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用F L U E N T 软件对地铁客室内温度场和流场的数值计算用F L U E N T 软件对地铁客室内温度场和流场的数值计算臧运蕾，陈淑玲(北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京1 0 0 0 4 4)摘要：利用F L U E N T 软件对北京D K 7 _ A 型地铁空调客车进行建模，在合理的简化假设条件下，详细描述模型的控制方程，设定适当的边界条件，进行网格划分，确定数值计算方法。采用实测方法分别测量模型对应客室不同高度处的温度和速度，并与数值模拟结果对比以验证模型的正确性。在此基础上对客室内乘客的膝部，坐下和站立时的头部等位置对应的不同高度处温度场和流场进行数值计算，分析各位置温度和速度的分布情况。然后在不同的空调送风温度和送风速度下，对客室内温度场和流场进行模拟计算，对计算结果进行分析比较，最后得出了能够较好得满足客室内空气流速和温度要求，并基本满足乘客舒适性要求的空调送风参数。该数值模拟计算及其结果为地铁及城轨空调客车空调系统的设计提供参考。关键词：地铁空调客车；数值计算；温度场；流场N u m e r i c a lS i m u l a t i o n o fT e m p e r a t u r ea n dF l o wD i s t r i b u t i o ni nM e t r oR a i l c a rC o m p a r t m e n tw i t hS o f t w a r eo fF L UE N TY u n l e iZ a n g，S h u li n gC h e n(S c h o o lo f M c e h a n i e a ke l e c t r o n i ca n dC o n u o lE n g i n 血g，l k j i n g J i a o t o n gU n i v e r s i t y,B d j i n g1 0 0 0 4 4，C h i n a)A b s t r a c t：弧em o d e lo ft h ec o m p a r t m e n to fB c i j i n gD K Z 4u n d e r g r o u n da i r-c o n d i t i o nr a l l c a rW a Se s t a b l i s h e db yt h es o f t w a r eo f F L U E N T T h ec o n t r o le q u a t i o nw a sd c s m i t z d,a n db o u n d a r yc o n d i t i o nw a se s t a b l i s h e d,t h e 断dw a sc o m p a r t m e n t a l i z e da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d 硼sc o n f m n e d U s i n ga l le x p e r i m e n tn M 雹s 删t h et e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yo fd i f f e r e n th i g hi nt h ec o m p a r t m e n ta n dc o n t r a s t e dw i t ht h e r e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt op r o v et h ev a l i d i t yo ft h em o d e l 0 n 也eb a s eo ft h er e s u l t,t h et e m p e r a t u r ea n df l o wd i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n th i g hw h e r ep a s s e n g e r s k n e e sa n dh e a dw h e np a s s e n g e r ss e a t i n ga n ds t a n d i n gW a ss i m u l a t e da n da n a l y z e d T h e n 也et e m p e r a t u r ea n df l o wd i s t r i b u t i o nw a sc o m p u t e da n dt h er e s u l tW a sc o n t r a s t e du n d e rd i f f e r e n ti n l e t st e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t y A n dt h ei n l e t st e m p e r a t u r ea n di n l e t sv e