城轨车辆客室气流仿真分析

2021-09-04陈新华梁一迪

科教导刊·电子版 2021年21期

陈新华梁一迪张晨

（[1]北京建筑大学北京 100044；[2]城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室北京 100044）

0 引言

计算流体动力学（CFD）是用于优化地铁车厢中的气流模式的一种方法。使用CFD，可以更好地了解气溶胶污染物的扩散特性，还可以用于优化气流模式和温度分布，以达到更好的热舒适度。康智强等进行了地铁车厢内空调气流组织模拟及优化研究，发现辐流风机有助于改善车厢内气流组织的均匀性；易柯等利用CFD软件Fluent，应用k-两方程湍流模型对气流组织进行了数值计算。本文主要针对空间相对封闭地铁车厢内的病毒防控问题，进行了存在新风情况下，客室气流的变化、感染者传染性颗粒在地铁车厢内的传播情况，以及新风对车厢温度改变对乘客舒适性的影响。

1 地铁车厢通风系统CFD建模

本研究的数值计算以地铁车辆B型车作为研究对象，车体总长19.8m，净宽2.8m，净高3.8m。由于一节地铁车厢是前后对称的，所以可以简化分析半截车厢。本文定义车厢长为8m，高为3.8m。车厢顶部设置进风口(左)和出风口（右）。尺寸为1m×0.5m×0.25m。车厢内的两名乘客分别定义一个站高1.7m，一个坐高1.1m，二者相对而立，此时环境的温度为30℃（303.15K）。车厢的布局如图1所示。参考ASHRAE 170标准，所设定的通风率为6ACH（每小时换气）。空气从车厢顶部进风口（左侧入口）进入车厢内部，温度为20°C，然后通过安装在车厢顶部上的格栅（右侧出口）离开地铁车厢内部。地铁客车顶部送风、回风，加工安装方便，流场分布较均匀，基本能满足乘客的舒适性。假设车厢在四个侧面及其底部被热隔离，车厢和外部之间的热交换是在车厢顶部进行的。

图1：地铁车厢模型

2 COMSOL物理分析

2.1 流体轨迹仿真分析

在建立模型后，主要运用COMSOL软件进行仿真分析。在其中使用“湍流”的物理方法来模拟地铁车厢内部自然对流和强制对流的气流，用物理学解决了空气耦合的Navier-Stokes和连续性方程以及热的对流扩散方程。采用具有一致稳定度的k– 湍流模型用于求解湍流。对于气体组织的研究，主要对车厢进行了三维建模，对模型求解时为了更好观察到仿真结果，进行了求解配置，使网格划分更为细致，可以一边求解一边绘制结果图，以便更好观察流体轨迹变化。

2.2 流体温度仿真分析

为了提高乘客乘坐的舒适度，通过传感器检测地铁车厢温度的实时变化，使用了“流体传热”物理方法，进行了仿真实验，得到了冷空气从进风口进来后的轨迹变化图，根据其在人体周围的分布情况间接判断乘客的舒适度。

2.3 粒子轨迹仿真分析

为了模拟由患者引起的传染性颗粒释放，主要使用了“流体流动的颗粒追踪”物理方法。在地铁车厢室内进行空气流动后，这种物理方法会追踪微粒使得对颗粒有更直观的观察。细菌的质量初步可以忽略不计，假定在咳嗽期间释放了100个颗粒，这项研究的目的是观察这100个传染性颗粒在通风系统的作用下在地铁车厢的轨迹分布。

3 结论

3.1 流体轨迹分布

从图2中可以看出，新鲜空气从车厢顶部左侧入口的进风口进入车厢内部后，在车内形成了一条从进风口流向出风口的气流主要通道，使车内的气体速度发生了改变。在流入的新鲜空气作用下，一部分车内空气能够顺着气流主要通道，直接通过出风口排出车厢，而远离气流主要通道的车内气体也能够通过循环逐渐被气流主要通道带到出风口排出，使原车内气体发生了更新和稀释。特别是气流遇到乘客后，离乘客越近，气流的速度越快，这是由于气流发生了湍流现象，加快了乘客附近的空气流通。

图2：客室气体流速图

3.2 温度轨迹变化图

改变送风温度对车厢内速度场的影响较小，而送风速度的改变对车厢内温度场有较大的影响。从图3可以看出，冷空气从地铁车厢的进风口流入后，大部分从乘客上方往出风口流出，小部分遇到乘客后，在乘客周围形成小漩涡。因此乘客上方靠近地铁车厢顶部的区域温度较低(冷空气空气密度相对较低)，乘客周围的温度相对舒适，没有随着气流的循环发生较大的变化，能够使乘客保持一定的乘车舒适感。在气流组织优化后，人员活动区域的热舒适性得到显著改善。

图3：车厢温度分布图

3.3 粒子轨迹运动

在图4中可以看出人体释放出传染性颗粒在地铁车厢的通风系统作用下的粒子分布轨迹，一部分通过通风系统从地铁车厢的出风口排出，另一部分在通风系统的作用下，跟随气流流动。当然也会有一部分散布在车厢内，但与随气流流动的颗粒相比，其数量可以忽略不计。因咳嗽喷出的粒子在0.5 s内可对周围1.17m的环境形成强烈影响，在5s之后对大部分乘客的影响较小。