（动力机械及工程专业论文）铁路客车车厢内气流组织的模拟与分析.pdf

北京交通大学颈士学位论文 摘要 随着铁路运输事业的发展，人们对铁路客车车厢内的热舒适状况和 空气品质的要求越来越高。铁道部为此亦立项进行研究。 铁路客车空调的通风系统决定若客车车厢内的气流组织，温度、速 度场的分布及人体舒适度状况，它是现代铁路车辆设计和制造的重要研 究内容之一。近年来，我国铁路客车空调在运用中已暴露了一些问题： 车厢内涅、湿度控制不当、新风量不足、通风系统设计存在缺陷等。本 文对此进行了研究，采用数值模拟方法，对车厢内的气流组织进行了模 拟分析研究： 1 根据车厢外界工况的变化，改变模拟边界条件，获得了外界工况 对车厢热舒适和空气品质的影响关系。 2 提出了四种送、排风方式，并模拟计算出了其送、排风口布置对 人体热舒适和车内空气品质的影响。 3 针对特定的送风方式，改变送风温度和速度，模拟分析了送风参 数对车厢内人体热舒适和车内空气品质的影响。 通过对模拟结果的分析研究，作者认为： 1 送、排风口布置形式是影响车厢内气流组织及热舒适状况的主要 因素，现今我国铁路空调客车采用的送风方式仅能基本满足舒适度的要 求。 2 铁路客车车厢并非越密封越好，适当地开启部分车窗对改善车厢 内的热舒适状况是有益的。 3 。本文提出的上送上回送风方式，可以有效改善车题态的舒适状况， 值得推广应用。 4 为保证旅客在全天中都能感觉舒适，车厢内送风参数应随外界工 况的变化进行变工况调节。 本文的模拟结果可为改善现今铁路空调列车车厢内的舒适状况和空 气品质提供相应的策略与理论上的支持。 关键词：铁路客车、人体热舒适、空气品质、数值模拟、气流组织 北京交通大学硕士学位论文 w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h e r a i l w a yt r a u s p o r t ，t h ee x p e c t t ot h e h e a t - c o m f o r ta n dt h ei a q ( i n d o o ra i rq u a l i t y ) o ft h er a l l c a ri sh i g h e ra n d h i g h e r a tt h es a m et i m e ，t h em i n i s t r yo f r a i l w a y sh a sb e e n s t u d i e df o rt h i s t h ev e n t i l a t i o ns y s t e mo f c a r r i a g ea i r c o n d i t i o n e rg r e a t l yi n f l u e n c e dt h e a i r f l o w o r g a n i z a t i o n 、t h et e m p e r a t u r ep a t t e r n 、v e l o d wp a t t e r no f t h e r a l l c a r s ot h es t u d yi nt h ev e n t i l a t i o ns y s t e mi sb e c o m i n gv e r yi m p o r t a n ti nt h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f t h er a i l c a r b u tt h e r ew e r em a n y p r o b l e m s i nt h e c a r r i a g ea i r - c o n d i t i o n e r , s u c ha st h et e m p e r a t u r e a n dh u m i d n e s sc a n tb e c o n t r o l l e dw e l l , t h en e wi 珥) u ta i ri sn o te f f i c i e n t ，t h ev e n t i l a t i o n s y