l o c i t yo fs a t i s f y i n gh u m a nc o m f o r t a b l en e e di se d u c e d T h er e s u l tp m v i d e st h er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no fa i r-c o n d i t i o ns y s t e mo fu n d e r g r o u n dr a l l c a ra n du r b a nr a i l c a rk e yw o r d s：m e t r oa i r-c o n d i t i o nm i l c a r；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n；t e m p e r a t u r ef i e l d；f l o wf i e l d减运蕾(1 9 8 0 一)，女，在读硕士研究生。1 5 l第三届工程计算流体力学会议文集1 前言随着人们生活水平的提高和乘坐地铁次数的增多，人们对地铁客车客室内的舒适状况和空气品质的要求越来越高。合理的车内气流组织能有效改善乘客的乘车舒适性。通过对影响客室内温度场和流场不同因素的分析，可以有针对性地对存在的问题加以改善，达到有效利用能源和改善客室内空气品质，提高空调系统舒适性的目的。本文利用F L U E N T 软件，在合理的简化模型下，对不同送风温度和送风速度条件下地铁客车客室内的温度场和流场进行了数值模拟，并对计算结果进行了对比和分析，得出相应结论，为地铁和城轨空调客车客室内气流组织优化设计和舒适性研究提供了理论依据。2 计算模型2 1研究对象以北京D K 7 _ A 型地铁为模拟研究对象。客室内部空间尺寸：长1 9 0 0 0 m m，宽2 6 0 0 m m，高2 1 0 0 m m。全车空调通风系统为上送上回式，送风道采用静压式均匀送风风道，客室送风由沿车长方向布置的条缝式送风口向车内送风。回风通过设在空调机组下方内顶板上的回风口，车内部分空气经由风道回到机组与新风混合，经过冷热交换后，送入车内二次利用。2 2控制方程本文采用七一s 双方程湍流模型。为了简化问题作如下假设：(1)空调客室内空气不可压缩，且符合B o u s s i n e s q 假设，即认为流体密度变化仅对浮升力产生影响。(2)流动为稳态湍流。(3)假设流场具有高紊流R e 数，流体的紊流粘性各向同性。(4)不考虑重力的影响。根据以上假设，空调客车室内空气流动与传热控制方程以张量形式表示如下：(1)连续性方程_ 0 u i：0i _ 1，2，3叙：U i 为不I 司方向上的速度分量。(2)动量守恒方程：掣=寺斟陪+甜两+s U|方程中的不同项分别是对流项，压力梯度项，压力项和源项；U i 为X i 方向上的脉动速度量；S u j 为动量的源项。掣=毒B 旦0 x j p u j h 0 x)+s ha】【j教jIc pJ 咱方程中h 和h 分别为时均静态焓和脉动静态焓；T 为温度，一p u j h 为雷诺流量：S h 为能1 5 2用F L U E N T 软件对地铁客室内温度场和流场的数值计算量的源项【1 1。(4)湍流脉动动能方程(k 方程)胛，考=毒晒+书剖帆等(等+詈)_ 肛c 4，方程中的不同项分别为对流项，扩散项，产生项，耗散项。c r k 为脉动动能的P r a n d f l e 数，其值在1 0 左右。(5)湍流脉动能耗散方程(s 方程)触。毒=去瞄+爿去+等叩。瓦c a u，iI L 叙O u i i+鬻 吨p 譬方程中的不同项分别为对流项，扩散项，产生项和消失项。c l，C 2 为经验常数，7。为湍流粘性系数。湍流粘性系数叩。表达式：仇=c l=址2 而1=c 一肚2 g其中c p=c：c D，c：I c D 0 0 0 9，I 为湍流长度标尺囝。(6)2 3边界条件1 由于客室内的布置方式及气流分布呈对称式，为简化计算，取1 4 个车身的空间为研究区域，将客室中间断面及客室端部边界处理成绝热边界，客室内座椅等障碍物处的粘性系数设为无穷大，客室顶部及两侧壁面、客室地板、内端墙取无滑移边界条件p 1。2 入口边界：以车厢顶部的送风口作为入口边界，送风速度方向沿z 轴负方向。3 出口边界：以车厢顶部的回风口作为出口边界，选择压力出口，按充分发展流动的单向化处理。回风口处的温度和速度根据外界的情况由系统自动定义。4 车体各壁面受太阳辐射和车外热流的作用向空调客室内传热，形成部分车内热负荷，壁面边界条件按第一类边界条件处理，车体壁面平均温度按3 5 计算。5 忽略车门的对流，人体简化相对于座椅的均布热源，热负荷取为1 0 5 w 人【4】。按座位满员整车厢共“人计算，不考虑站立的人。3 网格划分及数值求解方法本文按照风口基本模型进行简化，把所有的送风口按位置简化为位于车厢顶部的6 个矩型开口，尺寸为：7 2 0 m i n x1 4 4 r a m。回风口位于车厢顶部，简化为2 个，尺寸为：3 0 0 m m1 0 5 0 m m。