基于无叶风扇改造的某型地铁车厢气流组织实验与数值模拟研究

邬春晖，刘淑丽，陈廷森，纪文杰，张少良，陈鸿宽

(1.北京市地铁运营有限公司 运营二分公司，北京，100043；2.北京理工大学 机械与车辆学院，北京，100081)

为缓解城市交通拥堵问题，更好地满足城市人口出行便利的需求，我国地铁建设进入了一个蓬勃发展的新时代。地铁已经成为人们日常通勤的一种重要交通工具。据统计，截至2020年12月，全国45 个城市已建成地铁线路6 302.79 km，中国已经成为世界上地铁线路总长度最长的国家[1]。广大乘客在享受地铁快速、便利出行的同时，也越来越关注其内部热舒适性问题，而车厢内部气流组织是影响热舒适性的主要因素之一[2-3]。当前地铁车厢普遍采用的上送上回空调送风模式造成车厢内部气流组织不合理，从而导致制冷效果差、冷热不均等问题，难以满足热舒适需求[4-5]。据北京地铁方面统计，2021年1月至5月，某车型共接到多渠道乘客有关温控类方面诉求17 件，其中80%约为热舒适方面的诉求。李俊等[6]通过研究发现，动态送风可以显著改善局部热环境。此外也有研究表明，将风速提高到一定程度，即使在28 ℃的环境下人们也能感到舒适[7]。

因此，研究车厢内部气流组织的优化对提高乘客热舒适性意义重大。当前，地铁车厢正逐步采用幅流风机来改善车厢内热舒适性。幅流风机对地铁车厢内环境的影响引起了研究人员的广泛关注。赵楠[8]采用实测及计算流体力学方法研究幅流风机对车厢内环境与乘客舒适度的影响，结果表明幅流风机可改善车厢气流组织，提高流场均匀度和人体热舒适。何锋等[9]采用实验和计算流体力学的方法研究幅流风机的热舒适，发现采用幅流风机可使地铁车厢乘客整体热感觉降低7.3%、热舒适升高0.76%。然而，本研究中的地铁车辆现有空调风道结构为双空调主机贯通式，主风道、支风道分别位于空调主机两侧，空调送风从灯带外侧由空调送风机排出，若进行风道整体改造，安装传统模式的幅流风机将增加改造难度和高资金投入、改造周期长。因此有必要寻求一种新的技术手段以替代幅流风机。涡轮增压技术是一种提高发动机进气能力的技术，将该技术引入到风扇中可使其进风量从狭小的送风口中增压送出，形成强射流导致周边气流流动[10]。引入该技术的风扇为无叶风扇，较传统风扇相比，其更安全，产生的气流风速更大且更平稳。

本文作者以北京某地铁车厢为例进行车厢内气流组织研究，通过将采用涡轮技术的无叶风扇引入地铁车厢对其进行改造，分析改造前后车厢内部气流组织，并采用速度不均匀系数、空气龄及空气分布特性指标对其进行评价，进而评估该方案的可行性。

1 研究方法

本研究采用实验测试与数值模拟相结合的方法，研究地铁车厢安装无叶风扇改造前后车厢内气流组织分布。实验测试用来为数值模拟提供边界条件，并对模型进行验证，在保证数值模型可靠的前提下，利用数值模拟技术对改造前后车厢内的速度分布、温度分布、空气龄以及空气分布特性指标(ADPI)进行研究。

1.1 测试方案及仪器

在夏季热工况下对原地铁车厢及改造后的车厢内部的温度和风速进行了测试，使用的仪器为“AS8556”风温风速测量仪。由于地铁车厢具有对称性，因此选取3个典型截面(X1=2.5 m；X2=5.6 m；X3=8.3 m)进行测试。根据国际铁路联盟UIC553标准[11]，在每个截面内布置15 个测点，将测点分别布置在距车厢底部高0.1、0.5、1.2、1.7 和2.0 m处，即对应于乘客的脚部、膝部、坐下和站立时头部、头部上方位置，水平位置距左右车厢壁面距离分别为0.5 m，测点布置具体情况如图1所示。

图1 地铁车厢内温度速度测试截面选取及测点布置图Fig.1 Selection of temperature and velocity test section and measurement point arrangement in subway

1.2 数值模拟

1.2.1 控制方程

本研究采用RNGk-ε湍流模型对地铁车厢内空气流动进行求解，求解方程如下[12-13]：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

湍流动能方程:

湍流扩散方程：

式中：t为时间，ui(i=1，2，3，分别对应X，Y，Z)为3 个方向的流速，m/s；uj(j=1，2，3，分别对应X，Y，Z)为3 个方向的流速，m/s；ρ为流体密度，kg/m3；P为压力，Pa；μ为动力黏度系数，N·s/m2；Si为动量源项(如重力，浮力等)；T为热力学温度，K；k为导热系数，W/(m·K)；Cp为比热容，J/(kg·k)；ST为热源项；Gk为由于速度梯度引起的湍流动能产生项；Gb为由于浮力引起的产生项；σk和σε分别为k和ε对应的普朗特数；C1ε和C2ε为经验常数。