s t e m d e s i g n i s i r r a t i o n a l a c c o r d i n g t o t h e s e ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ea i r - f l o w o r g a n i z a t i o no f t h er a i l e a r , u s i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 m r e l a t i o n s h i ph e t w e e l lt h er a i l c a rh e a t c o m f o r ta n d t h ei a qw e r e d i s c u s s e db yc h a n g i n gt h es i m u l a t i o nb o u n d yc o n d i f i o u s ，a c c o r d i n gt ot h e e 虹e m a lc o n d i t i o no f t h er a i l c a r 2 f o u ra i ri n p u t - o u t p u tf a s h i o nw e f ei n l r o d u c e da n dt h ei n f l u e n c eo f t h e a i ri n p u t - o u t p u tf a s h i o nt ot h eh e a t - c o m f o r ta n dt h ei a qi nt h er a i l c a rw e r e a n a l y z e d 3 t h ei n f l u e n c eo ft h eb l o w - i np a r a m e t e rt ot h eh e a t - c o m f o r ta n dt h e t a q i nt h er a i l c a rw e r es t u d i e db yc h a n g i n gt h es u p p l y - a i rt e m p e r a t u r ea n d v e l o c i t y s o m en e w i n v e s t i g a t e dr e s u l t sw e r eo b t a i n e df r o mt h o s es i m u l a t i o n r e s u l t s ： 1 t h ea i r i n p u t - o u t p u t f a s h i o n g r e a t l y i n f l u e n c e dt h ea i r - f l o w o r g a n i z a t i o na n dt h eh e a t c o m f o r ti nt h er a i l c a ra n dt h ea i r - s u p p l yf a s h i o n w h i c hi su s e dn o wi nt h ec a r r i a g ea i r - c o n d i t i o n e ri no i l yc o u f l l 2 ， i sj l i s tm e e t t h eh e a t c o m f o r t 2 t h eh e a t c o m f o r ti nt h er a i l c a rc a r lb ei m p r o v e db y p a r t l ) ，o p e n i n g t h e r a i l c a rw i n d o w 北京交通大学硕士学位论文 3 i t sb e t t e rt ot h eh e a t - c o m f o r to f t h er a i l c f i rw h e nt h es u p p l y a l ro u n e t a n d t h ed i s c h a