张 风 琴  济南铁道职业技术学院                250013
王 智 伟  西安建筑科技大学环境与市政工程学院  710055
李军      山东商业职业技术学院
摘  要  本文以高速列车中的软座车作为研究对象，提出了下送风用于高速列车空调的一种方案，并利用PHOENICS软件对该方案的流场进行了数值模拟与典型断面的PMV值计算。
关键词   空调客车    舒适性    数值模拟    下送风    PMV值
Numerical  simulation  on  the flow  field  of
displacement  ventilation  in  a  railway  air-conditioned  car
Abstract  The objecet of this paper is the high-speed railway air-conditioned car.It puts forward a kind of scheme and idea of displacement ventilation using in high-speed railway air-conditioned car, makes numerical simulation on the flow field of the car and calculates the PMV value of the typical section.
Keywords:  railway air ?conditioned car     numerical simulation
displacement ventilation     PMV value
1 前言
在铁路客车空调中，通风占有重要的地位。车内空气质量的好坏，在很大程度上取决于通风的质量。目前客车通风的形式基本属于混合式通风[1]。送风从车体两侧垂直向下，经与车内空气混合后，以较小的速度送入工作区。众所周知，由于空气龄较长，系统排出污染物的能力较差，不利于空气保持新鲜。有关的调研资料表明，乘客对车内空气品质不够满意，有恶心等不良感觉的人竟然占到被调查人数的一半左右[2]，说明车内空气污染物超标，新风量不足。同时，也可看出通风方式及通风设施设置不合理。应予以改进。而目前关于客车通风的研究工作只限于消除吹风感，以及使客室内温湿度保持均匀等方面。本文的目的是试图利用置换通风来解决目前车内空气质量差的问题，提高铁路空调客车的竞争力。
2 高速客车通风情况及需要解决的问题[3]
国内研制的高速列车正处于起步阶段。车内通风也属于混合式通风。送风从车体两侧垂直向下，风速为0.86 m/s。经与车内空气混合后，速度迅速衰减，以0.15m/s左右的速度送入工作区，以保持较小的微风速。列车高速运行时，在两车交会或客车穿过隧道时，因气压变动，旅客会感觉“耳痛”，这种现象称为“耳鸣”。经研究，压力变动与速度的二次方成正比，所以乘坐高速列车容易发生耳鸣。国内外一般通过增强列车的封闭性能来解决此问题。由此，更需要控制空调系统的送风质量来保持车内的空气新鲜。
3置换通风的原理[41]
将新鲜空气低速（约0.25m/s）直接送入工作区，并在地板上形成较薄的空气湖，空气湖是由较凉的新鲜空气扩散形成的，当室内热源(人员及设备)产生向上的热气流(对流气流)时，新鲜空气随对流气流向室内上部流动形成室内流动的主导气流，排风口设置在房间顶部,将污染空气排除。这样，工作区的热气流被进入空气所置换。
与混合通风相比，置换通风由于送风直接送到人的工作区，有利于污染源的排出，因此空气品质更为新鲜，且置换通风消除的是工作区的负荷，具有明显的节能效果。
但是，铁道空调客车客室内障碍物多，人员密集，且热源均布，使用置换通风是否可行，目前还没有过具体的尝试和成功的经验。
4置换通风用于高速列车空调的数值模拟

图1     研究区域的确定
4.1  研究对象
 本文的研究对象为新造270km/h高速列车——二等软座拖车，车内定员98人，（分二人座侧、三人座侧），采用钢结构车体。车厢长18.794米，沿纵向布置10个窗户，宽1.35米，窗户间隙0.5米，两端的窗户距车厢端部0.4米。列车是一个移动的建筑物，座车中乘客大部分时间处于坐姿，因此工作区高度可认为是1.2米。客室高度约为2.3米，具有使用置换通风的基本条件。本文只针对夏季工况进行分析，以客室内部作为计算区域。
4.1  研究区域的确定
本文在计算前对研究区域进行了简化。在实际的模拟中，通过车厢纵向中心面将长度方向分成两个对称的部分，计算时只对其中的一半进行模拟。这样既减少了工作量，又可以减少由于车厢长宽比过大引起的误差。
4.2  边界条件的确定
客室端部（端门与内侧墙），因不直接与车外进行热交换，视为绝热边界；
计算中所取的另一侧端面（假想端面）视为绝热边界；
车顶、车底与车体侧壁受室内外温差作用，对车内产生热负荷，将该热负荷做定热流处理。
本文流体按单相处理，不考虑湿度的影响，只将温度、速度场作为研究对象。
空调工况参数：送风量44003/h，置换通风要求在低速条件下送风，在风量一定的情况下，风口尺寸要有相应的变化；又因为直接送入人的工作区，故要求温度不宜过低。
取风口面积为1.35×0.30，共20个风口，送风温度为18℃。
4.3数学模型及求解[51]
本课题在紊流主区采用K/ε模型，但由于有浮升力的存在，所以在K, ε方程中要考虑浮升力的影响。在壁面附近粘性支层中,采用壁面函数法。
控制方程的通用形式为 ：

（1）

式中:
Ф：表示通用因变量；
Г：表示任意变量的扩散系数；
 ：表示任意变量的源项。
网格划分采用不均匀网格，主要考虑座椅、椅背等固体障碍物的影响。在划分网格时首先考虑固体障碍物及进排风口的位置，并将靠近它们及壁面处的网格划小，在其他区域尽量使网格均匀。
人在室内要占据一定的空间，由此对气流运动要产生一定的影响。本文将人体散热处理为二人组及三人组的面热源。
确定以下送风方式为研究对象。
 　　图2 送风模型图
其中，送风口设在距离地面0.43米处，设20个风口，面积为0.3*1.35ｍ，风速0.15ｍ／ｓ，两侧送风，顶部两侧出风。X方向取两侧与中间共三个断面（见图1A-A、B-B、C-C）进行研究，Z方向分别取高度为0.1m、0.5m、1.2m、1.7m处的数值，Y方向对应于左右侧座椅中间位置进行研究。

