地铁客车空调送风风道及客室内气流组织优化研究

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This research proves that it is feasible to analyze and optimize the air distribution of the air duct and the passenger car by using the numerical analysis method. The conclusions offer some guide for the future design of air-conditioning ventilation system for the metro car. Keywords: metro car; CFD simulation; air duct; air conditioning and ventilation; air distribution
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1.1 课题研究背景及意义
随着国民经济的持续发展和城市化进程的加快，城市交通拥挤、交通阻塞现象日 趋严重，“乘车难、行车难”已经成为大中城市普遍存在的社会问题，根据国外经验， 发展地铁交通是解决城市交通拥挤的有效措施之一[1, 2]。目前地铁的概念已由单纯的 城市地下交通扩展成为包括地下、地面、高架在内的各种城市轨道交通。通过国外一 些城市的实践已日益证明发展城市轨道交通是有效地解决城市交通拥挤的重要措施 之一。城市轨道交通作为一种现代化交通工具，具有运量大、速度高、低污染、少占 资源、低能耗、乘坐方便、安全舒适等特点，属于绿色环保交通体系，符合可持续发 展的原则，特别适用于大中城市[3, 4]。 城市地铁的迅速发展，人们对地铁车厢内的舒适状况和空气品质的要求越来越 高，地铁列车空调通风系统作为为乘客提高舒适的乘车环境的必要硬件设备，合理的 空调通风方案能有效地改善乘客的乘车舒适性。分析空调、通风系统的布置对车厢内 空气品质和热舒适状况的影响，研究空调客车内温度场与速度场的分布特点，提出相 应的改进措施，对指导地铁客车内空调通风系统的设计将有理论价值和现实意义。 近几年计算机技术的发展，计算流体动力学技术（CFD）受到人们的青睐，这种 方法也广泛用在暖通空调领域。传统的地铁列车通风风道设计主要是采用经验的设计 方法，然后通过试验对风道的性能进行考察，设计周期长，试验费用高，风道内部流 场复杂，三维流场的测试非常昂贵。利用计算流体力学方法对空调通风风道内部流场 流动特性进行分析，同时对室内空气流动的速度场、温度场等进行模拟和预测，从而 得到室内速度、温度等物理量的详细分布情况，这对改进和优化风道设计，提高车室 内环境的舒适性有着十分重要的理论价值和现实意义。
华中科技大学 硕士学位论文 地铁客车空调送风风道及客室内气流组织优化研究 姓名：王柳 申请学位级别：硕士 专业：制冷及低温工程 指导教师：陈焕新 20080605
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摘
要
随着我国地铁建设事业的迅速发展和人们生活水平的提高，对客室内环境的舒适 性提出了更高的要求。地铁空调通风系统设计主要参照铁路空调通风系统的设计标 准，缺乏设计经验，因此需根据地铁自身运行及工作的特点，提出适合地铁空调通风 系统的设计方案。 本文以某地铁续建项目空调通风系统为研究对象，利用数值计算的方法，使用 CFD 专业软件，采用经过浮升力修正的 k-ε 两方程模型和 SIMPLE 算法，对风道内空 气流动特性及客室内温度场、气流场进行研究分析。 首先，采用数值模拟与实验研究相结合的方法，对风道内空气流动特性及出风口 的送风均匀性进行研究。模拟分析风道内的湍流流场，并对模拟结果进行实验验证， 模拟结果与实验数据基本吻合。在理论研究的基础上，调整风道内部结构，预测了该 变化对送风均匀性的影响，从而进一步优化风道结构，得到优化方案，指出了数值预 测对风道优化具有重要意义。 然后，针对客车车室选择了三种不同气流组织方式进行了数值模拟，得出了较佳 的气流组织方式。计算过程中，综合考虑车体壁面传热、人体负荷等多种传热过程， 模拟计算结果采用 TECPLOT 软件做后处理，选取典型截面，分析其温度场、速度矢 量场的分布特征，得到流场分布规律，分析对比三种气流组织的优劣，为客室内气流 组织的优化提供理论依据。结果表明，地铁客车顶部送风、回风，侧壁中上端排风为 较理想的气流组织形式， 加工安装方便， 流场分布较均匀， 基本能满足乘客的舒适性。 本文研究表明，使用数值模拟的方法分析地铁空调通风系统，优化其风道和室内 气流组织形式是切实可行的。本文研究结果为地铁空调通风系统的设计提供了参考依 据。 关键词：地铁客车;CFD 模拟;风道;空调通风;气流组织
1.2 地铁空调通风系统研究现状
1.2.1 地铁车辆空调送风风道形式 我国早期修建的地铁车辆内未安装空调，主要依靠通风系统进行客室内通风换 气，随着城市地铁的发展，多数地铁车辆都安装空调系统，为乘客提供更舒适的乘车
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环境。客室内的舒适性很大程度上取决于客室内温度场均匀稳定、流速大小控制合理 的气流组织，能够在客室内形成一个稳定均匀的温度场和速度场。客室内气流组织的 优劣主要取决于送风风道的送风均匀性。目前我国已建成的地铁车辆送风风道主要有 以下三种形式[5]，即大截面准静压送风风道、圆管式车辆空调送风和条缝式静压送风 风道。 对现有文献进行分析表明，对于客车送风风道研究目前主要为铁路客车空调送风 风道的实验研究，对于引起分离、回流等现象的内部结构复杂通道的湍流计算研究不 多。 张吉光，杨晚生，史自强等人[6-12]对铁路客车用等截面静压送风风道的送风机理 进行研究分析，通过对不同送风工况下所测得的静压值与对应送风工况下所确定的理 论静压计算值的比较，分析主风道内静压分布的特点、送风均匀性和阻力损失，并提 出在风道入口后的一定距离加设挡板，消除了负压区的出现，提高静压风道的送风均 匀性，以及提出静压主送风风道应为变截面风道，使静压箱内的静压分布比较均匀， 可适合于各种需要均匀送风的场合。 谈越明[13]对铁路客车装车用的静压风道送风性能进行了对比试验， 提出考虑在主 风道内加阻力板的作用，研制适合于铁路客车软卧、硬卧车的空调送风道系统。 邓建强，靳谊勇等人[14]对铁路空调客车内风道湍流场进行研究，模拟复杂结构风 道内空气三位流场及其送风口送风特性，对风道结构进行了优化，隔板及导流板的高 度及位置对风道送风均匀性的影响。 上述学者对铁路客车用静压式送风风道的流动特性进行了试验和数值模拟研究， 获得了许多有价值的结论，但有关城轨地铁车辆用空调风道的研究未见相关报告。城 轨地铁客车空调送风风道的设计主要参照铁路客车设计规范，缺少设计经验，本文在 分析这类流动共性的基础上，对城轨地铁客车空调通风风道流动的一些特性的内容进 行研究，如通道中的分离、回流等现象，这些特性数值模拟研究不但有很强的工程背 景，而且能得到特性的研究规律，预测可能的流动特性，为今后城轨地铁空调风道的 设计提供理论依据。 1.2.2 客室内气流组织的研究现状 目前，对气流组织的研究主要为空调房间内的空气流场、温度场及污染物浓度场