r g e a i r o u t l e t f i r eb o t h l o c a t e do d t h er o o f o f t h er a i l c a r , 4 t h es u p p l y - a i rp a r a m e t e rs h o u l db ea d j u s t e da st h ec h a n g eo ft h e e ( t e m nc o n d i t i o n , s oa st om a k et h ep a s s e n g e rc o m f o r ti 1 2t h ew h o l e d a y t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h i sp a p e rc a n s u p p o r tt h es t u d ) , t oi m p r o v e t h e h e a t - c o m f o r ta n dt h em qi nr a i l c a ri ns t r a t e g ya n d t h e o r y k e y w o r d s ：r a j l c 鸥h e a t c o m f o r t ，i n d o o r a i rq u a l i t y , n 1 1 l l l 喇e a ls i m u l a t i o n 。a i r - f l o wo r g a n i z a t i o n 北京交通大学硕士掌位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着人民生活水平的提高，人们在满足衣、食、住、行等基本需求 之后，越来越关心身心的健康。由于已认识到室内环境对人体健康有着 巨大影响，人们对室内环境与空气品质的研究己提到议事日程上来。对 于如何改善室内空气品质问题，国内外学者已做出了大量研究，耳前用 于实现人体热舒适与改善室内空气品质的主要手段是采用空气调节。即 在已有条件下，进一步改善供暖( 制冷) 、通风方式、方法，尽量达到满 足室内人体热舒适和高空气品质的要求。 近年来，随着旅游事业日趋兴旺，入们乘坐火车出行的机会越来越 多。为了给人们的出行创造一个舒适的环境，大多旅客列车己安装了空 调。因旅客在车厢内的停留时间较长，车厢内环境状况就尤为重要，其 空气品质的好坏将直接影响乘客的身心健康和乘车舒适度。由于我国铁 路线路覆盖面积广，列车运行距离和时间较长，车外气候环境、车内客 流量变化均较大，尤其高峰期严重超员，因此，如何使车厢内的环境状 况满足空气品质的要求，为人们创造一个舒适健康的旅行环境己成为当 今亟待解决的问题。 1 2 人体热舒适与空气品质的研究内容 室内环境大致分为热环境、视觉环境、听觉环境、工作环境和室内 空气洁净环境。视觉环境主要指采光和照明：昕觉环境指噪声的大小； 工作环境包括工作台、家具的合理设计和布置，房间色调等；室内空气 洁净程度，即对有害有毒气体的控制；室内热环境，即以人为本研究从 热舒适角度提出合理的舒适条件。室内空气品质与室内热环境的研究现 已发展成为一门新兴的交叉学科一一室内微气候学【i j 。室内微气候是用 室内的热气候、空气品质等物理参数进行表征。热气候包括空气的温度、 湿度、风速及热辐射等参数，它的评价指标取决于人体热舒适。室内微 北京交遥大学硬士学位论文第一章鳍论 气候是一个受控的空气环境，对空气的温度、湿度、气流速度及清洁度 实施人工调节，可采用的调节手段主要有：用换气方法保证室内环境空 气的新鲜；用热、湿交换方法保证内部环境的温湿度，用净化方法保证 室内的空气品质等嘲。 1 2 1 人体热舒适 热舒适由许多因素决定，其中与人热感觉有关的因素有：空气温度 及其在空间的分布和随时间的变化；空气的相对湿度：气流速度；人体 温度、散热及体温调节；衣服的保湿性能及透气性，其中，后两个因素 与人体适应能力有关。g a g g e n 把热舒适解释为“一种对环境既不感到 热也不感到冷的舒适状态，也就是人们在这种舒适状态下会有中性 的感觉”。