(SCI论文)旅客列车硬卧车厢内空气质量的数值模拟

第 43 卷第 10 期中南大学学报(自然科学版) V ol.43 No.10 2012 年 10 月 Journal of Central South University(Science and Technology) Oct.2012 旅客列车硬卧车厢内空气质量的数值模拟

张登春 1,2 ，邹声华 1 ，刘荣华 1

(1. 湖南科技大学 能源与安全工程学院，湖南 湘潭，411201；

2. 华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉，430074)

摘要：采用稳态不可压缩雷诺时均 N-S 方程、k?ε 湍流模型，对 YW25K 型空调硬卧车厢内空气质量进行数值模 拟。采用立方体代表乘客，以人体呼出的CO2 作为代表性污染物，以PMV和车厢内CO2 相对浓度为基础，提出 了评价车厢内空气质量的新指标，利用该指标对硬卧车厢内各铺位的空气质量进行了评价。计算结果表明，送风 速度对车厢内空气质量有较大影响，增加送风速度有利于改善车厢内各铺位的空气质量，但过大的送风速度对车 厢内空气质量不利；硬卧车厢内采用条缝送风方式、送风速度为 2.5 m/s 时，车厢内空气质量最佳，可同时满足 热舒适性要求和保证良好空气品质。

关键词：硬卧车厢；湍流模型；空气质量；数值模拟

中图分类号：TK124；U238 文献标志码：A 文章编号：1672?7207(2012)10?4129?06

Numerical simulation on air quality in hard-sleeper compartment of

railway passenger cars

ZHANG Deng-chun 1,2 , ZOU Sheng-hua 1 ,LIU Rong-hua 1

(1.School of Energy and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China?

2. School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract: Based on steady state incompressible Reynolds-averaged Navier-Stokes equation, k?ε turbulence model, the air quality in hard-sleeper compartment of YW25K passenger cars is simulated numerically. The cube substituting passenger and regarding human exhaled CO2 as a representative of pollutants, based on PMV and CO2 relative concentration, a new air quality index (I AQ) is put forward to evaluate the air quality of hard-sleeper compartment. The results show that supply air velocity has great effects on air quality. The increase of supply air velocity helps to improve the air quality but too large supply air velocity gets air quality worse. When the supply air velocity is 2.5 m/s in sew supply air mode, the air quality in hard-sleeper compartment is the best, which can meet the needs of good thermal comfort and indoor air quality simultaneously in the car.

Key words:hard-sleeper compartment?turbulence model?air quality?numerical simulation

随着旅客列车的高速发展，车厢的密封性要求越 来越高，由此带来的空气品质问题日益突出。旅客列 车车厢内人员密度大，很多情况下，尤其是超员时， 人体散发的气味和呼出的CO2 若不及时稀释和排走， 车厢内的空气品质恶化，会使乘客出现疲劳、头昏、 胸闷、精神不佳、甚至恶心等症状，严重影响乘客的 身心健康 [1?3] 。 国内外对车厢内空气品质和热舒适性进 行了一些研究工作，陶红歌等 [4] 采用 k?ε 模型和组分 输运方程对空调列车硬座车厢内污染物的扩散规律进 行了研究，得出了条缝送风方式下车厢内CO2 分布规

收稿日期：2011?09?16；修回日期：2012?01?04

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50974060，51134005)；湖南省自然科学基金资助项目(11JJ6031)；湖南省科技厅计划项目(2011FJ3077) 通信作者：张登春(1972?)，男，湖南祁阳人，博士，教授，从事列车车厢内热环境研究；电话：137********；E-mail：dczhang2000@https://www.wendangku.net/doc/cf1854730.html,

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4130 律； 朱春等 [5] 采用PMV 和空气龄指标对软卧包厢内在 不同送风方式下的热舒适性进行了研究，讨论了不同 工况下的空调效果；陈焕新等 [6] 采用 PMV-PD 指标对 空调硬卧车内热舒适性进行了研究，分析了影响车厢 内人体热舒适性的主要因素。这些研究主要集中在对 车厢内空气品质或人体热舒适性某方面的研究上，没 有考虑两者的综合作用。本文作者采用立方体代表旅 客，以人体呼出的CO 2 作为代表性污染物来研究旅客 列车硬卧车厢内空气质量，提出了一种新的评价车厢 内空气质量的指标。通过数值计算，得出了同时满足 人体热舒适性要求和保证良好空气品质的最佳送风方 式和送风速度。