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Abstract
With the development of railway construction in China and the improvement of living standard, people set a higher thermal comfort. The air-conditioning ventilation system in the metro car is designed mainly according to the design standard of air-conditioning ventilation system in the railway car without design experience, therefore, we need put forward a designing approach to this system based on the characteristics of the operation and the work environment itself. The air-conditioning ventilation system of a metro continued project was studied by the numerical calculation method in the thesis. The air flow inside the duct ,the temperature and flow field in the subway air-conditioning compartment was simulated by computational fluid dynamics and the professional software, which adopts the standard 3D incompressible k- ε two-equation turbulence model which modifies the item of buoyant effect and SIMPLE algorithm. First, the air flow in the duct and ventilating uniformity via air supply channel was studied by numerical simulation with experiment investigation. Turbulent flow field in the duct was simulated and analyzed by comparison the computational results with the experimental ones，and the numerical calculation was validated by the experiment result. The internal structure of the duct was adjusted based on the theoretical research result, and the influence on the supply air uniformity was predicted, then, the structure of the duct was optimized above analysis. Three different air distribution methods were simulated in the passenger compartment. And the best air distribution method was obtained for this kind of car. In the calculation, many kinds of heat transfer was taken into account such as the heat transfer of walls and the heat transfer radiating from human body, and so on. The numerical stimulation result was post-processed by software TECPLOT, and the distribution characteristics of the temperature field and velocity vector field is analyzed in order to obtain the flow distribution rules. By comparing the advantages and disadvantages of the different air distribution methods, theoretical basis for optimization air distribution design is provided. The result shows that upper air supply, upper air return and middle air exhaust is an optimal air distribution method.