f a n g e r 【4 】在其热舒适一书中的解释是“热中性和热舒适是 一样的，且这两个概念以后以同义来对待”。恰当的、令人满意的热舒适 定义在a s h r a e ( 美国供暖制冷空调工程师协会) 标准5 5 1 9 9 2 9 】中明 确给出，即热舒适是对热环境表示满意的意识状态。 热环境是由空气温度、空气湿度、辐射温度和气流速度四个参数综 合组成的，它们共同构成影响人体热感觉的周围环境。对建筑而言，热 环境又可分为室内热环境和室外热环境。室内热环境直接影响人体热舒 适，室外热环境通过室内热环境而起作用。当以人为主来研究室内热环 境时，必须采用人的热舒适来表征。 1 2 1 2 空气品质 在现代建筑内长期生活和工作，很多人己表现出越来越严重的病态 反应，这已引起了有关专家学者们的重视，并对此提出了病态建筑( s b ) 和病态建筑综合症( s b s ) 的概念【6 ， 1 1 。根据世界卫生组织1 9 8 3 年的定 义，病态建筑综合症是由使用建筑物而引发的症状。最初，人们把室内 空气品质几乎完全等价为一系列污染物浓度的指标。近年来，人们己认 识到这种纯客观的定义已不能涵盖室内空气品质( n q ) 的内容。在1 9 8 9 年空气品质讨论会上，丹麦哥本哈根大学教授f a n g e r 提出：品质反映了 满足人们要求的程度，如果人们对空气满意，就是高品质；反之，就是 低品质8 。英国的c i b s e ( c h a r t e r e di n s t i t u t eo fb u i l d i n gs e r v i c e se n g i n e e r s ) 认为室内少于5 0 的人能察觉到任何气味，少于2 0 的人感觉不舒服， 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 少于1 0 的人感觉到黏膜刺激，并且少于5 的人在不足2 的时间内 感到烦躁，则可认为此时的室内空气品质是可接受的【9 】。这两种定义的 共同点都是将室内空气品质完全变成了人们的主观感受。近年，a s h r a e 标准6 2 1 9 8 9 r 10 首次提出了可接受的室内空气品质和感受到的可接受 的室内空气品质等概念。它涵盖了客观指标和人的主观感受两方面内容， 比较科学和全面。 研究室内空气品质是一门综合学科，除空气本身质量外，还有一些目 前仍不太清楚的因素在影响人们对环境的感觉和反应。综合多个调查结 果，对i a q 问题确实产生影响的是室内各种物理参数，如温湿度、各种 固体微粒和气体污染物浓度等，这些是影响室内空气品质的客观因素； 另一方面，人们的心理状况、对外界的反应敏感性、性别等主观因索的 差异也会造成对i a q 的不同反应。除去人的主观因素外，影响室内空气 品质因素主要有两方面：暖通空调系统设计或运行，污染物的产生与去 除。为此涉及到新风与气流组织等问题 1 1 , 1 2 , 1 3 。 1 ) 新风问题 新风问题包括新风量和新风洁净程度两个方面，为确保室内空气品 质，应对它们综合考虑。 2 ) 通风气流组织 气流组织是影响室内空气品质的关键问题。气流组织设计得好，不 仅可将新鲜空气按质按量地送到所需的区域，还可及时地排除污染物， 提高空气品质。在通风换气方面已有一系列评价指标，如空气龄( 它定 量反映了室内空气新鲜程度，可综合衡量房间通风换气效率) 。随着计算 机的发展，利用计算流体力学对气流组织进行数值模拟的方法亦应运而 生。 1 - 2 3 研究方法 在室内空气流动的研究上，传统方法是利用射流原理进行分析和预 测，或利用相似原理进行模型实验。近年来随着建筑空间日趋复杂化、 大型化、多样化，前种方法对许多问题己无法给出令人满意的答案，而 后者需投入大量的人力、物力和时间，有些问题甚至无法解决，在传统 设计方法下，设计人员难以预料不同通风方式下的气流组织，致使室内 空气分布不合理的现象大量存在着，这是影响室内空气品质的一个重要 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 原因。 随着计算机科学及计算技术的发展，紊流流动模型的改进和计算传 热学的发展，出现了一种新的研究方法一数值模拟。