1 物理模型

以 YW25K 型空调硬卧车厢为研究对象，其内部 结构为：车宽2 900 mm ，净高2 700 mm ，车厢一侧 设 11 个卧铺单元，每个卧铺单元为 600 mm ×1 950 mm 的横向三层铺位相对排列，下、中、上铺离车地 板的高度分别为315mm ，1 270mm 和2010mm ，通 道上部设有宽为480 mm 的行李架，通风方式为顶部 送风，即在车厢顶部设有11个300 mm ×480 mm 的 百叶送风口，每个风口负责一个卧铺单元的送风；回 风方式为侧回风，即在车厢两端利用车门回风，然后 经车厢顶部的百叶风口将回风送回到空调机组。由于 车厢内每个卧铺单元的通风条件相同，因此取车厢的 一半作为研究对象，其物理模型如图1

所示。

单位：mm

图1 YW25K 型空调硬卧车厢物理模型 Fig.1 Physical model of YW25K hard-sleeper

compartment

2 数学模型

采用 k ?ε 三维湍流模型方程和组分输运方程，为 简化问题，作如下假设：(1) 车厢内空气流动为稳态 湍流； (2) 流体作低速不可压缩流动且符合Boussinesq 假设；(3) 忽略固体壁面间热辐射，车厢内空气为辐 射透明介质；(4) 不考虑漏风的影响，车厢内气密性 良好；(5) 车厢内人体呼出的 CO 2 做跟随运动，不影 响空气的运动。根据以上假设，车厢内空气湍流流动 与组分输运通用控制方程形式为 [6] ：

F F F

F S X Γ X X U j

j j

j = ? ? ? ? - ? ? )

( (1)

通用控制方程的系数见文献[7]。

采用I AQ (Index air quality)对车厢内空气质量进行 评价，该指标综合考虑了车厢内的人体热舒适性和空 气品质，I AQ 定义为：

500 1 /

MV AQ C P I + = (2)

式中：P MV 为预期平均投票数，?3≤P MV ≤3，P MV 的 计算公式见文献[8]；C 为车厢内计算点的 CO 2 体积

浓度，mL/m 3

；1 500 为车厢内允许的 CO 2 体积浓度， mL/m 3 。

由式(2)可知：I AQ 恒大于零，I AQ 越小，车厢内空 气质量越好，当0≤I AQ ≤1时，车厢内空气质量最佳， 可同时满足人体热舒适性要求和保证良好的空气 品质。

3 数值方法及边界条件处理

在笛卡儿直角坐标系下划分均匀计算网格，以车 厢长、宽、高作为坐标的x ，y 和z 方向，以车门底边 与车厢侧面的交点作为坐标原点，采用基于交错网格 的控制容积法对通用控制方程进行离散，对流项和扩 散项均采用幂函数差分格式，应用 SIMPLE 算法 [9] 求 解离散控制方程。靠近壁面黏性层内采用壁面函数

法 [9] ，靠近壁面不划分网格，把第一个与壁面相邻的

节点布置在旺盛湍流区域内。数值计算在 Visual

Fortran 6.0环境下运行，采用Tecplot 9.0软件对计算 结果进行后处理。边界条件为：

(1) 入口边界：以百叶出风口作为计算入口边界， 送风速度分别取1.5，2.0，2.5和3.0m/s ，k 取出风口

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平均动能的0.5%，ε由公式 0 2 / 3 4 / 3 /L k c m e = 计算 [9]

。

(2) 出口边界：以车厢端门为计算区域出口边界，

P =P out ，k 和ε：局部单向化处理 [9] 。

(3) 污染源边界：车厢内乘客按满员66人计算，

乘客呼出的CO 2 按0.0144m 3

/(h?人)计算 [10] 。

(4) 车厢中部假想对称面取对称条件 [11] ， 0 = ? ? = ? ? = ? ? = ? ? x x k x C x u e 。

(5) 气、固交界面空气流动取无滑移条件，即 u i =0。

4 结果分析

4.1 送风速度对硬卧车厢内空气质量的影响

图2所示为不同送风速度下铺位区x =3.0 m 断面 在不同高度处的I AQ 分布。由图2可知：在下铺z =0.7 m 高度处，随着送风速度的增加，I AQ 增大，在该高度 处， 以2.0m/s 的送风速度为最佳， 此时该高度处的I AQ 均在1.0以下(图2(a))；而在下铺z =1.2 m 高度处，随

