地铁客车送风系统及车室内气流组织优化探析

刘 晶 贾 君

西安交通工程学院，陕西 西安 710300

地铁运输作为我国城市公共出行的重要方式之一，地铁客车的发展水平一定程度上反映了我国居民的生活水平，提高地铁客车的服务也有助于提高城市居民的幸福指数。改善地铁客车室内环境的舒适性是提高地铁客车乘客舒服性的重要举措。本文以地铁客车的通风系统作为研究对象，运用理论分析法进行定性分析，提出一种合理、科学的地铁客车的送风系统及车室内气流组织的优化方案。采用CFD 模拟进行定量分析，分析设计的优化方案是否能够满足国标TB1951-81 的要求。本论文对于指导进行地铁客车送风系统及车室内气流组织的优化探索进而提高地铁客车的服务质量具有一定的指导意义。

1 地铁客车送风系统及其优化措施

研究地铁客车的风道和车室内气流组织本质上是研究空气力学的问题。流体运动的定量模拟和分析是复杂的物理行为，地铁客车送风系统及车室内的空气流动一般为三维定常流，地铁内的空气在车室内呈现不可压缩流动的状态[1]。用数学方程表示车室内的空气流动是一个非常复杂的过程，需要使用连续性方程以及湍流模型方程等流体力学方程进行联立、化简和求解。

本文所研究的地铁客车车厢长15m，宽为3m。该地铁客车送风系统采用等截面管道送风，送风量设计之初的要求最大要能够达到4500。空气从进风口进入主风道，然后由主风道将流入的空气分给各个支风道，各个支风道连接不同的出风口，通过众多的出风口就可以将风送进车室内，降低车室内温度。本论文研究的目标地铁客车只有一个进风口，进风口的动压力和静压力差别很大，这会造成进风口进入两侧支风道的风量不够均匀。为了能够更加科学、直观地分析气流组织是否合理，采用不均匀系数的计算公式进行计算。不均匀系数是用来描述风道内气流流动不均匀性的指标[2]。不均匀系数的数值直观地反映了气流流动的不均匀性，数值越小越好。当数值过大时其气流组织将非常不均匀，对于提高乘客的舒适性很不利，出风口的最大不均匀系数可通过下列公式进行计算，

通过计算得到该地铁客车的x 值很大，过大的x 值说明出风口的气流流速很不均匀，不均匀的进气流速严重影响车室内乘客的舒适性。

为了满足设计时最大进风量的要求，现对地铁客车的送风系统进行如下的优化：保持测控面积和风道的截面面积不变，根据压力的变化在孔口上设置不同的阻体，使孔具有不同的阻力。具体的实施方案为在地铁客车主风道内的各处加装不同的调节板，调节板的具体位置和大小一开始采用理论分析进行大体的估算，估算完成后将估算的结果通过CFD 进行模拟，对照模拟数据进行反复的优化和修改，最后在出风口内也加装相应的调节板进一步提高送风的均匀性。

2 地铁客车送风系统及车室内气流组织的CFD模拟

本次采用计算流体力学软件为Fluent，Fluent 是当前行业内非常流行的计算流体力学（CFD）软件包，Fluent 具有很多其他软件不能替代的优点，1.它的使用范围非常广，只要模拟的目标有流体和热传递等相关计算都能够使用Fluent；2.它内置大量已经建构完成了的模型，方便用户使用；3.它的内置算法由数学家采用最先进的数值分析方法编写而成；4.基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元梯度的梯度算法；5.能够非常便捷地模拟和分析非定常流动。

模拟的初始条件为最大出风量4500，风道截面积为0.23，出口压力理想化为0 Pa。在开始时，对送风系统不进行任何的改动，将建立好的模型画好网格后导入到计算流体力学软件Fluent 中进行模拟计算，通过计算我们可以得到地铁客车上部各个出风口和下部各个出风口出风量的对比关系图，结果如图1、图2所示。