它实际上是把计算 流体力学( c f d - - c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) 应用于室内的空气流动， 计算室内气流的温度、速度等的分布；研究舒适性和有害物浓度计算等 问题。 数值计算与实验相比，具有以下优点： 1 ) 成本低 在大多数实际应用中，计算机运算成本要比相应实验研究的成本低 几个数量级。在进行实验的同时，用计算机的伴随解来补充实验资料也 很有价值。 2 ) 速度快 数值计算可以在较短的时间内研究数百种不同方案，从中选择最佳 工况，而相应的实验研究将需要几个月甚至更长时间。 3 ) 资料完备 在流场的某些特殊区域内，由于传感器引起的流场扰动，致使实验 研究在测量上存在困难。而数值计算能够提供在整个计算区域内的温度、 速度、压力、浓度、紊流强度等值，在计算中几乎没有达不到的位置。 4 ) 具有模拟真实条件的能力 不需要采用放大或缩小的实物模型。 5 ) 具有模拟理想条件的能力 在研究一种基本物理现象时，人们希望实现若干理想化的条件( 如 绝热表面等) 。这些在数值计算中，人们很容易给定。反之，再精确的实 验也很难满足理想化条件瞪j 在2 0 世纪7 0 年代，丹麦学者p vn i e l s e n 首先对建筑物内的通风问 题进行了数值模拟，并将数值计算结果与实验结果进行了对比。8 0 年代 以来，研究者们对房间内气流流动的三维模型进行了大量的计算工作， 在计算中考虑了浮力、通风口位置及通风量等因素对气流流型及人员舒 适性的影响，并取得了一系列重要成果 1 4 , 1 5 。国际上也相应出现了可用 于此类计算的一些大型流场计算软件，如：英国著名学者s p a l d i n g 等人 开发的大型通用计算程序p h o e n i c s ，美国学者g o s m a n 等人开发的 t e a c h 等。 北哀交退大学硕士学位论文 第一章绪论 c f d 技术已越来越多地应用于通风和空气调节的模拟分析，计算温 度场、湿度场、浓度场等。国外在这方面的数值模拟较多：文献1 7 介绍 了利用c f d 软件对大空间工厂的通风效率预测和对会议大厅送风的流 入状况、气流分布，并以空气龄为指标对通风换气效率进行了预测、评 价；文献 1 8 】对六种气流组织下的室内空气品质进行了分析。国内对这方 面的研究与应用也越来越多：文献【1 9 对室内二维气流的速度场、温度场 及浓度场进行模拟，计箕通风效率指标；文献 2 0 针对送回风口设置对客 车中的空气品质和人体热舒适进行了数值模拟分析，采用了污染源强度 ( o l d 和空气品质感知值( d e e i p 0 1 ) 作为评价空气品质的指标，对热舒 适也进行了评价；文献f 2 1 对室内空气交换率进行了数值模拟，并提出了 一种考虑潜热的计算房间温度和相对湿度的c f d 方法：文献【2 2 介绍了 目前国际上对室内空气流动进行数值模拟时采用的风口模型方法，并提 出了应用于房间空气流动数值模拟的风口模型新思路。 1 3 现代铁路客运列车空调的特点和研究现状 我国幅员辽阔，人口众多，铁路客车是我国的主要客运工具。随着 人民物质文化生活水平的提高和旅游事业的蓬勃发展，人们对铁路客运 条件的要求也越来越高。现代客车不仅要保证高速、安全地运行，而且 要为旅客和车上工作人员尽可能创造一个更加舒适和卫生的环境。铁路 客车空气调节的主要任务是：夏季对车外空气和车内再循环空气进行除 尘、冷却和减湿；冬季对车外空气和车内再循环空气进行除尘、加热和 加湿，并把处理后的空气以一定流速送入车内，同时将车内污浊空气排 出车外，保持车内清洁舒适的人造气候环境。 影响车厢内人体卫生和舒适的主要因素是：车内空气温度和相对湿 度；人体周围空气的流动速度；车内空气的清洁度；车内噪音等。其中 要求车内空气的温度、相对湿度、洁净度和流速达到一定标准就成为客 车空调空气调节所要完成的任务。我国铁路客车空气调节车内参数参考 值如表1 1 所示j 。 