着送风速度的增加，在靠近车壁0.6m 处，I AQ 逐渐增 加，在距离车壁0.6~2.0 m 范围内，I AQ 随送风速度的 增加而不断降低，空气质量有所改善(图 2(b))；在中 铺z =1.6m 高度、上铺z =2.3m 高度处，随着送风速度 的增加，I AQ 降低，空气质量不断改善，当送风速度达 到3.0m/s 时，中铺z =1.6m 高度的I AQ 在(0.3，1.2)之 间，上铺 z =2.3 m 高度的 I AQ 在(0.4，1.6)之间，空气 质量较好(图2(c)和2(d))。

图3所示为不同送风速度下x =3.0 m 断面不同高 度处的I AQ 。由图3可知：当送风速度为1.5 m/s 时， 下铺z =1.2m 高度处的I AQ 最小，中铺和上铺的I AQ 偏 大(图3(a))；当送风速度增加到2.0 m/s 时，中铺和上 铺的 I AQ 明显降低(图 3(b))；送风速度增加到 2.5 m/s 时，各铺位的 I AQ 降到最低，再增加送风速度，各铺 位的I AQ 变化很小(图3(c)和3(d))。可见：采用百叶送 风时，保持车厢内各铺位良好的空气质量最佳送风速 度为2.5m/s 。

4.2 送风方式对硬卧车厢内空气质量的影响

图 4 所示为不同送风方式下 x =3.0 m 断面 I AQ 分

(a)z =0.7 m ；(b)z =1.2 m ；(c)z =1.6 m ；(d)z =2.3 m

v /(m?s ?1

)：1—1.5；2—2.0；3—2.5；4—3.0

图2 不同送风速度时x =3.0m 断面I AQ 分布

Fig.2 Distribution of I AQ at x =3.0m with different supply air velocities

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(a)v =1.5 m/s ；(b)v =2.0 m/s ；(c)v =2.5 m/s ；(d)v =3.0 m/s ；

z /m ：1—0.7；2—1.2；3—1.6；4—2.3 图3 x =3.0m 断面不同高度处I AQ 分布

Fig.3 Distribution of I AQ at different heights when x =3.0m

(a) 百叶送风；(b) 条缝送风

图4 不同送风方式时x =3.0 m 断面I AQ 分布

Fig.4 Distribution of I AQ at x =3.0m with different supply air modes

布。由图 4可知：采用百叶送风时，由于乘客头部靠 近车厢过道处，乘客呼出的CO 2 不能有效稀释，因此

该断面靠近过道处的 I AQ 较大，但整体看来，下铺区 域的空气质量要好于中铺和上铺，下铺大部分区域的

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(a)z=0.7 m；(b)z=1.2 m；(c)z=1.6 m；(d)z=2.3 m

1—百叶送风，v=2.0 m/s；2—百叶送风，v=2.5 m/s；3—条缝送风，v=2.0 m/s；4—条缝送风，v=2.5 m/s

图5 不同送风方式下x=3.0m断面不同高度处I AQ 分布

Fig.5 Distribution of I AQ at different heights when x=3.0m in different supply air modes

I AQ＜1.0，空气质量较好，中铺和上铺由于空间较小，

容易造成污染物的积聚，该区域污染物浓度较大，因 此I AQ 较大，最大值达到1.7；采用条缝送风时，车厢 内各铺位 I AQ 均有所下降，I AQ 最大值降低到 1.2(图 4(b))，改善了硬卧车厢内的空气质量。

图5所示为不同送风方式下车厢内x=3.0 m断面 不同高度处I AQ 分布。由图5可知：在下铺z=0.7m高 度处，采用条缝送风、送风速度为2.0m/s时，该断面 空气质量较好，I AQ 在(0.3，1.3)之间(图5(a))；而在下 铺z=1.2m高度处，以条缝送风方式、送风速度为2.0 m/s 为最佳，该高度处 I AQ 在(0.1，1.0)范围内，空气 质量最好(图5(b))； 而在中铺z=1.6m高度、 上铺z=2.3 m高度处，采用条缝送风、送风速度为2.5m/s时，该 高度处的I AQ 最小，I AQ 均在1.0左右(图5(c)和5(d))。 综合考虑各铺位的空气质量，硬卧车厢内比较适宜的 送风方式为条缝送风，最佳送风速度为2.5m/s。 5 结论

(1) 在综合考虑车厢内热舒适性和空气品质的基 础上，以P MV 和CO2 相对浓度为基础，提出了新的评 价指标I AQ， 该指标可以有效地对车厢内空气质量进行 评价。

(2)YW25K型硬卧车厢内采用条缝送风方式、送 风速度为2.5m/s时，车厢内空气质量最佳。该研究结 果为硬卧车厢内气流组织设计提供了有益的参考。

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(编辑 杨幼平)