劉 晶 賈 君

西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300

地鐵運(yùn)輸作為我國城市公共出行的重要方式之一，地鐵客車的發(fā)展水平一定程度上反映了我國居民的生活水平，提高地鐵客車的服務(wù)也有助于提高城市居民的幸福指數(shù)。改善地鐵客車室內(nèi)環(huán)境的舒適性是提高地鐵客車乘客舒服性的重要舉措。本文以地鐵客車的通風(fēng)系統(tǒng)作為研究對象，運(yùn)用理論分析法進(jìn)行定性分析，提出一種合理、科學(xué)的地鐵客車的送風(fēng)系統(tǒng)及車室內(nèi)氣流組織的優(yōu)化方案。采用CFD 模擬進(jìn)行定量分析，分析設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案是否能夠滿足國標(biāo)TB1951-81 的要求。本論文對于指導(dǎo)進(jìn)行地鐵客車送風(fēng)系統(tǒng)及車室內(nèi)氣流組織的優(yōu)化探索進(jìn)而提高地鐵客車的服務(wù)質(zhì)量具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地鐵客車送風(fēng)系統(tǒng)及其優(yōu)化措施

研究地鐵客車的風(fēng)道和車室內(nèi)氣流組織本質(zhì)上是研究空氣力學(xué)的問題。流體運(yùn)動的定量模擬和分析是復(fù)雜的物理行為，地鐵客車送風(fēng)系統(tǒng)及車室內(nèi)的空氣流動一般為三維定常流，地鐵內(nèi)的空氣在車室內(nèi)呈現(xiàn)不可壓縮流動的狀態(tài)[1]。用數(shù)學(xué)方程表示車室內(nèi)的空氣流動是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，需要使用連續(xù)性方程以及湍流模型方程等流體力學(xué)方程進(jìn)行聯(lián)立、化簡和求解。

本文所研究的地鐵客車車廂長15m，寬為3m。該地鐵客車送風(fēng)系統(tǒng)采用等截面管道送風(fēng)，送風(fēng)量設(shè)計(jì)之初的要求最大要能夠達(dá)到4500?？諝鈴倪M(jìn)風(fēng)口進(jìn)入主風(fēng)道，然后由主風(fēng)道將流入的空氣分給各個(gè)支風(fēng)道，各個(gè)支風(fēng)道連接不同的出風(fēng)口，通過眾多的出風(fēng)口就可以將風(fēng)送進(jìn)車室內(nèi)，降低車室內(nèi)溫度。本論文研究的目標(biāo)地鐵客車只有一個(gè)進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口的動壓力和靜壓力差別很大，這會造成進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入兩側(cè)支風(fēng)道的風(fēng)量不夠均勻。為了能夠更加科學(xué)、直觀地分析氣流組織是否合理，采用不均勻系數(shù)的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。不均勻系數(shù)是用來描述風(fēng)道內(nèi)氣流流動不均勻性的指標(biāo)[2]。不均勻系數(shù)的數(shù)值直觀地反映了氣流流動的不均勻性，數(shù)值越小越好。當(dāng)數(shù)值過大時(shí)其氣流組織將非常不均勻，對于提高乘客的舒適性很不利，出風(fēng)口的最大不均勻系數(shù)可通過下列公式進(jìn)行計(jì)算，

通過計(jì)算得到該地鐵客車的x 值很大，過大的x 值說明出風(fēng)口的氣流流速很不均勻，不均勻的進(jìn)氣流速嚴(yán)重影響車室內(nèi)乘客的舒適性。

為了滿足設(shè)計(jì)時(shí)最大進(jìn)風(fēng)量的要求，現(xiàn)對地鐵客車的送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行如下的優(yōu)化：保持測控面積和風(fēng)道的截面面積不變，根據(jù)壓力的變化在孔口上設(shè)置不同的阻體，使孔具有不同的阻力。具體的實(shí)施方案為在地鐵客車主風(fēng)道內(nèi)的各處加裝不同的調(diào)節(jié)板，調(diào)節(jié)板的具體位置和大小一開始采用理論分析進(jìn)行大體的估算，估算完成后將估算的結(jié)果通過CFD 進(jìn)行模擬，對照模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)的優(yōu)化和修改，最后在出風(fēng)口內(nèi)也加裝相應(yīng)的調(diào)節(jié)板進(jìn)一步提高送風(fēng)的均勻性。