客室内座椅简化为对称分布的矩形形状，沿客室长度方向靠近车厢壁面分布，共8 个，中间4 个大座椅和两端4 个小座椅分别呈对称分布，中间四个座椅的尺寸为6 0 0 0 m m1 5 3第三届工程计算流体力学会议文集X5 0 0 r a m X1 0 0 0 m 矾两端四个座椅的尺寸为2 0 0 0 r a m x5 0 0 m m X1 0 0 0 m m。针对上述模型，对车厢建立直角坐标系，分别以列车长、宽、高作为坐标的X、y、Z 轴方向。以车厢底部一侧的中间位置为坐标原点，车厢简化图及坐标系划分如图l 所示。图1 车厢简化图F i g 1S i m p l i f i e dD i a g r a mo f t h eC o m p a r t m e n t用G A M B I T 进行几何建模和网格划分。在直角坐标系下划分计算网格，在划分网格时，将送、回风口的网格划小，座椅空间不划分网格，车厢内空间的网格均匀划分，网格数1 5 3 4 0 0。应用有限差分法中的控制容积法对方程进行离散，将计算区域划分成许多不重叠的控制容积，并使每个节点周围有一个控制容积，对微分方程在每个控制容积上积分，这样就可以得到一个包含有一组网格节点处的因变量的离散化方程。利用S I M P L E 算法求解离散控制方程。4 模型的验证对不同工况下的速度和温度进行了实测并与数值模拟值比较，以验证模型的正确性。以一个客室为实验对象，利用环境测试仪测试客室内的温度及速度，客室内温度、微风速测点对应于乘客的膝部、坐下和站立时的头部等位置，测点距地板面的高度分别为0 4 m；8 m；1 2 m；1 6 m；2 0 m。取客室内对称的两侧断面，记录为A _ A 面，在每个断面按上述布置测点。为使数据更加准确，取两侧的平均值作为一组数据。当客室内空调送风温度为2 0，送风速度为3 m s 时，客室内的温度随高度而变化，实测值和数值模拟值的对比如图2：当客室内空调送风温度为2 0 C，送风速度为3 m s 时，客室内的速度随高度而变化，实测值和数值模拟值的对比如图3：由以上对比可以看出，对于温度和速度的模拟，模拟结果和实验数据吻合得很好，证明了数值模拟的可靠性，所设模型是正确的。用F L U E N T 软件对地铁客室内温度场和流场的数值计算p捌蒜、一剖娟g篁斟型键控A-1242 0-谗高度(单位：m)图2 客室内的温度随高度而变化的曲线对比F i g 2C u r v eo f D i f f e r e n tT e m p e r a t u r eF o l l o w i n gt h eC h a n g e o f H i g hi nC o m p a r t m e n t32 82 62 42 221 81 61 41 2l0 80 60 40 20A A2 9 22高度(单位：m)+模拟值j一蛮验值1图3 客室内的速度随高度而变化曲线对比F i g 3C u r v eo f D i f f e r e n tV e l o c i t yF o l l o w i n gt h eC h a n g e o f H i g hi nC o m p a r t m e n t5 数值计算及分析取1 4 个车身长度的空间为研究区域，计算空调送风温度t=-2 0*C，送风速度v=3 m s 时，客室内温度场及速度场的分布。图4 送风温度t=-2 0 C，送风速度v=3 m s 时1 4 车厢内的温度分布(单位：K)F i g 4I n l e tT e m p e r a t u r et=2 0。C，I n l e tV e l o c i t yv=3 m s，t h eT e m p e r a t u r eD i s t r i b u t i o no f1 4C o m p a r t m e n t(U n i t：K)1 5 5驼虬凹勰船舶孙孔嚣控n加j晕辞|)增毯覃g晕制世挺攫第三届工程计算流体力学会议文集图5 送风温度仁2 0。C，送风速度w 3 m s 时1 4 车厢内的速度分布(单位：m s)F i g 5I n l e tT e m p e r a t u r et=2 0。C，I n l e tV e l o c i t yv=3 m s，t h eV e l o c i t yD i s t r i b u t i o no f1 4C o m p a r t m e n t(U n i t：m s)图6 送风温度t=-2 0。C，送风速度v=3 n g s 时z=1 0 0 0 m m 高度处的温度分布(单位：K)F i g 6I n l e tT e m p e r a t u r et=-2 0*C，I n l e tV e l o c i t yv=3 m s，t h eV e l o c i t yD i s t r i b u t i o no f z=l O O O m mh i 曲(U n i t：I O图7 送风温度t=-2 0，送风速度v=3 m s 时z=1 6 0 0 m m 高度处的温度分布(单位：K)F i g 7I n l e tT e m p e r a t u r et=2 0。C，I n l e tV e l o c i t yv=3 m s，t h eV e l o c i t yD i s t r i b u t i o no f z=1 6 0 0 m mh i 曲(U n i t：K)(1)当空调送风温度t=2 0，送风速度v=3 m s 时，客室内座椅附近温度较高，且分布不均匀，温度变化范围为2 6 6 3 6 4。