瞬态环境轨道交通客车乘员人体热舒适分析

2021-10-04刁雷何锋赵京

农业装备与车辆工程 2021年9期

刁雷，何锋，赵京

（1.550025 贵州省贵阳市贵州大学机械工程学院；2.550025 贵州省贵阳市贵州航航科技有限公司）

0 引言

地铁列车乘员热舒适随车厢空调送风系统热流场改变而变化。张建平[1]以B 型地铁半节车厢为模型，以不同的送风角度及回风情况工况对车厢内气流组织进行数值模拟；柳禹羿[2]采用人体模型第三类边界，对车厢内气流组织进行数值计算，并利用 ADPI 热舒适性评价；胡滋艳[3]结合PMV-PPD 评价法对车厢乘员进行了人体热舒适分析。徐雯和王瑞君[4]采用模糊综合模型对乘员的热舒适性评价，优化设计装甲车辆空调舱内气流组织，为空调舱送风控制提供相关理论依据。目前，人体热舒适性评价通常借用适用于稳态、均匀热环境的PMV-PPD 评价法。地铁车厢环境复杂多变，呈现热环境高度不均匀；Fiala[5]对大量的热舒适实验的热舒适模型进行回归分析发现，控制整体动态热感觉的3 个生理变量分别是皮肤温度、核心温度及皮肤温度变化率。开发出一种数学模型，其预测人体热响应以及稳态和瞬态条件下的热感觉；Stolwijk[6]等提出人体生理温度调节模型，将人体分为14 个节段，每个节段均有肌肉层、核心层、脂肪层及皮肤层。Zhang[7]等基于非均匀和瞬态条件下人体实验测试，建立了局部热舒适、人体局部热感觉、整体热感觉与整体热舒适模型人体热舒适预测模型，但目前鲜有该模型在轨道交通领域应用。

针对B 型地铁列车乘员车厢空气循环导致人体热舒适不佳，结合瞬态热舒适模型对不同新风进口温度及不同进口风量下人体热舒适进行对比评价。对进一步推进优化车厢送风控制、气流循环和节能有着重要意义。

1 热舒适理论

Berkeley 人体热舒适模型中局部热感觉指标计算

式中：Ts1——局部皮肤表面温度，℃；S1——局部热感觉；Ts1s——设定的局部皮肤表面温度，℃；Tsas——设定的平均温度，℃；Tsa——平均皮肤温度，℃；Tc——核心温度，℃；C1，K1，C2i，C3i——常数回归系数；t——时间，s。

局部热舒适指标公式为：

式中：S0——整体热感觉绝对值；C3，C6，C7，C8，n——常数回归系数，其中，整体热感觉正负不同时，C3和C7数值不相同；其中，

式中：Wi——各部位影响权重。

一般情况下，整体热舒适取两个最低局部热舒适度平均值。

2 数值计算

2.1 计算模型

如图1 所示，建立半截车厢，车厢总长、宽、高分别为9.9，2.1，2.8 m。各风口按实际尺寸及位置布置。简化两侧送风口；顶部设回风口4 个；布置2 个废排风口在地铁顶板，条缝型废排风口设于列车底部。

图1 车厢及人体模型图Fig.1 Carriage and manikin

2.2 网格划分及边界条件

如图2 所示，利用STRA-CCM+几何清理，表面重构选择高质量三角形，人体表面使用棱柱层及细化网格50%，网格类型选用多面体网格，整体网格数量42 万。

图2 1/2 车厢网格Fig.2 1/2 carriage grid

选用Realizable k-ε湍流模型，地铁处于地下，忽略太阳热辐射。车厢内流为低速受限流动，选用Boussinesq 重力模型。半截车厢进口风量为4 000 m3/h，回风量2 350 m3/h，废排风量1 650 m3/h。入口边界条件设置为质量流量入口，回风口设置为+y 轴质量流量入口，数值为0.193 2 kg/s。出口边界条件根据废排风量设置为压力50 Pa 目标质量流量压力出口。人体热调节模型采用Stolwijk的人体生理温度调节模型，TCM 乘客设置根据实验所测设置。TCM 边界设置相对湿度保持40%，外部对流列车参考车75 km/h，外部总温度35 ℃，车身、车窗及车门设置为对流。热传递系数分别2.4，3.1，4.6 W/m2·K。

