C型地铁列车主风道出风均匀性研究

王友君， 穆广友， 李元开， 姜海英

(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. 上海同济工程项目管理咨询有限公司 项目管理部， 上海 200092；

4. 山东电力经济技术研究院 建设管理中心，山东 济南 250001)

C型地铁列车主风道出风均匀性研究

王友君1， 穆广友2， 李元开3， 姜海英4

(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. 上海同济工程项目管理咨询有限公司 项目管理部， 上海 200092；

4. 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风量不对称条件下C型地铁列车主风道内的空气流动特性和出风均匀性.研究结果表明：最大风量出风口位于左、右两股气流的碰撞区，碰撞区向小送风量一端偏移；左、右风机送风量差异越大，碰撞区偏移对称面的距离越大，风道送风均匀性越差；大风量风机提供的送风一般体现为小风量风机一端出风口的出风量增加.

出风均匀性； 不对称送风量； 送风风道； 地铁列车

地铁列车的空气环境并没有人们想像的那么洁净，客室空气品质对乘客健康具有重要的影响[1-4]，而送风量和送风均匀性是决定客室空气品质的关键因素之一[5].为了保证送风量和送风均匀性，每节地铁列车往往采用2台相同型号风机对吹方式进行送风[6].但是，在实际运行中，有时会出现2台风机性能工况不同或1台风机故障停机的情况.这时，不仅地铁列车客室的左右风机送风量(或总送风量)发生变化，而且送风均匀性如何变化不得而知.因此，本文采用数值模拟方法分析风量不对称条件下一种C型车主风道的空气流动特性和送风均匀性.

1　试验与数值模拟准备

1.1试验简介

本文研究对象是上海一种C型地铁列车中间客室的主风道(除去两端的短风道)，该风道既左右对称，又前后对称，其前后对称结构如图1所示.风道长为8278 mm，高为100 mm，顶面宽为1186 mm，底面宽为1216 mm.风道两端风机送风口尺寸为762 mm× 284 mm，风道出风口尺寸为200 mm×100 mm.对称布置的短斜扰流板(2对)和垂直短扰流板(4个)的尺寸均为313 mm×50 mm，垂直长扰流板(4个)的尺寸为700 mm×30 mm.斜扰流板与前后对称面的夹角为45°，各扰流板间的距离如图1所标注.

试验时，风道左端风机送风量为1951 m3/h，右端风机送风量为2313 m3/h.监测风道各出风口风量来验证数值模型.监测风量所用仪器为Tsi8357型风量罩，风量罩位于图1所示的8个位置：左i、左ii、左iii、左iv和右iv、右iii、右ii、右i.其中，每一位置处风量罩测量对应的若干个出风口(见图1)的总风量.

图1　送风风道示意图Fig.1　Sketch of air supply duct

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，满足欧拉守恒方程[7]，如式(1)所示.

(1)

式中：ρ为空气密度；Φ为通用变量，可代表速度分量、温度等求解变量；t为时间；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44499个四面体单元.扰流板、隔板孔洞和出风口附近流场变化剧烈，所以，其边界上的网格加密，最小网格点间距为16.67mm，缩小网格间距不再增加求解精度.选择Fluent软件中的标准κ-ε模型进行湍流计算.在满足工程求解精度前提下，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[7].风道对称面、入风口、出风口、隔板孔洞和固体壁面分别定义为Symmetry,Velocity-inlet,Pressure-out,Interface,Wall，并假设进风湍流强度为10%，壁面光滑.除了试验工况(左、右端风机送风量分别为1951 和2313m3/h)， 本文又模拟了4种风机风量配对工况：(1)左、右送风量均为2000m3/h，代表列车客室一般的设计风量，且左、右风机性能一致的理想状态；(2)左、右送风量分别为1500和2000m3/h， 代表左风机送风性能降低，总风量降低12.5%；(3)左、右送风量分别为1500和2500m3/h，代表左风机性能降低而右风机性能提高，总送风量不变；(4)左、右送风量分别为0和2000m3/h，代表左风机故障停机，只有右风机正常运行，总送风量降为50%，仍能满足列车的最小安全风量.