5 模拟结果分析
取每个截面两侧座椅中间处的温度数值的平均值作为每截面的温度数值列成图表，其结果如图3。
5.1典型断面流场分析
从图表中可以看出，由于热源分散且左右两侧热源不均等，温度分层不够明显。但除了车厢壁面附近以外，工作区两侧温度差别不大，垂直温度梯度小，所以没有明显的温差感觉，对于人体的舒适性影响不大。B-B截面工作区平均温度为24.6℃,排风温度为25.2℃,工作区平均风速为0.16m/s,由于热压不均衡，左侧送风口处速度略高，为0.33m/s,但很快衰减，在上升热气流作用下进入工作区，至出风口处风速增加，但对工作区没有影响。

 

图3 温度模拟结果

经观察,各断面的温度分布类似,故以B-B断面为例，进行流场及舒适度的分析。

 图4   送风温度为18℃时B-B截面处的速度立面图

5.2  舒适性分析 [6]
根据Fanger教授的热舒适方程式，
PMV=(0.303e-0.036M+0.028){M-W-3.05*10-3[5733-6.99(M-W)-Pa]-0.42[(M-W)-58.15]-1.7*10-5M(5867-Pa)-0.0014M(34-ta)-3.96*10-8fcl[(tcl+273)4-(trp+273) 4]-fclhc(tcl-ta)}                                              (2)                                                                 
式中，
M—人体能量代谢率（w/m2）；
W—人体所作机械功（w/m2），在静坐和平地活动时为0；
Pa—空气水蒸气分压力（Pa）；
ta—周围空气温度（℃）；
trp—房间平均辐射温度（℃）；
fcl—穿衣面积系数；
tcl—衣服外表面温度（℃）；
hc—对流换热系数（w/m2k）
另有，
tcl=ts-Icl(R+C)
Icl—服装热阻(clo(m2?ｋ/w))；
R—人体外表面与周围环境的辐射热交换（w/m2）；
C—人体外表面与周围环境的对流热交换（w/m2）；
ts—人体平均皮肤温度（℃）。
PMV值与热舒适感觉的对应表：
 热 暖 微暖    适中 微凉 凉    冷
PMV值 3 2 1 0 -1   -2 -3
本文利用PMV指标进行了舒适度的评价。
5.3  车厢特征断面的PMV分析
本文选取B-B断面 ,作为车厢内热舒适性分析的特征断面。PMV中M取 58.0w/m2;Ｗ取 0w/m2,Icl 取 0.5clo( 0.08m2?ｋ/w) ; trp可近似等于车厢内平均温度，Pa值由《标准大气压时不同温度下的饱和水蒸气分压力Ps值》查得饱和分压力值，然后按相对湿度为60%得出。
 图5  B-B截面各特征高度的PMV值

由上图可以看出，当送风温度为18℃，速度为0.15m/s时，除0.5m高处受送风的影响，PMV值有所下降外，其余高度处基本在-0.1——0之间，有凉快的感觉，符合舒适性的要求。

5.4  改变送风温度与送风速度时的温度场与速度场分析
5.4.1  改变送风温度时的模拟结果
保持送风速度0.15m/s,观察改变送风温度时流场的变化情况。
模拟结果显示，19℃较18℃送风时风速变化不大，温度略有上升，工作区仍保持较为舒适的感觉；但到20℃时左侧超过27℃的点增多，超过高速列车设计任务书的要求，不宜采用。而送风温度低于18℃时右侧低于23℃的点增多，乘客容易感凉。总之，送风温度在18℃、19℃较为适宜。
5．4．2改变送风速度时的流场变化情况
将送风速度改为0.2m/s，观察流场的变化情况。
结果表明，提高送风速度为0.2m/s时，送风温度为19℃，右侧低于23℃的点增加很多，且0.5m高处风速超过0.3m/s的点也相应增加，不舒适程度增加；而若采用送风速度为20℃，整场速度增加不多，但由于温度相应提高，却是一种相对较为舒适的组合。
   总之，由于置换通风送风直接送入人的工作区，送风速度提高不宜太大，在0.2m/s左右即可。送风速度在0.15m/s时，18℃、19℃送风较为合适，而风速为0.2m/s时，20℃送风较为合适。相对于混合通风来说，提高了空气品质。
6  结论
1.下送风用于铁路客车在我国尚无实际应用。由于新鲜空气直接送入人的工作区，对于改善空气品质有积极的意义。
2.送风速度在0.15m/s，送风温度在18℃时PMV计算有很好的舒适感，19℃时热舒适感仍较好。增大送风量时，送风温度应相应提高。
当然，本文的下送风方案，还有不尽完善之处，需要在以后的研究中优化。
参 考 文 献
1. 詹耀立主编：客车空调装置，北京：中国铁道出版社，1999
2．张桂荣：铁路客车空调气流组织的模拟与评价，西安建筑科技大学硕士论文，2001.6陈焕新等：铁路空调客车负荷的确定，中国铁道科学，2002（5），60-64
3．列车舒适度的评价，铃木，浩明等（日），国外铁道车辆，1999（2），26-32
4．马仁民：通风的有效性与室内空气品质，暖通空调，2000（5），20-23
5．陶文铨编著，数值传热学，西安交通大学出版社，2002年
王利，陆震等：铁路空调硬卧车客车室内气流组织的数值模拟,上海交通大学学报，2002（11），1579-1582
6．钱以明：高层建筑空调与节能，同济大学出版社，1995，8

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