轨道交通车厢气体流场模拟仿真研究进展

蒋文彬，王寿川，方　莹，刘益才（中南大学能源科学与工程学院 先进储能技术研究所，长沙　410083）

轨道交通车厢气体流场模拟仿真研究进展

蒋文彬，王寿川，方莹，刘益才
（中南大学能源科学与工程学院 先进储能技术研究所，长沙410083）

对车厢流场模拟仿真技术的发展历史和现状进行了较为全面的回顾与总结，重点介绍了国内外相关理论、实验以及数值仿真的研究方法与成果。对车厢流场、温度、湿度、微风速、吹风感、均匀性及空气品质之间平衡进行了研究，同时对车厢流场模拟仿真的研究热点和研究方向进行了展望。

轨道交通；车厢；流场；温度场；气流组织

0　引言

改革开放以来，随着经济的增长与城镇化的深入发展，我国城市人口规模进一步扩大，越来越密集的居住环境给城市带来的交通运输压力日益沉重。限于城市地表规模发展和规划的迟滞性，地面的道路空间是相对有限的，常规地表城市交通体系越来越难以满足人们的日常出行需求，地铁正逐步成为每个城市迫切需要的交通工具。地铁大容量、集约性、高效性、低能耗、低污染等特点，可以有效缓解城市交通拥堵现状，同时也有利于解决能源紧张、环境污染等问题。

随着居民环保和健康意识的提高，消费者对车厢环境提出了更高的要求。在地铁车厢的环境方面，空调通风系统的设计和运行状况对调节车厢内的空气品质起到了决定性作用。车厢空气过冷、过热及空气品质差等是导致环境舒适度下降的主要原因，而这些原因往往与流场组织状态密切相关。简单的调节温度是无法解决这些问题的，送风口的位置与风速、温度及流域中的阻碍情况都会影响整个流场的状况。合理的气流组织分布能减轻污染物浓度，反之则会加重污染物所产生的危害。

如何对空气流场进行有效而快速的预测、对空气调节系统与方案提出快速评估，改善车厢舒适度，形成空气调节的有益建议是现在车厢气流组织的研究热点，也是提高轨道交通研发水平的重要内容。CFD（Computational Fluid Dynamics）技术仿真因项目周期短、预测高效准确、成本低廉，正逐步受到广泛重视。

1　CFD技术背景

1.1CFD发展的基本背景

CFD的应用与计算机技术的发展密切相关。CFD软件最早于20世纪70年代诞生在美国，但得到较广泛的应用是在近10年。CFD的基本思想可以归结为：把原来时间域和空间域上连续物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD技术可以非常严谨的模拟整个流场的动态状况。

目前，CFD软件现已成为解决各种流体流动与传热问题的强有力工具，广泛应用于水利、航运、海洋、环境、食品、流体机械与流体工程等各种技术科学领域，如对空调系统节能装置的设计和航天器工作装置的模拟［1-2］。过去只能靠实验手段才能得到的某些结果，现在已完全可以借助CFD模拟来准确获得［3］。

1.2CFD在空气流动研究领域的应用

1974年丹麦科学家Niesle首次将CFD技术应用在了空调工程领域，模拟室内空气流动情况，利用流函数和涡流公式求解封闭二维流动方程，采用流体湍流模型进行模拟，计算所得的房间某些截面速度分布和射流轴心速度的衰减与实验数据对比表明，数值计算的结果是可信的［4］。这一举措极大的推动了CFD技术的发展。

空气流动的研究方法通常有理论与实验研究。传统的理论方法通常比较抽象，简化程度也较大，对于非线性问题理论方法甚至难以求出解析解；而实验技术则通常受到很多限制，如模型尺寸、流场扰动以及测量精度等。

CFD技术很好的弥补了传统方法的弊端。一般来说，CFD在工程研究方面具有的优点：（1）CFD软件提供良好的交互页面，模拟结果具有较高的可重复性；（2）对参数和边界的控制较现场试验更加准确稳定；（4）计算结果更加直观，分析效率较高；（5）相对于传统方法，具有较短的工程周期与人力投入，成本低廉。

但CFD技术计算结果的精度往往取决于对复杂流场仿真前置处理时的边界条件、物性参数等是否与实际情况一致，以及计算方法与后置处理是否准确等方面，结果可靠度有限。目前，如何提高CFD仿真准确度和复杂工况的适用性正成为相关研究者的中心工作。

2　国外车厢流场方面的研究状况

国外最早从20世纪70年代开始利用CFD技术研究通风空调中的空气动力学问题。CFD技术在暖通领域的研究主要分为基础研究和应用研究两个方向。

2.1基础领域

基础研究主要针对室内空气流动的简化模拟、室外空气流动的大涡模拟及建筑能耗的耦合模拟。

美国、日本在利用CFD技术对空间流场分析方面有着长期的研究积累，并处于较领先的地位。1988年Emmrich等利用大涡模拟技术对三维房间内热空气流动和烟气传播进行了模拟。1994年Shnzo等利用代数应力模型（ASM）和微分应力模型（DSM）等二阶封闭模型对三维非等温室内空气流动进行了模拟。2000年Topp等［5］对全方位通风房间内的空气流动情况进行了数值模拟。