1.2.2 模型建立及网格划分

以北京某地铁车厢作为研究对象，将无叶风扇安装在车厢顶部，考虑到车厢的实际布局及客观因素(如安全、稳定等)，无叶风扇呈吸顶式交错安装。车厢内部长×宽×高为16.76 m×2.30 m×2.30 m，该车厢采用上送上回送风方式，送回风口分别设置在车厢左、右两侧呈对称布置，送风口共14个，回风口共4个。送回风口的宽度均为90 mm，长度各有不同，具体尺寸及位置布置如图2所示。为研究无叶风扇对车厢内气流组织的影响，本文建立了2 种模型，分别是改造前(无无叶风扇)和改造后(有无叶风扇)模型，在2种模型下模拟4种不同工况(无无叶风扇、无叶风扇速度为2 m/s、无叶风扇速度为4 m/s、无叶风扇速度为6 m/s)，如表1所示。

表1 数值模拟工况表Table 1 Table of numerical simulation of working conditions

图2 地铁车厢空调送回风口布置位置及尺寸图Fig.2 Air conditioning supply and return air outlet layout location and size chart of subway

以该地铁车厢为计算模型，并对该计算模型进行简化：1)忽略车厢内吊环、扶手、LED 显示屏等细微结构；2)对车窗、车门、座椅、送回风口等做适当简化。数值模拟计算采用如图3所示网格。为了获得准确的计算结果，并节省计算成本，本研究采用混合网格(非结构网格和结构网格)对车厢进行离散化处理，车厢安装无叶风扇处由于形状复杂故采用非结构网格，其余空间采用六面体结构网格。为排除网格数目对计算结果的影响，本研究分别采用网格数目为312 万、430 万和569万这3种不同网格数目进行网格独立性分析，以代表线L(8.35 m，1.15 m，Z)为例进行速度比较，结果如图4所示。综合考虑计算成本与精度，本模拟研究选择网格数目为430万。

图3 计算网格划分Fig.3 Computational Gridding

图4 网格独立性分析[代表线L(8.35 m，1.15 m，Z)]Fig.4 Grid independence analysis [represented the line of(8.35 m,1.15 m,Z)]

1.2.3 边界条件

本研究所选择的是夏季工况，数值模拟边界条件根据实地测试得出。送风口采用速度入口(velocity inlet)，方向垂直风口向内，送风速度为1.15 m/s，送风温度设为294 K；回风口采用速度入口(velocity inlet)，方向垂直风口向外，回风速度为1.95 m/s。车厢壁面采用第三类边界条件，综合传热系数为2.4 W/(m2·K)[14]，车厢两端因分别连接其余车厢，故将其设置为symmetry。

2 结果分析与讨论

2.1 模型验证

为验证数值模拟结果的有效性，本研究从车厢内温度场与速度场分布对模拟结果进行验证。图5和图6所示分别为不同测点下温度与速度的实验值与模拟值的比较。从图5和图6可以发现数值模拟与实验测试结果比较吻合，并且温度吻合度要比速度吻合度高，主要原因是温度变化不明显，测量误差较小，而速度由于受气流影响波动较大，误差相对较高。在本研究中，温度最大相对误差为3.20%，速度最大相对误差为15.38%。就整体而言，该误差在可接受范围内，因此模拟计算结果可靠。

图5 不同测点位置温度的实验值与模拟值的比较Fig.5 Comparison of experimental values with simulated values for temperatures at different measurement locations

图6 不同测点位置速度的实验值与模拟值的比较Fig.6 Comparison of experimental values with simulated values for velocities at different measurement point positions

2.2 速度场分析

“呼吸区”是研究气流组织及热舒适等方面的关注重点[15-17]，ANSI/ASHRAE 标准62.1—2019 中将呼吸区定义为“距离地面0.75～1.80 m 之间的区域[18]。为研究不同工况下车厢内气流分布，选取车厢中心截面(Y=1.15 m)和呼吸区截面(Z=1.7 m)进行分析。图7所示为不同工况下车厢中心截面(Y=1.15 m)速度场分布。从图7(a)可以发现：改造前的地铁车厢在垂直高度方向上气流速度分层明显，即在车厢上部(图中红线标记上方)速度较小，介于0.1～0.3 m/s 之间，车厢下部速度较大，介于0.4～0.7 m/s 之间，气流速度分布不均匀，难以满足乘客热舒适需求。从图7(b)～(d)可以看出：改造后的车厢内速度分层现象减弱，并且随着无叶风扇速度的增加，车厢内气流扰动增强，增强了冷热空气的混合，使得车厢内气流速度分布趋向均匀，尤其是呼吸区域内(图中红线标记下方)。图8所示为不同工况下车厢呼吸区(截面Z=1.7 m)速度分布。可以发现在送风口正下方气流速度较大，而在其他区域速度相对较小。由图8(b)和(d)可知：当车厢内安装无叶风扇进行改造后，无叶风扇的送风速度过小或过大都会导致室内气流组织差，送风速度太小驱动力不足，影响的区域有限；送风速度过大，会有强烈的吹风感。为了进一步评估室内气流的均匀性，分析呼吸面1.7 m处速度不均匀系数。工况一至工况四的气流速度不均匀系数ku分别为0.95，1.04，0.79 和0.70。ku越小，气流分布的均匀性越好。由此可知，改造后车厢内气流均匀性与无叶风扇的送风速度密切相关。