2 地鐵客車送風(fēng)系統(tǒng)及車室內(nèi)氣流組織的CFD模擬

本次采用計(jì)算流體力學(xué)軟件為Fluent，F(xiàn)luent 是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)非常流行的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件包，F(xiàn)luent 具有很多其他軟件不能替代的優(yōu)點(diǎn)，1.它的使用范圍非常廣，只要模擬的目標(biāo)有流體和熱傳遞等相關(guān)計(jì)算都能夠使用Fluent；2.它內(nèi)置大量已經(jīng)建構(gòu)完成了的模型，方便用戶使用；3.它的內(nèi)置算法由數(shù)學(xué)家采用最先進(jìn)的數(shù)值分析方法編寫而成；4.基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，而且具有基于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格單元梯度的梯度算法；5.能夠非常便捷地模擬和分析非定常流動。

模擬的初始條件為最大出風(fēng)量4500，風(fēng)道截面積為0.23，出口壓力理想化為0 Pa。在開始時(shí)，對送風(fēng)系統(tǒng)不進(jìn)行任何的改動，將建立好的模型畫好網(wǎng)格后導(dǎo)入到計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent 中進(jìn)行模擬計(jì)算，通過計(jì)算我們可以得到地鐵客車上部各個(gè)出風(fēng)口和下部各個(gè)出風(fēng)口出風(fēng)量的對比關(guān)系圖，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 城市地鐵上部出風(fēng)口出風(fēng)量

圖2 城市地鐵下部出風(fēng)口出風(fēng)量

從圖1、圖2 中我們能夠了解到，城市客車兩側(cè)相同位置處風(fēng)口的出風(fēng)量基本上是相等的，但是在同一側(cè)不同位置風(fēng)口的出風(fēng)量的差別卻很大，利用上面提到的不均勻系數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算得到上部出風(fēng)口的出風(fēng)量不均勻系數(shù)為0.33 和0.32；下部出風(fēng)口出風(fēng)量的不均勻系數(shù)為0.40 和0.45。通過對比數(shù)字我們就可以非常直觀地知道上下部的送風(fēng)不夠均勻。

下面對地鐵送風(fēng)系統(tǒng)按照上文提到的措施進(jìn)行改進(jìn)，在地鐵的前四個(gè)支風(fēng)道加裝60、50、50 和40m m 的調(diào)節(jié)板，中間加裝的調(diào)節(jié)板要能夠擋住該處風(fēng)道的一半，在第三個(gè)支風(fēng)道加裝能夠擋住風(fēng)道左右的調(diào)節(jié)板。將上述布置輸入計(jì)算流體力學(xué)軟件F l u e n t 中進(jìn)行模擬，并計(jì)算得到城市客車上部各個(gè)出風(fēng)口和下部各個(gè)出風(fēng)口出風(fēng)量的對邊關(guān)系圖，結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 城市地鐵上部出風(fēng)口出風(fēng)量

圖4 城市地鐵下部出風(fēng)口出風(fēng)量

對于進(jìn)行過優(yōu)化設(shè)計(jì)的城市地鐵客車送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行不均勻系數(shù)計(jì)算，通過計(jì)算得到上部出風(fēng)口的不均勻系數(shù)為0.20 和0.19；下部出風(fēng)口的不均勻系數(shù)為0.13和0.12，我們能夠明顯地觀察到不均勻系數(shù)顯著降低，送風(fēng)均勻性得到了明顯改善。

為了進(jìn)一步研究車室內(nèi)的氣流組織，將三個(gè)截面的27 個(gè)支風(fēng)道的中間截面壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，并繪制成柱狀圖5。