2.2应用领域

基础研究在不断深入的同时，应用领域的研究也在不断发展。应用研究主要针对自然通风的数值模拟、置换通风的数值模拟以及高大空间和洁净室的数值模拟等。

GM公司Lin等［6］简化了GM-10空调车室流场并进行实际测量，利用VEN3D软件研究送风量、送风位置等因素对乘客热舒适性的影响。Ingersoll等［7-8］对空调车内的舒适度进行了数值计算，提出人体舒适度受空气湿度、温度、辐射温度、速度、人体着装和相对湿度等因素影响。Park等［9］用数值模拟方法计算对流热源的置换通风空调室内流场、温度场以及污染物浓度场，并分析了流场分布的特点。Chang［10］利用CFD技术对大型空调车室的送风位置进行了探讨。

3　国内车厢流场方面的研究状况

国内在车室内流场分析这一块的研究起步较国外晚，上世纪80年代中期，空调客车才被逐步开发投向市场。随着人们对乘车舒适度的要求逐渐提高，空调客车的需求量日益增大。中国虽然1969年就有了北京地铁1号线，但是地铁的发展比较缓慢，天津市在1970年建成中国第2条地铁线路，上海市1995年才建成上海地铁1号线，其他城市是2000年之后才陆续建成各自的地铁线路。2003年建成的北京地铁13号线首次加装了空调系统。直到近几年，中国的地铁规划才呈现迅速的发展，这与城市的发展和扩张密不可分。

3.1基本现状

伴随空调的使用率猛增，汽车空调车室内流场的分析研究工作也逐步展开，但是相关的研究工作还处于初期阶段，可供参考的经验非常有限。我国在地铁空调系统方面的研究起步较晚，城市轨道交通空调标准体系尚不完备，关于城市轨道交通车辆空调的送风速度和车内微风风速的标准尚处于拟定阶段，目前设计时参考得比较多的是欧盟的标准（EN-14750）。

近年来，工程应用方面的工作人员对地铁车厢气流的分析主要集中在对车厢的温度与风速的研究，因为各种研究和经验表明与乘客舒适性最相关的是车厢的环境温度、风速及湿度。

3.2气流分散特性的研究

李世富［11］采用PHOENICS软件对北京地铁列车的车厢内气流组织进行了在轴流风扇通风条件下的模拟，得到了气流速度与温度场的分布情况，并研究了沿列车长度方向风速变化时的压力分布规律。同时在现场进行了实际测量，将实际数据作为模拟的边界条件，将计算结果与实验数据进行了对比，有一定的工程参考价值。

易柯［12］采用数值模拟的方法，分析了地铁车厢内的气流组织形式，重点讨论了在相同送风量的条件下，不同送风风速对车厢内流场和温度场分布规律的影响，对具体的送风风速给出了合理的建议。

臧运雷等［13］利用FLUENT软件对北京DKZ1型地铁的车厢进行了气流组织模拟，对不同的送风温度和送风风速进行数值计算，得到不同温度及风速条件下的车厢流场模型。

送风速度不变的情况下，改变送风温度，车厢各区域的温度会随之正向变化，但风速基本不随便温度变化而改变；送风温度不变，改变送风速度的情况时，各区域的温度会随着风速的提高而略有下降，如图1、图2所示。

图1　气流速度随风温度变化曲线图

通过研究空调送风参数的改变对车厢内温度和速度场的影响，确定了合适的送风及回风布置参数，得出了满足人体舒适度要求的送风温度与风速。该模型做了一定的简化，如忽略了车窗的热辐射及车门的对流，并将人简化为面热源。

图2　气流温度随送风速度变化曲线图

3.3人体散热模型的提出

2010年，李超［14］在利用CFD软件进行车厢流场模拟时进一步考虑了人体热源的影响，在车厢模型中建立了人体散热模型，并对人体模型进行了细致的网格划分。笔者采用了曲面建模的方法，使人体模型更为逼真，并且在网格划分时采用了Prism网格类型，对人体周围的体网格做了两层边界层网格，提高了湍流模型计算的准确性，如图3所示。

图3　人体网格划分模型

文章还探讨比较了上送上回与上送下回这两种送风方式对流场的影响，模型如图4所示。

图4　上送上回和下回送风方式模型

通过比较认为采用上送下回并且不均匀送风的方式能解决另外两个方案中端部温度及中部湿度偏高的问题，虽然热量囤积在车厢的一侧，但主流区部位的舒适感是较好的。同时还减少送风口附近的吹风感和送风短路问题，且节能性能较好。