j 衷交运大学璜士学证论文 第一章鳍论 表1 1我国铁路客车空调车内空气参数( 参考值) 【 季节 项目 夏季冬季 客车车内温度( )2 4 2 91 8 2 2 客车车内湿度( ) 牛7 0车3 0 车内空气流速( m s )0 _ 2 5 0 5 o 0 5 o 2 5 新鲜空气置( m 3 h 入)2 0 2 5略小于2 d 2 5 车内空气含尘量( m g m 3 ) 1 1 3 1 列车空调特点 列车空调较地面固定建筑物空调有诸多不同特点，有着自身的独特 性。列车在野外高速行驶，直接暴露在阳光下，其围护结构有大面积玻 璃，太阳辐射热负荷大；车厢界限尺寸有严格限制，又要保证车内有效 容积，因而隔热层厚度较薄；外壁面为金属薄板，壁温较高；因车厢强 度与结构上的需要存在大量“热桥”；而且门、孔的渗漏热负荷较大：高 速行驶使车厢内步 传热过程增强；在较小的空间内拥有大量旅客，而且 还要经常上下乘客，换气损失大，同时，送风的进出口温差不能太大； 另外，客车中途到站停车、终点进车辆段停放等等，因此，使客车 单位容积的热、湿负荷比普通建筑物大得多，如果没有空调运转，车厢 内夏天的温度有时高达5 0 c 。就制冷系统运行条件而言，其运行工况尤 其恶劣；列车本身的震动；与车轨、遘岔的撞击；采用风冷式冷凝器， 使系统冷凝压力较高；野外行驶，使制冷装置经常处在不稳定的环境条 件下工作，加上进出隧道所引起的“活塞效应”，更使机组工况变化很大。 我国地域辽阔，东西南北经纬跨度大，环境气候差异大，如此等等，使 列车空调机组处在变工况甚至恶劣条件下工作。 由于列车客流量大且运行速度高，因此，对空调舒适性要求较高： 北京交避大学颈士学位论文第一章鳍论 1 ) 高可靠性 铁路客车空调系统必须有高可靠性，除选用可连续工作的机组外， 还须设置备用机组。 2 ) 高舒适性 高速客车的车内温度、相对湿度、c 0 2 浓度、微风速等均应合乎卫 生舒适的标准：车内空间应有良好的气流组织，其温度场、速度场、压 力场分布应合理。客车人数多、车厢容积小，而车厢外表面的散热面积 相对较大，空调效果易受人员和外温影响，为了使车内温度波动小，空 调自动控制系统应能预测太阳辐射热和定员的变化以自动增减制冷量。 在梅雨季节车内空气状态，可用不舒适指数评价( 见表l _ 2 ) 。 客车不舒适指数要求小于7 0 。如果不舒适指数超过允许值时，空调 系统应起去湿作用；一般车内温度高于2 5 时，相对湿度低于6 0 。 表1 2 不舒适指数与人体感觉的关系1 2 4 不舒适指数人体感觉 6 8舒适 7 0开始感到舒适 7 5半数以上人感到不适 8 0全部感到不适 8 6不能忍受 3 ) 适应车外压力波的变化 为了适应车外压力波的变化，高速客车空调装置的进排气口应设在 列车绕流场低压或涡流区之外，并加装间歇或连续工作的进排气控制闽， 以便车外压力发生变化时能调节进排气口工作状态，防止车内空气压力 变化过大，同时，又可以保证新风机、排风机与冷凝风机的正常工作。 4 ) 适应高速车辆轻量化、小型化的要求 为了减少高速客车对线路的作用力，减少加减速度所需的动力，应 尽可能减轻自重。在选择空调机组时，应将轻量化作为重要指标。如可 选用重量轻、体积小的滚动转予式制冷压缩机取代活塞式制冷压缩机， 对冷凝嚣和蒸发器优化设计。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 5 ) 低噪声和振动 空调机组，是客车的主要噪声源之一，产生噪声与振动的部件主要 是离心轴流风机。减少叶轮直径和降低转速都可借助降低圆周速度达到 降低噪声的效果。 1 3 2 我国铁路客车空调现状1 2 5 1 我国客车空调起步较晚，在无强迫通风客车及空调客车以前，客车 通风只能处于自然通风状态，夏季是靠开窗、车顶风扇及自然通风器进 行换气，冬季则全靠自然通风器换气，所以车内空气品质极差。从2 0 世 纪8 0 年代开始，我国铁路空调才得以迅速发展。目前我国铁路客车普遍 采用车顶单元式空调机组。即将压缩机、冷凝器、冷凝风机、气液分离 器、干燥过滤器、毛细管( 或膨胀阀) 、通风机、蒸发器和空气预热器等 集中在一个箱体里组成一个完整的单元，吊装在车顶上。集中式空调机 组的主要特点是：体积小、重量轻、结构紧凑、机组互换性好和检修方 便。同时，因空调机组安装于车顶上，还可避免车辆排放的废水和污物 对冷凝器的腐蚀，延长机组使用寿命。