2　数值模型验证

为了验证数值模型，试验与模拟得出的风道各出风口出风量数据如图2所示.由图2可知，模拟数据变化趋势与试验数据大体一致，模拟的平均出风量比试验值约小2%.因此，数值模型可以用来研究C型地铁列车送风风道的空气流动特性和出风均匀性.

图2　模拟与试验出风量对比Fig.2　Comparison of simulation and test air-out capacity

3　模拟数据讨论

3.1气流组织

为了分析左、右风机送风量的不对称性对地铁列车风道送风均匀性的影响，在4种风量配对条件下铅直高度为75 mm(z=0.075 m)水平剖面上的速度矢量分布如图3所示.

(a) 左送风量为2000 m3/h，右送风量为2000 m3/h

(b) 左送风量为1500 m3/h，右送风量为2000 m3/h

(c) 左送风量为1500 m3/h，右送风量为2500 m3/h

(d) 左送风量为0 m3/h，右送风量为2000 m3/h

对于左、右风机送风量相等的情况，由图3(a)可知，因为风道几何结构和送风量均满足左右对称，所以气流组织也体现出很好的左右对称性.风道中诸多扰流板的整体作用，是防止从两端风机送风口进入风道的空气沿风道中心直接流向左右对称面区域.其中，铅直宽度较大的扰流板(50 mm)能够显著地改变气流大小和方向，迫使空气流入两侧的混合腔；而铅直宽度较小的扰流板(30 mm)虽然能适当降低风速大小，但是对风速方向的影响则比较弱.需要特别指出的是:风道两端对称布置的斜扰流板(50 mm) 虽然能够使气流向两侧混合腔流动，但是混合腔两端的斜隔板和这些斜扰流板的综合作用却是通过阻碍挤压气流，产生较大流速(4.27～6.40 m/s) 的空气直接流向风道左右对称面区域.所以，风道两端(混合腔两端)附近区域的风速虽然很大，但是流向侧面混合腔的速度分量(y轴速度分量)却相对很小.然而，风道左右对称面附近的风速虽然很小(0.01～ 2.14 m/s),但是因为左右两股气流的碰撞，流向两侧混合腔的速度分量却相对很大.

对于左、右风机送风量不相等的情况，由图3(b) 和3(c)可知，气流碰撞区，即流向两侧混合腔的速度分量相对很大的区域，向小送风量的一端移动，而且左、右送风量差异越大，气流碰撞区向小送风量一端的偏移量越大.当左送风量为1500 m3/h和右送风量为2000 m3/h时，气流碰撞区向左偏移约0.5 m (见图3(b))；而左送风量为1500 m3/h和右送风量为2500 m3/h时，向左偏移近1.5 m(见图3(c)). 至于风道一端风机故障停机的情况，即左送风量为0 m3/h 和右送风量为2000 m3/h时，右端风机的送风一直流到风道左端，在受到壁面阻碍后，才会大量地向侧面混合腔流动(见图3(d)).

3.2出风均匀性

为了进一步理解风道的出风均匀性，在4种送风量配对工况下风道各出风口出风量如图4所示.

综合图3和4可以看出，左、右风机送风量相等时，因为混合腔两端的斜隔板和斜扰流板的综合阻碍和挤压作用，使得气流直接流向左右对称面区域，进入混合腔两端的空气较少，所以风道两端出风口(左1， 2， 3和右1， 2， 3)的出风量相对较小，甚至有些出风口(左1和右1)出风量体现为负值(-25 m3/h)， 这些出风口不仅不能有效地向客室送风，还会吸入部分客室污染空气.因为左、右送风气流在对称面区域发生碰撞后向两侧混合腔流动，所以对称面附近出风口(左13和右13)的出风量最大(121 m3/h). 最大出风口风量(左13或右13)比平均值高92%，最小出风口风量(左1或右1)比平均值低92%.总体而言，即使左、右送风量相等时，本文所研究风道的送风均匀性仍然有待进一步改善.

