上海地铁2号线车厢气流组织分析

郝胜男， 于凤娇， 郑学林

(上海海事大学商船学院，上海 201306)

0 引 言

随着城市化水平的不断提高，交通运输方式一直在向着快捷、方便、经济和安全的方向发展[1]。轨道交通作为一种现代化交通工具，由于其运输量大、速度快、环境污染小、乘坐方便和安全舒适等特点常被称为“绿色交通”[2-3]。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，人们对地铁车厢环境的要求也日渐提高。目前，影响地铁车厢环境的主要因素有温度、风速等。地铁车辆大多在地下隧道行驶或者在地上地下交替行驶。当列车头部或者尾部进入隧道时，由于受到隧道壁面的限制,列车周围产生不稳定流动[4]，从而影响车厢内的送风温度及送风速度。故本文从送风温度、送风速度和客流密度的角度出发，对地铁车厢环境进行研究。首先实地调研地铁运行过程中车厢内的温度、风速情况，将实测得到的温度和风速作为CFD[5]设定边界条件的基础。然后将模拟结果与测试结果进行比较[6]，控制两者的误差在合理的范围内。最后验证物理模型和数学模型的可靠性。以此为基础采用数值模拟的方法通过调整送风温度、送风速度和客流密度模拟地铁车厢流场情况，对各种工况下的温度场和速度场进行对比分析，进而得到满足人体舒适度的最佳送风温度和送风速度。

1 测试方法及结果

在夏季最热工况下测试了上海地铁2号线车厢内的温度和风速，使用的测试仪器为“天建华仪WFWZY-1”手持式万向风速风温记录仪。每节车厢内均布置12个测点。参考UIC553[7]中的规定(温度测点距地板面高0.1 m、0.6 m、1.0 m、1.1 m和1.7 m)，同时考虑到地铁车厢内装和人均身高，将测点位置设置在距地板面高0.5 m、1.1 m、1.7 m、2.0 m处和回风口处，各测点位置与人体部位的对应关系见表1。各测点对应位置见图1。

表1 温度测点与人体部位的对应关系

测试车厢内不同高度处的平均温度，每45 min计算一次同一高度上所有测点的温度平均值，作出相应折线图,见图2。

注:标号1.7-1表示测点高度为1.7 m，记录仪编号为1号；其他标号意义依此类推

图1上海地铁2号线车厢内温度、风速测点布置

图2 不同高度处温度平均值折线图

由图2可知:车厢内温度基本保持在22～25 ℃范围内;温度最高值出现在晚高峰时段，0.5 m高处在17:15—18:00时段的温度平均值达到24.5 ℃;温度最低值出现在非高峰时段10:30—11:15，1.7 m高处温度平均值降至22 ℃;站姿乘客头部平均高度(即1.7 m)处温度平均值在22.5～23 ℃范围内，温度最高值出现在晚高峰时段17:15—18:00。

由图2还可以明显看出车厢内温度有明显的分层现象，1.7 m高处与1.1 m高处有1 ℃左右的平均温差。这是由于车厢内乘客阻碍了上送上回的气流。送风能够有效到达1.7 m以上区域，但在1.1 m以下区域气流受人体阻挡，人体散发的热量在此区域堆积，导致此区域温度升高。

根据舒适度要求,空调的平均温度应为23～28 ℃[8]。因此,上海地铁2号线车厢温度在夏季是满足人体舒适度要求的，只是在与地板垂直的方向上的温度有轻微分层现象，车厢内越接近地面温度越高。

在本次测试中2 m高处(送风口位置)平均送风速度为1.53 m/s，送风温度为20 ℃。根据温度、风速实测数据，模拟2号线车厢气流组织。

2 模型建立及网格划分

以上海地铁2号线列车B型车作为研究对象。该车总长为19 800 mm，净宽为2 800 mm，净高为2 100 mm；送风量为9 000 m3/h，送风口分别设置在列车左、右两侧，尺寸为10 mm×19 048 mm，风口下方的导流板可将风引向车厢两侧；每节车厢共有2个回风口，设置在车厢顶部；每个机组下方布置1个回风口，尺寸为410 mm×308 mm；全车共有4个废排风口，分别设置在车顶两端[9]。

