两种送风方式下车内气流组织与热舒适性研究

空调列车车厢内的气流组织形式与乘客的舒适性问题直接相关^[1]，而气流组织的影响因素有车厢结构、车内桌椅的位置和空调送回风形式等，在车厢结构和车厢内设施已经确定的前提下可以通过对控制送回风方式来达到车厢内气流的合理分布。对于气流组织研究的传统方法是实验方法或射流理论，但耗费大且效率低，随着计算方法的改进和计算机速度以及容量的提高，计算流体力学(CFD，Computational Fluid Dynamics)模拟在列车空调领域已经得到一定应用^[2][3]。本文通过对两种送风方式下的空调车厢内的气流组织进行模拟以确定合理的送风方案，研究中综合考虑了障碍物、太阳辐射、人体散热以及车速的影响，所得结果能够反映列车在实际运行条件下的车内环境。

1 问题简介

1.1 研究对象及内容

我国新研制的270km/h新型高速空调列车由于车体结构的改变采用了与以往不同的空调方式，送回风口的位置和送回风方式也有了较大的改变。本文是在车厢结构以及送回风口位置及尺寸已经确定的前提下采用CFD方法对两种不同的送风方式：水平对送和垂直下送进行研究比较，根据气流组织以及舒适性条件选择最佳的送风方式。

1.2 车厢几何结构及其简化

图1为车厢的简化模型，除座椅之外整个车厢结构是左右对称的。车厢顶部是两排条缝送风口，回风口设置在行李架下，座椅下排风。考虑到车厢在长度方向上前后两端是完全对称的，所以选择只对其中的半节车厢进行计算，在车厢截面上施加对称边界条件，这样在不影响最终结果的前提下大大减少了计算量。

1.3 边界条件的处理

夏季室外设计温度35℃，室内设计温度为25℃，送风温度17.8℃，风口送风速度为1.3m/s。

湍流模型选择标准模型，入口紊流强度0.012，风口比例因子0.006，其它参数的处理取室内紊流模拟常用的默认值。

图1 车厢简化模型

对于太阳透射辐射对车内固体表面的影响，采用Monte Carlo法^[4]计算了太阳辐射在车内各表面上的分配，将计算结果作为附加的热流密度条件施加到每个表面上。

在确定车内太阳透射辐射热传递过程时，作以下假设：（1）车内空气是辐射的透明介质；（2）车内各表面的温度场恒定；（3）各表面的吸收率保持不变；（4）除玻璃之外车内各表面均视为漫灰表面，且表面物性均匀。

所选的物性参数为：玻璃的折射率为1.5，漫灰表面的吸收率为0.85。太阳辐射强度以武汉地区为准。

车身围护结构的外壁面不仅受太阳辐射的直接作用，还与外界环境空气之间进行对流换热，所以计算时采用壁面日照综合温度来处理车身外壁面与环境的热交换，同时考虑了冷桥的影响，对流换热的速度计算条件取列车时速为270km/h。

考虑人体散热，在每个座椅的椅背上施加了100W的热流密度模拟人体的影响。

在车厢长度中心面上施加对称边界条件，由于只对客室进行研究，其端部不直接同车外进行热交换，为绝热边界条件。

2 CFD模拟结果分析

2.1 气流组织分析

两种送风形式下的速度场和温度场在车厢长度方向上受座椅影响，变化比较有规律。图2为水平对送方式下1.2m高度处的水平速度场，图中左侧等值线在壁面处终止是因为施加了对称边界条件的缘故。图3为水平对送方式垂直截面上的速度矢量图，由于该截面取在两排座椅之间，所以图中显示的气流没有受到座椅的阻断。

下面从数值上对两种送风方式进行比较，垂直下送方案的送风已经影响到乘客的活动区域，1.5m高度处的最低温度为23.9℃，且在车厢左右两侧有两大块速度最大值超过微风速0.25m/s要求的区域，在此区域内乘客会产生明显的吹风感。而且送回风略有短路，导致回风温度较低，车厢内整体温度偏高，高度方向上温度梯度较大。相比之下，水平方式的送风由于先在车厢顶部进行了混合，温度场要比较均匀，在1.5m高度处的最低温度为24.4℃，虽然微风速在车厢中心一小部分略有超标，最大风速也仅为0.3m/s。