图1 城市地铁上部出风口出风量

图2 城市地铁下部出风口出风量

从图1、图2 中我们能够了解到，城市客车两侧相同位置处风口的出风量基本上是相等的，但是在同一侧不同位置风口的出风量的差别却很大，利用上面提到的不均匀系数计算公式，计算得到上部出风口的出风量不均匀系数为0.33 和0.32；下部出风口出风量的不均匀系数为0.40 和0.45。通过对比数字我们就可以非常直观地知道上下部的送风不够均匀。

下面对地铁送风系统按照上文提到的措施进行改进，在地铁的前四个支风道加装60、50、50 和40m m 的调节板，中间加装的调节板要能够挡住该处风道的一半，在第三个支风道加装能够挡住风道左右的调节板。将上述布置输入计算流体力学软件F l u e n t 中进行模拟，并计算得到城市客车上部各个出风口和下部各个出风口出风量的对边关系图，结果如图3、图4 所示。

图3 城市地铁上部出风口出风量

图4 城市地铁下部出风口出风量

对于进行过优化设计的城市地铁客车送风系统进行不均匀系数计算，通过计算得到上部出风口的不均匀系数为0.20 和0.19；下部出风口的不均匀系数为0.13和0.12，我们能够明显地观察到不均匀系数显著降低，送风均匀性得到了明显改善。

为了进一步研究车室内的气流组织，将三个截面的27 个支风道的中间截面压力进行统计记录，并绘制成柱状图5。

图5 地铁客车左侧和右侧的支风道压力模拟测试结果

通过对图5 进行分析可以了解到，从整体上来看，除了部分截面因为加装调节板造成了些许波动，地铁客车左右两侧的压力基本呈对称分布，两侧压力基本相等，无明显的波动。

下面利用人工环境系统分析软件Airpak 对车室内的风速和温度进行测算，本文研究地铁客车夏季工况，地铁送风温度为20℃，侧面墙壁温度为28℃，地板温度为25℃，顶板温度为24℃，出风口的空气流速按照Fluent软件模拟输出的测试结果进行计算。建立三维模型、划分网格、按照国标的要求选择测量点并导入Airpak 软件进行计算，记录软件Airpak 输出的测量点温度和空气流速。

3 气流组织评价

评价气流组织需要使用空气分布特性指标进行分析，空气分布特性指标（Air Diffusion Performance Index）为满足规定风速和温度要求的测点数与总测点数之比[3]。利用空气分布特性指标ADPI 和不均匀系数r 对改进后的模拟值进行评价，空气流动速度和温度不均匀系数的计算结果如表1 所示。

表1 不均匀系数计算结果统计

通过表1 我们可以看到，测量点的速度不均匀系数达到了0.45，如此高的数值主要原因是测量点的位置分布比较特殊。12 个测点中，有的测点位于地铁下端的出风口，有的测点非常接近地铁客车的地板，因此造成了如此高的速度不均匀系数。温度的平均值为22.73℃，这个温度为人体感到比较舒服的温度，温度不均匀系数为0.04，说明车室内各个地方都能够维持在一个相同的温度下，没有明显的温度变化。对于空气分布特性指标（ADPI）经过计算得其值为0.806，大于设计的要求0.80。

通过上面的分析说明，我们可以了解到地铁客车室内的气流速度虽然存在一定的不均匀性，但通过仿真软件计算的ADPI 指标较高，温度的平均值和不均匀系数也满足国标TB1951-81 的规定。我们可以得出结论，经过改进后地铁客车送风系统及车室内气流组织得到了优化。

4 结语

本文通过理论定性分析和计算流体力学CFD 对地铁客车送风系统和车室内的气流组织进行了分析和优化，对本文的研究进行概括整理能够得到下面的结论：

1.通过在风道的不同位置加装不同的调节板可以很大程度上改善送风的不均匀现象，通过调节板实现了速度不均匀系数由0.450 降为0.165 的变化。

2.对送风系统的改进是有意义的，经过改进后车辆测量点的模拟数值满足国标的规定。虽然计算后的速度不均匀系数偏高，但温度不均匀系数良好，空气分布特性指标满足要求，地铁客车整体室内空气组织状况良好。