图3为列车车厢简化模型。为获得较好的数值计算结果，采用非结构四面体网格对车厢模型进行离散化处理。经过多次试验，最终获得最匹配的网格尺寸，其中最小尺寸为2 mm，最大尺寸为85 mm，整体网格质量大于0.27。为加快计算速度，取半个车厢作为研究对象。

图3 列车车厢简化模型

3 数值模拟方法

采用RNGk-ε湍流模型。这个模型通过大尺度运动和修正后的黏度项体现小尺度运动的影响，从而将这些小尺度运动从控制方程中去除[10]。

αk=αε=1.39

η0=4.377,β=0.012,η=Sk/ε

C2ε=1.68

采用RNGk-ε湍流模型可以更好地处理高应变率和流线弯曲程度较大的流动[11]。鉴于基于雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)的CFD模拟在研究列车车厢内的气流分布上已有不少成功的算例,本文采用SIMPLE算法、二阶迎风(second order upwind)差分离散格式和Standard压力插值格式。为计算方便作以下假设：(1)室内空气为不可压缩流体;(2)流体具有高雷诺数且黏性保持一致;(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影响。

4 边界条件

送风口采用速度入口(velocity-inlet)边界条件，送风温度分别设定为17 ℃和20 ℃,送风速度取值范围为1～3 m/s，此处选择2号线实测数据1.53 m/s和送风速度取值范围的中间值2.0 m/s。

计算模型的出口为车厢内回风口和废排风口。回风口采用速度入口边界条件，风速方向垂直于风口向外,将车厢内部分空气送回到空调机组，经计算得回风口风速为1.6 m/s。废排风口采用压力出口(pressure-outlet)边界条件，根据一般列车车厢内压力规律，设定废排风口压力值为50 Pa。

车体固体壁面主要为车身，包括车壁、车窗和车门等部件。模拟工况为地下隧道，因此无须考虑太阳辐射的影响，车壁、车窗和车门使用第3类边界条件；根据列车运行规律，设置车厢两端非门位置、车厢地板和天花板均为均热边界条件，不参与对流换热；当列车运行时,其外表面换热系数可参照《客车空调设计参数》进行计算，车壁、车窗、车门的换热系数分别为2.4、3.1、4.6 W/(m2·K)。车厢端部连接前车厢，故在Fluent中设置连接面为symmetry；实际上只计算以车厢纵向竖直中剖面为分界划分的车厢的一半，因此该中剖面也设置为symmetry。2017年7月上海平均温度为35 ℃，因此以35 ℃作为外界空气温度。壁面传热设置为Mixed边界条件，在车厢内建立人体模型，设定人体散热边界条件，将热流量加载到人体模型表面。在室温为20～25 ℃的条件下，单个人体散热量取78 W[12]。

5 数值计算结果

本次计算共设有8个工况,均考虑人员散热对车厢气流组织的影响。工况1：送风温度20 ℃，送风速度1.53 m/s,满载。工况2：送风温度20 ℃,送风速度2 m/s,满载。工况3:送风温度17 ℃，送风速度1.53 m/s,满载。工况4：送风温度17 ℃，送风速度2 m/s,满载。工况5:送风温度20 ℃,送风速度1.53 m/s,超载。工况6：送风温度20 ℃，送风速度2 m/s,超载。工况7:送风温度17 ℃，送风速度1.53 m/s,超载。工况8：送风温度17 ℃，送风速度2 m/s,超载。各工况中:满载指座位上全部坐满乘客,无站立乘客;超载指座位上全部坐满乘客,站立区也站满乘客。为更直观地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