图2 水平对送方式1.2m高度速度场

图3 水平对送方式垂直截面速度矢量图

以上只是根据速度场和温度场的模拟结果得出的直观结论，接下来用通常采用的评价空间内均匀性的空气分布特性指标^[5]（ADPI，Air Diffusion Performance Index）来对两种送风方式下的气流组织进行衡量。该指标综合考虑了空气温度、气流速度和人的舒适度三方面的因素，反应了由于气流运动产生的有效通风温度（Effective Draught Temperature）对热舒适性的影响。

有效通风温度又称有效温度差，定义如下：

　　　　（1）

其中：

――测点处的温度，℃

――平均温度，℃

――测点处的空气速度，m/s

如果空间内某测点的有效通风温度在一定的范围内（-1.7℃和+1.1℃之间）且该处的空气速度必须低于特定的值（一般为0.35m/s），那么该点符合要求，符合要求的点在所有测点中所占的百分比就是ADPI指标，即：

　　　　（2）

该数值越大表明热环境均匀性越好，如果ADPI=100%，表示所有人员都感到舒适；一般情况下只要ADPI达到80%，即可认为是满意的气流组织效果。

在人体活动区域内对计算结果在空间均匀采样，同时要求采样点应该距座椅和墙壁在0.1m以上，这样通过得到的计算结果对两种方案的ADPI指标进行对比，水平对送方案的ADPI值为82%，满足均匀性要求，而垂直下送方案的ADPI值仅为74%，因此，从气流组织方面看来，水平对送方案要优于垂直下送方案。

2.2 热舒适性评价

用CFD方法对车厢内气流组织进行研究的主要目的是提高车厢内乘客的热舒适性，下面就对两种送风方式下的车内热舒适性及其均匀性进行评价。

选用国际标准化组织(ISO)于1984年公布的ISO-7730标准^[6]所采用的PMV ^[7] ( Predicted Mean Vote) 指标来进行评价，该指标应该是目前应用最广泛的评价中性室内热环境舒适性的指标，通过以表1所示的热感觉分级法确定人群对热环境的平均投票值，着重于考察基于相同的着装和活动量的人群对于同一热环境的反应。根据ISO-7730标准规定，舒适性环境的PMV值范围应该在-0.5~+0.5之间。

表1 热感觉分级标准

计算PMV值，首先需要估计人体的活动量（新陈代谢率）以及衣着（服装热阻），然后根据测量或者CFD模拟所得的空气温度、平均辐射温度、空气相对速度和水蒸气分压力来进行迭代计算，由于涉及的公式较多，在此不再一一列出，可参考文献[6] [7]或Butera^[8]关于热舒适的综述性论文。

在接近于舒适的中性温度条件下湿度对热感觉的影响很小，计算时其影响通常忽略，取50%即可。

衣着的计算按如下条件：乘客身着轻装，包括薄汗衫，长腿内裤，长袖上衣和普通长裤。活动量按静坐放松时计算。

同样在人体活动区域内按空间均匀取点进行计算，将计算结果进行统计分析，得到水平对送方案的PMV平均值为-0.038，标准差为0.215；垂直下送的PMV平均值为0.056，标准差为0.248。两种方案的热舒适性均在规定的-0.5~+0.5之间，只是垂直下送方案的环境热感觉要稍热一些，由于标准差较大，均匀性也较差，这与前文根据ADPI指标得出的结果是一致的。

3 实验验证

考虑到列车实际运行时情况的复杂性，很难进行气流组织的实车实验，也不可能在实验室内实现所有的影响因素，所以这里我们根据方案对比的特点，将对两种方案都有影响的共同因素进行了适当简化，采用空态实验的方法在列车空调1：1实验台上对两种方案进行了测试，在保持其他因素完全相同的情况下应该能够反映出方案之间的差异。

图4 温度值比较(高度1.2m)

图4表示在1.2m高度上两种送风方案沿车厢宽度方向的温度值比较，可以看出除了最外侧由于受车厢边壁的影响温度稍高之外，水平对送方案的温度相当均匀。而垂直下送的温度场中心处温度较高，整体温度也高于水平对送方案，只是靠近边壁处由于受送风影响温度略低。可以看出水平对送方案要优于垂直下送方案，这与前文根据CFD模拟得出的分析结果是一致的。

4 结语

CFD模拟中考虑了多种因素的影响，这些因素条件无论在理论研究还是实验中都是很难实现的，这是CFD方法的优势所在。模型实验虽然进行了一定的简化，但是两种方案之间还是具有可比性的，也得到了与CFD方法一致的结论。根据本文得出的结论，采用水平对送方式的空调列车在投产并进入试运行阶段之后，空调性能反映良好。

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