圖5 地鐵客車左側(cè)和右側(cè)的支風(fēng)道壓力模擬測試結(jié)果

通過對圖5 進(jìn)行分析可以了解到，從整體上來看，除了部分截面因?yàn)榧友b調(diào)節(jié)板造成了些許波動，地鐵客車左右兩側(cè)的壓力基本呈對稱分布，兩側(cè)壓力基本相等，無明顯的波動。

下面利用人工環(huán)境系統(tǒng)分析軟件Airpak 對車室內(nèi)的風(fēng)速和溫度進(jìn)行測算，本文研究地鐵客車夏季工況，地鐵送風(fēng)溫度為20℃，側(cè)面墻壁溫度為28℃，地板溫度為25℃，頂板溫度為24℃，出風(fēng)口的空氣流速按照Fluent軟件模擬輸出的測試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。建立三維模型、劃分網(wǎng)格、按照國標(biāo)的要求選擇測量點(diǎn)并導(dǎo)入Airpak 軟件進(jìn)行計(jì)算，記錄軟件Airpak 輸出的測量點(diǎn)溫度和空氣流速。

3 氣流組織評價(jià)

評價(jià)氣流組織需要使用空氣分布特性指標(biāo)進(jìn)行分析，空氣分布特性指標(biāo)（Air Diffusion Performance Index）為滿足規(guī)定風(fēng)速和溫度要求的測點(diǎn)數(shù)與總測點(diǎn)數(shù)之比[3]。利用空氣分布特性指標(biāo)ADPI 和不均勻系數(shù)r 對改進(jìn)后的模擬值進(jìn)行評價(jià)，空氣流動速度和溫度不均勻系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 不均勻系數(shù)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過表1 我們可以看到，測量點(diǎn)的速度不均勻系數(shù)達(dá)到了0.45，如此高的數(shù)值主要原因是測量點(diǎn)的位置分布比較特殊。12 個(gè)測點(diǎn)中，有的測點(diǎn)位于地鐵下端的出風(fēng)口，有的測點(diǎn)非常接近地鐵客車的地板，因此造成了如此高的速度不均勻系數(shù)。溫度的平均值為22.73℃，這個(gè)溫度為人體感到比較舒服的溫度，溫度不均勻系數(shù)為0.04，說明車室內(nèi)各個(gè)地方都能夠維持在一個(gè)相同的溫度下，沒有明顯的溫度變化。對于空氣分布特性指標(biāo)（ADPI）經(jīng)過計(jì)算得其值為0.806，大于設(shè)計(jì)的要求0.80。

通過上面的分析說明，我們可以了解到地鐵客車室內(nèi)的氣流速度雖然存在一定的不均勻性，但通過仿真軟件計(jì)算的ADPI 指標(biāo)較高，溫度的平均值和不均勻系數(shù)也滿足國標(biāo)TB1951-81 的規(guī)定。我們可以得出結(jié)論，經(jīng)過改進(jìn)后地鐵客車送風(fēng)系統(tǒng)及車室內(nèi)氣流組織得到了優(yōu)化。

4 結(jié)語

本文通過理論定性分析和計(jì)算流體力學(xué)CFD 對地鐵客車送風(fēng)系統(tǒng)和車室內(nèi)的氣流組織進(jìn)行了分析和優(yōu)化，對本文的研究進(jìn)行概括整理能夠得到下面的結(jié)論：

1.通過在風(fēng)道的不同位置加裝不同的調(diào)節(jié)板可以很大程度上改善送風(fēng)的不均勻現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)板實(shí)現(xiàn)了速度不均勻系數(shù)由0.450 降為0.165 的變化。

2.對送風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)是有意義的，經(jīng)過改進(jìn)后車輛測量點(diǎn)的模擬數(shù)值滿足國標(biāo)的規(guī)定。雖然計(jì)算后的速度不均勻系數(shù)偏高，但溫度不均勻系數(shù)良好，空氣分布特性指標(biāo)滿足要求，地鐵客車整體室內(nèi)空氣組織狀況良好。