根据2017年7月上海室外平均温度35 ℃对送风温度作相应的调整。图4～7分别为在送风温度20 ℃、送风速度1.53 m/s的条件下满载和超载时地铁车厢内的温度分布。

图4 满载时送风口处的温度分布

图5 满载时1.1 m高处的温度分布

图6 超载时送风口处的温度分布

图7 超载时1.1 m高处的温度分布

列车满载时车厢内温度较空载时有明显上升，温度最高处在乘客身体附近，达到37 ℃左右，符合人体正常体温规律；列车壁面因受外界热流影响其温度也达到了30 ℃左右。从各云图看，乘客的存在对温度场的均匀性产生了一定影响。随着乘客人数的继续增加，车厢内温度进一步升高。乘客密度增大，人体辐射的热量增多，造成人体附近的温度进一步升高，最高温度大约为38 ℃。在此种送风温度和送风速度条件下车厢内温度明显过高，乘客密度对温度场均匀性产生了较大影响。

图8～11分别为在送风温度20 ℃、送风速度1.53 m/s的条件下满载和超载时车厢内的风速分布。

图8 满载时送风口处的风速分布

图9 满载时1.1 m高处的风速分布

图10 超载时送风口处的风速分布

图11 超载时1.1 m高处的风速分布

随着客流密度的增大，尤其是在站立区乘客较多时，不同位置的风速大小区别较为明显，即风速不均匀度增大，造成有的乘客冷感强烈，而有的乘客热感强烈。同样,因人数增多，从顶部吹出的风受到阻碍，难以达到车厢下部(即座位区)。

下面利用预测平均评价(predicted mean vote,PMV)值[13]评价人体舒适度[14]。表3是通过主观感觉试验确定出的绝大多数人的热感觉分级。

表3 热感觉分级

分别计算8种工况下的PMV值，分析8种工况下的热感觉等级，从而找出上海地铁2号线满载和超载情况下最佳的送风温度和送风速度。图12为各工况下车厢不同高度处的PMV值。

图12 各工况下车厢不同高度处PMV值

从图12中可以看出:工况1和8的PMV值范围为0～0.6，在所有工况中舒适度最优，热感觉介于微暖与适中之间;工况3和4的PMV值范围为-2～-0.2，热感觉介于适中与凉之间，偏凉;工况2、6和7的PMV值范围为0.7～1.85，热感觉处于适中与暖之间,偏暖;工况5的PMV值超过2,舒适度较差。因此可以得到:列车满载时最佳送风温度为20 ℃，最佳送风速度为1.53 m/s;列车超载时最佳送风温度为17 ℃，最佳送风速度为2 m/s。

6 结 论

上海地铁2号线车厢内温度和风速的实测数据显示,晚高峰时段车厢内温度上升，在与地板垂直的方向上有明显的分层现象，这是由于上送上回的气流受到了车厢内人员阻碍。在0.5 m以下区域风流受人体阻挡严重，会造成人体发热量堆积，温度增高。

对比在送风温度20 ℃、送风速度1.53 m/s条件下满载和超载两种工况的温度分布和风速分布可知:随着客流密度的增大，车厢流场的不均匀性不断增强,车厢温度和人体表面温度均升高;由于0.5 m以下区域气流受到人体阻碍，温度偏高,座位上的乘客舒适度较差。

综合考虑送风温度和送风速度的影响，对照文献[7]中满足人体舒适度的最大速度表可得:在送风温度为20 ℃、送风速度为1.53 m/s、满载时，车厢内平均温度为23.6 ℃；PMV值范围为0～0.6，热感觉介于微暖与适中之间；1.1 m高处的平均风速为0.15 m/s,风感不强，满足舒适度要求。在送风温度为17 ℃、送风速度为2 m/s、超载时，车厢内平均温度为22.8 ℃；PMV值范围为0～0.6，热感觉介于微暖与适中之间。送风温度17 ℃、送风速度2 m/s是超载情况下最理想的送风参数。

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