目前，中国成品油批发价格已经基本实现完全市场化，但零售价格仍参照国家规定的最高零售限价来确定，尚未实现完全市场化，无法有效反映国内成品油市场供需现状。过高的批发价与零售价价差使得一些炼油企业容易误判国内成品油市场供需形势，导致部分地区和企业盲目扩张炼油能力，进一步加剧了中国成品油供应过剩的局面。建议国家加快推进成品油定价机制向市场化定价迈进，以真正有效反映国内成品油市场的供需状况。另外，加快推出成品油期货交易，为市场化定价提供定价基准。通过推动成品油价格市场化，实现资源的最优配置。

3.4模拟仿真的精确度在应用中的验证

靳谊勇等［15］采用k-ε双方程模型分别对第一、第二类边界条件下的车内流场进行了模拟计算，并将模拟计算的结果与实验结果进行了对比，对影响车内温度、速度场的因素进行了初步分析。

张登春［16］通过分析车厢内空气流动和传热，使用SIMPLE算法计算铁路空调车内的气、固耦合传热问题，对硬座车内气流组织进行了数值模拟，考虑了送风口的布置，座椅、行李架等障碍物，人体的散热以及太阳辐射热对车内环境的影响，并对实体车进行实验和测量，数值计算结果与实验测量基本一致。

高秀峰等［17］首先采用高Re数k-ε湍流模型结合壁面函数法，固体区域应用区域扩充方法，对25K型铁路空调硬座车内流场进行数值模拟，然后对实体车进行实测，得到的温度分布和气流速度数据与数值模拟预测的趋势基本相一致。

赵忠超等［18］以铁道部四方机车厂25型空调硬座车厢为模型进行数值模拟，采用Monte Carlo法分析计算了太阳辐射和壁面间的辐射在车室内各固体壁面引起的附加热流变化，对旅客产生的热负荷分别采用平均分布和空间分布处理方式，研究结果表明，不同的热源处理方式对流场和温度场有较大的影响。

4　结语与展望

CFD技术在车厢流场分析方面具有广阔的应用前景，CFD在低成本和短周期方面，较于传统实验手段有明显的优势，同时也具有相当大的开发潜力。随着计算机的计算速度越来越快，计算成本越来越低，将极大的推动CFD技术的应用和普及，合理利用可大大提高准确度和适用性。随着研究的深入，会对车厢的流场进行更深入细致的研究，温度、湿度、微风速、吹风感、均匀性以及空气品质之间的平衡将成为研究人员关注的重点。

［1］牛越，张静雅，夏淯博，等.空调制冷系统增压节能装置设计研究［J］.真空与低温，2012，17（3）：176-180.

［2］水龙，杨震春，杜永刚.航天器火工作动装置流固耦合过程的数值研究［J］.真空与低温，2015，21（1）：42-47.

［3］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.

［4］Patankar SV，Spalding DB.A calculation procedure forheat，massandmomentum transfer in three-dimensional parabolic flows［J］.International Journal of Heat andMassTransfer，1972，15（10）：1787-1806.

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［8］Ingersoll JG，Kalman TG，MaxwellLM，etal.AutomobilePassengerCompartmentThermalComfortModel-Part I：Compartment Cool-Down/Warm-Up Calculation［R］.SAE Technical Paper，1992.

［9］Park H-J，Holland D.The effectof location of a convective heatsourceon displacementventilation：CFD study［J］.Buildingand Environment，2001，36（7）：883-889.

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［13］臧运雷，陈淑玲，曹建伟.用Fluent软件对地铁客车室内温度场和流场的数值计算［J］.都市快轨交通，2005，18（6）：42-45.

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［18］赵忠超，史自强，靳谊勇.非空态与空态空调列车室内气流组织的数值模拟与试验研究［J］.工业筑，2009（S1）：126-131.

ADVANCERESEARCH ON THE SIMULATIONSOFAIR DISTRIBUTION IN RAIL VEHICLECOMPARTMENTS

JIANGWen-bin，WANG Shou-chuan，FANG Ying，LIUYi-cai
（Schoolof Energy Scienceand Engineering，Instituteof Advanced Energy Storage，Central South University，Changsha410083，China）

A review and summary of the current theory and experiment study on the simulation of flow and temperature field in compartmentswasmade，whichmainly focus on the researchmethod and achievementon theory，experiment and the simulation study.Finally，a review and summary of the current theory and experiment study on the simulation of flow and temperature field in compartmentswasmade，some forecastsabout the research hotpotsandmethodsof the simulation study on airdistribution in compartmentswas further discussed.

railvehicles；flow field；compartment；temperature field；air distribution

O354

A

1006-7086（2016）04-0197-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.04.003

2016-02-23

蒋文彬（1986-），男，湖南长沙人，硕士研究生，从事轨道交通车厢流场仿真研究。E-mail：403920309@qq.com。