图7 不同工况下车厢中心截面(Y=1.15 m)速度场分布Fig.7 Ⅴelocity field distribution at the center section of carriage(Y=1.15 m)under different working conditions

图8 不同工况下车厢呼吸区截面(Z=1.7 m)速度场分布Fig.8 Ⅴelocity field distribution of carriage breathing zone section(Z=1.7 m)under different working conditions

2.3 温度场分析

由于本研究中考虑的是空载情况下的地铁车厢，无内部热源，因此车厢内部温度场在各工况下差别不大，主要是由气流组织引起的差别。工况一至工况四下车厢平均温度分别为21.95，21.90，21.85 和21.98 ℃。可以看到工况四下的车厢内平均温度最高，工况二下的车厢内平均温度最低。而由2.2节分析可知，工况四的速度分布不均匀系数最小为0.7，工况二的速度分布不均匀系数与工况四的接近。由此可知在空调通风条件下密闭受限空间内速度场及温度场存在一定的关联，而合理的改造需兼顾速度场及温度场舒适性要求。

2.4 空气龄指标

空气龄反映室内各点空气的新鲜程度，是空气在房间内已经滞留的时间，它可以揭示室内空气的流动状态[19]。图9 和图10所示分别为不同工况下车厢内中心截面和呼吸区截面的空气龄分布情况。从图9 和图10 可以发现车厢中部空气龄比两端部空气龄小，主要原因是车厢两端部设有回风口，车厢内混合后的空气从该处流出。观察改造前后车厢内空气龄，发现改造后车厢中部空气龄减小，两端部空气龄有所增大。并且随着无叶风扇送风速度的增大，车厢中部空气龄减小，两端空气龄先减小后增大。这表明无叶风扇的送风速度存在一临界值。为了进一步分析改造前后车厢内空气龄的变化，对车厢内整体平均空气龄与呼吸区平均空气龄进行计算。计算结果如表2所示。可知呼吸区内空气龄比车厢整体空气龄要小，其中工况三空气龄最小，工况四空气龄最大。空气龄越小说明空气越新鲜，空气品质越好，对人越有利，基于这点可知工况三比工况一车厢内空气品质要好。

图9 不同工况下车厢中心截面(Y=1.15 m)空气龄分布Fig.9 Air age distribution at center section of carriage(Y=1.15 m)under different working conditions

图10 不同工况下车厢呼吸区截面(Z=1.7 m)空气龄分布Fig.10 Air age distribution in breathing zone section(Z=1.7 m)of carriage under different working conditions

表2 不同工况下平均空气龄Table 2 Mean age of air under different working conditions

2.5 空气分布特性指标

空气分布特性指标(IADP)是指满足规定风速和温度要求的测点数与总测点数之比，主要考虑的是空气温度与风速对人体的综合影响，IADP越大，代表感到舒适的人群比例越大[20-21]。其定义如下：

式中：IADP为空气分布特性指标；m为ΔTe大于-1.7且小于1.1的测点数；n为总测点数；ΔTe为有效温度差，℃；ti和tn分别为工作区某点的空气温度和给定的室内设计温度，℃；ui为工作区某点的空气流速，m/s。

在本研究中，为了进一步分析各工况下车厢内气流组织性能，选择IADP进行评价，考虑呼吸区内所有符合温度与风速的计算测点与总测点。各工况下的IADP计算结果如表3所示。从表3 可知：工况三的IADP最高，较改造之前即工况一提高了11.09%，对应的乘客热舒适也将提高。

表3 不同工况下车厢内空气分布特性指标(IADP)Table 3 IADP of subway carriage under different working conditions

3 结论

1)无叶风扇能有效提升地铁车厢内部空气品质。采用无叶风扇能减弱车厢内速度分层现象，并且随着无叶风扇送风速度的增加，气流扰动作用增强，车厢内速度分布趋向均匀，工况一到工况四的速度不均匀系数ku分别为0.95，1.04，0.79和0.70。

2)地铁车厢内部中心区域空气龄比车厢两端空气龄小，中心区域空气龄集中在40～100 s 之间，而两端空气龄大多在100 s以上。

3)合理的改造能有效改善地铁车厢内气流组织，在本文研究的4个工况中，从综合速度不均匀系数、空气龄、空气分布特性指标3 个指标评估，工况三形成的气流组织对热舒适的改善性能较好。