3 结果与分析

3.1 实验与数值计算对比

对乘员位置进行实测。图3 为对比云图。实验云图中，背景环境温度为22 ℃，头部面部因戴口罩，躯干、大腿及脚部因着衣呈现较低温度，实验与仿真皮肤表面温度云图基本吻合。

图3 乘员实验与仿真温度云图对比Fig.3 Comparison of temperature nephogram between passenger experiment and simulation

3.2 进口温度的影响

设置进风温度16，20，24 ℃三组工况，送风量均为4 000 m3/h。图4 中，随着进口温度的升高，人体热感觉在各部位也随之升高。其中，头部和小腿部位热感觉较高，说明乘员感觉到更热。除躯干外，人体其余部位在各工况下均处于正值。人体四肢对于进口温度的改变比较敏感，说明头部、躯干等部位热感觉受进口温度的影响较小。

图4 不同进口温度乘员局部热感觉对比Fig.4 Comparison of local thermal sensation of passengers with different inlet temperatures

如图5 所示，随着进口温度的降低，人体局部热舒适随之升高。其中，对热感觉最为敏感的四肢热舒适改善较为明显，当人体四肢感受到不舒适时可适当降低送风温度；左下臂随着温度的降低由轻微不舒适状态转变为舒适状态；脚部处于温暖的热感觉状态局部热舒适较高，说明脚部更偏好于温暖的环境；头部和小腿部位则相反。因此，地铁车厢想要改善人体热舒适情况，应加强头部和小腿部位的气流均匀度，使其获得较为舒适的状态。

图5 不同进口温度乘员局部热舒适对比Fig.5 Comparison of local thermal comfort of passengers with different inlet temperatures

局部热感觉和局部热舒适决定整体热感觉和整体热舒适，如图6 所示。夏季条件下，整体热感觉随进口温度的升高而升高；反之，整体热舒适随进口温度而定升高而降低。16 ℃工况下相对于24 ℃工况下，热感觉降低了30.66%，热舒适升高了6.32%。因此，夏季条件下，降低进口温度可降低热感觉提升热舒适。

图6 不同进口温度乘员整体热感觉和舒适对比Fig.6 Comparison of overall thermal feeling and comfort of passengers with different inlet temperatures

3.2 进风量的影响

设置进口风量4 000，6 000，8 000 m3/h 三组工况，进口温度保持20 ℃。如图7 所示，随着进口风量的增大，人体局部热感觉随之升高，脚部除外。人体四肢对进风量的改变比较敏感。相较于进口温度的改变，进口风量的增加使得头部和小腿部分降低热感觉的效果变得明显。结合进口温度的影响，人体想要得到全部位低热感觉，轨道交通客车需加以适当的进口温度和风量。

图7 不同进风量乘员局部热感觉对比Fig.7 Comparison of local thermal sensation of passengers with different air intakes

如图8 所示，人体大部分局部热舒适随进风量的增大而增大，躯干和脚部随进风量的增大局部热舒适减小。这说明局部和躯干更偏好于低进风量。

图8 不同进风量乘员局部热舒适对比Fig.8 Comparison of local thermal comfort of passengers with different air intakes volume

如图9 所示，随着进风量增大，整体热感觉下降，整体热舒适上升。其中，8 000 m3/h 的进风量相较于4 000 m3/h 整体热感觉下降了21.14%，整体热舒适上升了19.92%。由于整体热舒适和局部不舒适相关，车厢中的人体小腿部分局部热舒适最差。提升进口风量小腿的敏感度较高。因此，提升进风量可降低热感觉，提升整体热舒适。