为：车内任意两点间温差≤3 ℃；送风口风速为1～3 m/s ，车内任意点风速≥ 0.07 m/s；夏季车内风速≤0.5 m/s，地铁车辆可放宽到 0.7 m/s。

3.2 数值模拟气流对比分析

图5为数值模拟各工况下Length-1截面气流速度云图。

图5 数值模拟各工况下Length-1截面气流速度云图

由图5可知：模拟工况1，受送风气流射流影响，在射流方向和客室中间区域风速达到1 m/s左右，如果送风温度较低，舒适感就会较差，因此格栅送风口附近站立区人体头部区域风速基本都大于0.7 m/s；模拟工况2，站立区人体头部靠近侧送风口局部风速大于0.6 m/s，中间区域则低于0.25 m/s。

图6为数值模拟各工况下Height-1截面气流速度云图。

图6 数值模拟各工况下Height-1截面气流速度云图

由图6可知：模拟工况1，车厢中间气流速度略高，坐姿时人体头部区域风速绝大部分在0.5 m/s左右，会有轻微的吹风感；模拟工况2，座椅区靠壁面区域受气流贴附作用，风速基本在0.3 m/s以下，其余区域在0.4～0.8 m/s之间，就座乘客会有一定的吹风感。

图7为数值模拟各工况下Height-2截面速度云图。

图7 数值模拟各工况下 Height-2截面气流速度云图

由图7可知：模拟工况1，格栅送风方向上对应区域风速偏高，超过1.0 m/s，站立区乘客舒适感较差；模拟工况2，距地面1.7 m处风速均在0.3 m/s以上，受侧送风口送风气流影响，门区站立乘客头部局部风速达到或超过0.7 m/s，但中间区域风速相对均匀。

图8为车体中心截面处气流速度云图。

图8 数值模拟各工况下Width-1截面气流速度云图

由图8可知：模拟工况1,气流从送风口喷射出后，气流比较均匀但相对速度较高；模拟工况2在满载工况下，客室内人员密度对空气流动的阻碍作用明显，使得回排风的阻力大。

3.3 数值模拟温度场分析

图9为数值模拟各工况下 Width-1截面的温度云图。

图9 数值模拟各工况下Width-1截面的温度云图

由图9可知：头部以上区域侧送风温度均匀性更好；头部以下区域，侧送风时的客室平均温度也略低于格栅送风时的；满载时，客室内人员密度较大区间气流流动困难，热量不能及时带走，导致局部温度高。

图10为座椅乘客头部区域Height-1截面的温度云图。

图10 数值模拟各工况下 Height-1截面的温度云图

由图10可知：客室门区主流温度在25～29 ℃，座椅区主流温度可以细分为站姿人体区和坐姿人体区主流温度，分别为23～27 ℃和20～24 ℃。

图11为站立人眼高度处Height-1截面的温度云图。

图11 数值模拟各工况下Height-1截面的温度云图

由图11中可知：2种模拟工况下，客室两端回风口处温度都偏高，这主要是受气流影响。

图12是客室内纵向温度分布图。由图12可知：气流从上向下温度逐渐升高形成梯度；而回风口处，热空气向上形成一个凸起的高温区域；模拟工况2，乘客头部以下区域温度普遍较高，可能会使乘客感到热感。

4 车辆客室PMV-PPD指标分析

人体热舒适不仅仅是温度或者风速单独作用的结果，需要考虑多重环境因素。乘客在客室中的停留时间相对较长，代谢率在6 min之后可以认为处于稳定状态，因此本文重点讨论反应稳定状态下乘客热舒适性指标的PMV(预测平均评价)。PMV指标反应人体热平衡偏离程度，PPD(预测不满意百分比)代表人的预期不满意程度[10]。表2为PMV热感觉标尺表。

表2 PMV热感觉标尺表

利用MATLAB语言编制的PMV-PPD计算程序计算得出，当PPD≤10%时，客室内的空气温度范围为21～25 ℃。在该范围内，相对湿度对热舒适的影响不是很大。客室内最佳的空气温度为25 ℃，最佳的相对湿度为60%。因此，进行UDF(用户自定义函数)计算时选取相对湿度为60%、室内设计温度为27 ℃来得出室内温度湿度偏离该值时整体舒适性。

4.1 格栅送风的舒适性指标分析

选取Height-1和Height-2截面进行分析。

图13为格栅送风时Height-1截面舒适性指标云图。由图13可知：座椅区靠近侧壁区域的PPD值达到50%左右，客室中部的PPD值有很大一部分在50%以上；除上述区域外，客室其他区域的PPD值绝大部分在20%以下，舒适度较高。

图14为格栅送风时Height-2截面舒适性指标云图。由图14可知：站姿乘客位置受送风射流的影响较大，由于送风气流温度低、风速较大，因此这些区域很大部分的PMV值都在-1.5以下，人体热舒适感差，偏凉或者冷。

图13 格栅送风时Height-1截面舒适性指标云图

图14 格栅送风时Height-2截面舒适性指标云图

对于Height-2截面，无论是座椅区还是门区，整个客室内，中部和沿送风射流方向区域的PPD值基本都超过了50%，局部更是达到了90%以上，乘客的不满意度较高。

4.2 中顶孔板与侧送风口送风舒适性指标分析

图15为中顶孔板与侧送风口送风时Height-1截面舒适性指标云图。由图15可知：图15 a)所示的大部分区域的PMV值小于-1，人体感觉偏凉；图15 b)所示的座椅区靠近侧壁区域的PPD值达到90%，门区靠侧壁区域的PPD值大部分在50%以上，其他区域的PPD值绝大部分在30%以下，舒适度较高。

图16为中顶孔板与侧送风口送风时Height-2截面舒适性指标云图。由图16可知：靠近侧壁区域的PPD值基本都达到了90%以上；门区客室中心线至东向壁面，PPD值在50%左右的占比较高；门区客室中心线至西向壁面，局部区域的PPD值在30%，乘客的不满意度低于格栅送风时的工况。

图15 中顶孔板与侧送风口送风时Height-1截面舒适性指标云图

图16 中顶孔板与侧送风口送风时Height-2截面舒适性指标云图

5 结论

1)车辆客室内温度和风速的实测数据显示，地板垂直的方向上有明显的分层现象，气流在乘客之间流动遇到一定的困难，会造成人体发热量堆积，从而使Y=1.2 m截面以下区域温度增高，仿真模拟结果较为符合。

2)中顶孔板送风工况下，受气流组织形式和热羽流的综合影响作用较大，气流向下流动的速度较弱，客室内空气的整体流速较低，从而也导致了区域内温度较高。门区内，西侧的送风口送风气流经风口流出后，明显受到热羽流的影响，出现了一定程度的抬升。

3)格栅送风工况下，客室内的速度场和温度场未沿着客室中心线完全对称，但总体上其对称性还是相对较好。客室中部区域和送风气流方向上，受送风气流的影响，此区域温度较低，风速较大。

4)就PMV和PPD而言，中顶孔板送风工况下，Height-1截面处主流区域的PMV值基本都在-0.5～1之间，PPD值大部分在30%以下，整体舒适度较好；Height-2截面处局部区域的PMV值低于-1.5，PPD值也高达50%以上。

5)格栅送风工况下，Height-1截面的PPD值大部分在20%以下，舒适度较高；Height-2截面座椅区，由于存在一定的送风气流贴附作用的影响，局部区域的PMV值小于-1.5，PPD值大于50%，热舒适感较差。