图4　出风量随出风口位置的变化Fig.4　Dependence of air-out capacity on outlet position

当左、右风机送风量不相等时，由图3和4可知，因为气流碰撞区向小送风量一端(左端)偏移，所以最大风量出风口的位置也向小送风量一端(左端)偏移.同时，以最大出风量的风口为界，小送风量一端的其他出风口的出风量均有不同程度的增加，而大送风量一端的其他出风口的出风量均有不同程度的减小.左、右风机送风量差异越大，最大风量出风口的位置向小送风量一端的偏移量越大，最大风量出风口左、右两端出风口出风量的差异也越大.在左、右送风量极端不对称情况下，即左端风机停机时，右端风机的送风一直达到风道左端壁面，才会受到壁面阻碍向两侧混合腔流动，所以最大风量出风口是风道最左端的出风口.但是，因为总送风量降为设计风量的50%，风道内平均风速降低，静压送风效果增加，出风均匀性略有好转.总体而言，左、右风机送风量的差异越大，本文所研究这种结构风道的出风均匀性则越恶化；大风量风机提供的送风会体现为小风量风机一端的一些出风口的出风量增加.

4　结　语

本文利用数值模拟方法分析了4种送风量配对工况下C型地铁列车主风道的出风特征.模拟结果表明，即使左、右两端风机送风量相等，各出风口风量之间的差异仍然较大，最大出风量风口位于气流碰撞区.随着左、右送风量之间差异的增加，出风均匀性进一步恶化，气流碰撞区向小送风量一端偏移，且大风量风机提供的送风一般体现为小风量风机一端出风口的出风量增加.这种结构风道内风速过大，静压送风的作用小，可能是导致出风不均匀的主要原因.

[1] NIEUWENHUIJSEN M J, GOMEZ-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] GRASS D S, ROSS J M, FAMILY F, et al. Airborne particulate metals in the New York City subway: A pilot study to assess the potential for health impacts [J]. Environmental Research, 2010, 110(1):1-11.

[3] 李静,刘翔翊,甘平胜,等.广州地铁3、4号线首通段室内空气氨和苯浓度监测分析[J].现代预防医学,2007,34(2)：292-296.

[4] 李若岚,原国平.地铁空调卫生学状况对站台可吸入气溶胶粒子浓度影响[J].中国公共卫生管理,2010,26(5)：535-536.

[5] 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.

[6] 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.

[7] 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 C Car-Type Metro Vehicle Main Air Duct

WANGYou-jun1,MUGuang-you2,LIYuan-kai3,JIANGHai-ying4

(1. Department of Refrigeration and Air-Conditioning Engineering, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;

2. Department of Design, Shanghai ALSTOM Transport Equipment Co. Ltd., Shanghai 200245, China;

3. Department of Project Management, Shanghai Tongji Project Management and Consulting Co. Ltd.,

Shanghai 200092, China; 4. Construction Management Center, Shandong Electric Power Economic Research Institute,

Jinan 250001, China)

Numerical simulation is carried out to investigate the airflow characteristic and air-out uniformity of C car-type metro vehicle main air supply duct on condition of asymmetrical air supply volumes. The results indicate that the outlets of maximum air-out capacity locate in the collision zone of two portions airflows, and the collision zone shifts to one side of the smaller air supply volume. The larger discrepancy of the two sides air supply volume is, the larger the offset of collision zone, and the worse the air-out uniformity. The air provided by the larger air volume fan will reflect the increasing air-out volumes of outlets located in the side of the smaller air supply volume.

air-out uniformity; asymmetrical air supply volumes; air supply duct; metro vehicle

1671-0444(2015)06-0834-04

2014-07-31

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

TU 843.3

A