C；送风口附近的温度较低，变化范围较小，在2 0 1-2 1 2 之间；回风口附近的温度约为2 5 5 2 7 7。在座椅附近沿z 轴正方向5 0 0 m m即乘客膝盖高度处温度在2 3 4 2 5 5 之问；沿Z 轴正方向1 0 0 0 m m 即乘客坐在座椅上时人的头部高度处温度在2 3 4 2 4 4 之间；沿z 轴正方向1 6 0 0 m m 即乘客站立时人的头部高度处温度在2 2 3 、-2 3 3 之问。由于送风口的低温送风，客室内靠近送风口下面的温度1 5 6用F L U E N T 软件对地铁客室内温度场和流场的数值计算较低，在同一高度上比远离送风口的温度低2。C 3，由于人简化为座椅上的面热源，座椅附近的温度较高。图8 送风温度I=2 0。C，送风速度v=3 m s 时z=1 0 0 0 m m 高度处的速度分布(单位：m s)F i g 8I n l e tT e m p e r a t u r et=2 0。C，I n l e tV e l o c i t yv=3 m s，t h eV e l o c i t yD i s t r i b u t i o no f z=10 0 0 m mh i g h(U n i t：m s)图9 送风温度t=2 0，送风速度v=3 m s 时z=1 6 0 0 m m 高度处的速度分布(单位：1 1 1 s)F i g 9I n l e tT e m p e r a t u r et=2 0*C，I n l e tV e l o c i t yv=3 m s，t h eV e l o c i t yD i s t r i b u t i o no f z=1 0 0 0 m mh i g h(U n i t：m s)(2)当空调送风温度t=2 0，送风速度v=3 m s 时，客室内出风口处的空气流动速度最大，达到3 5 8 m s，远离送回风口的速度较小，最小速度为0 0 0 0 2 1 l n g s。沿Z 轴正方向5 0 0 m m处即乘客膝盖感受到的空气流速在0 1 8 m J s 0 3 6 m s 之间。正对送风口下面的区域沿z 轴正方向1 0 0 0 m m 处即乘客坐在座椅上迎面感受到的空气流速为1 2 5 m s 1 4 4 m s 之间。正对送风口下面的区域沿Z 轴正方向1 6 0 0 m m 处即人站立时迎面感受到的空气流速为1 7 9 m s1 9 7 m s 左右。在同一高度上靠近送风口附近的空气流速最大，而远离送风口的空气流速较小。(3)改变空调送风参数对客室内流场和温度场的影响：用前面同样的方法分别计算表1 几种情况。通过计算得出，送风温度为1 5。C 时，客室内的平均温度低于1 8。C，乘客感觉太凉，不合适。送风温度为2 0、时，客室的平均温度在2 3。C 左右，满足乘客的舒适性。因此送风温度选取为2 0 合适。由于客室内气流温度可随送风速度的增大而减小，因此可适当增大送风速度，但不宜太大。当送风速度为3 m s 时平均速度达到了1 7 4 m s，乘客有吹风感。当送风速度为2 m s 时，客室内的平均风速均不到l m s。因此送风速度选取2 m s 合适。1 5 7第三届工程计算流体力学会议文集表l 不同空调送风参数列表T a b 1T l I b l eo f D i f f e r e n tA i r-c o n d i t i o nP m。a m e t e r6 结论在本文的简化条件下，综合以上分析，可得出以下结论：(1)空调送风温度对空调客车客室内流场分布基本无影响，客室内温度的大小主要由热源的热流量和送风口的温度决定，温度场的分布主要由送风口的位置及热源的布置决定。(2)空调送风速度对空调客车客室内速度和温度的大小都有影响，其中对速度的影响更大。送风速度增大时，客室内流速随之增大，温度相应降低，但是流场和温度场的分布趋势不变。客室内空气流速的大小主要由送风速度决定，流场的分布与送回风口的位置及与座椅的布置有关。(3)采用上送上回的送回风口布置时，送风温度选在2 0 左右，送风速度选取在2 r i g s左右时，能够较好的满足客室内空气流速和温度的要求，并基本满足乘客的舒适性要求。参考文献 1】张才三，付彬使用E S C 数值模拟公交车车厢内温度场和空气流场 J】车辆与动力技术，2 0 0 4(4)：4 5-4 8 2】陶文铨，数值传热学 M I(第二版)，西安：西安交通大学出版社，2 0 0 1：3 4 4 3 4 9【3】陈焕新，黄素逸，张登春空调列车室内气流分布的数值模拟明流体机械，2 0 0 2，3 0(4)：5 9 6 1【4】刘军朴，陈江平，陈久芝客车车厢内气流分布及传热数值分析叨上海交通大学学报，2 0 0 3，3 7(7)：1 0 9 8 一1 1 0 11 5 8用FLUENT软件对地铁客室内温度场和流场的数值计算用FLUENT软件对地铁客室内温度场和流场的数值计算作者：臧运蕾，陈淑玲作者单位：北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京,100044 本文链接：http:/