通过近几年的使用表明，该型式 空调机组基本上能满足夏、冬两季的供冷和供热要求，为旅客提供了舒 适的乘车环境，但与世界先进国家相比，仍然有较大差距： 1 ) 客车通风系统设计不当 目前国产空调客车通风量各不相同，风量较大的空调客车造成微风 速超标，而风量小的制冷效果又不好，达不到车厢内的温、湿度要求。 这些都影响了旅客的舒适性，并造成了不必要的能量浪费。 2 ) 车厢内温、湿度控制不当 车厢内温、湿度控制不当是旅客抱怨较多的一个问题。很多空调客 车在运行过程中，白天和夜晚的送风量基本保持不变，致使旅客夜间普 遍反映较冷而不能休息。这种情况是由于空调制冷量与车外气温变化和 车厢内热、湿负荷变化不相适应造成的。 3 ) 新风量不足 新风量不足直接导致了旅客对室内空气品质( i a q ) 的不满意。长 时间乘坐车后旅客普遍反映有头晕、气闷、喉咙干燥等不良症状。这些 大都是由于车厢内空气品质较差而引起的。究其原因，是因为车厢内新 风量不足。这与客车空调的系统设计及运行管理有关。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 4 ) 空调系统能耗大 目前使用的单元式空调机组的耗电量较大。单机能效比仅2 0 左右。 空调耗电几乎占柴油发电车总发电量的5 0 。发电车油耗高直接导致运 营经济效益的下降。 5 ) 氟里昂制冷剂的禁用问题 氟里昂蒸汽压缩机组以制冷效率高、技术成熟等优点广泛应用于客 车空调装置中，但该系统存在着致命的弱点，氟里昂价格较高，在客车 空调运行和维修过程中因氟里昂的泄漏使客车运行和维护成本增加，此 外，氟里昂工质破坏大气中的臭氧层，是一种受环保限制的禁用工质。 1 3 3 我国铁路客车空调研究现状 由于目前铁路客车空调存在很多问题，在一定的条件下，车瓶内的 热舒适状况和空气品质不能满足人们的要求，为了解决这个问题，国内 学者进行了很多研究：赵向红等人分析了我国铁路空调客车空气过滤器 存在的问题及原因，提如研制新型空气过滤器来解决空气过滤问题的措 施【2 6 ；胡益雄等人通过对铁路空调客车车内冬季状况及旅客舒适感的理 论分析和现场调查测试，提出冬季客车空调应增加湿度控制功能以提高 人体舒适感的观点【27 j ；宁健等人则对我国铁路空调客车空气净化问题进 行了探讨【2 8 】；孙毅剐等人则从铁路列车空调控制系统出发，对国外列车 空调控制技术的发展及高速列车空调控制问题进行了综述 2 9 1 ；所有这些 研究都为改善铁路客车车厢内的热舒适状况和空气品质提供了一定思 路，但仅限于理论分析。1 9 9 3 年8 月，铁科院等单位在北京环形试验线 上进行了准高速客车空调通风系统性能试验，对车内降温速率、微风速、 噪音、送风均匀性及车内气流组织等几方面进行了试验研究( 3 0 】。 试验研究虽然取得些成果，但由于我国幅员广阔，列车运行情况 复杂，试验条件很难达到与实际情况一致，而且，实验研究只能测量几 个断面上的有限点的温度、速度和湿度，很难对整个车厢内的热舒适状 况和空气品质做出整体客观评价。随着计算机科学及计算技术的发展， 紊流流动模型的改进和计算传热学的发展，出现了一种新的研究方法一 数值模拟。利用数值模拟，在模型选取和边界条件简化合理的情况下， 可以得出整个流场较为精确的温度、速度值，并可根据实际情况改变模 拟条件，从而为更好的了解客车车厢内的热舒适状况和空气品质，为改 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 善车厢内热舒适状况和空气品质提供理论依据。 1 4 课题研究意义 随着铁路运输事业的发展，人们对铁路客车车厢内的热舒适状况和 空气品质的要求越来越高。虽然国内外对人体热舒适问题和室内空气品 质进行了不同程度的研究，但对车厢内的热舒适问题和空气品质进行的 研究则很少。由于铁路客车高速行驶，旅客上下车频繁，因而车厢内的 热、湿负荷变化较大，致使车厢内的热舒适状况和空气品质很难控制。 在实际应用过程中，有时会出现车内温度与乘客舒适要求相差较大，甚 至严重背离的现象，如夏季阴雨天或夜晚行车对，车内温度偏低，而天 气炎热或车厢内成员较多时温度偏高。同时，由于客流量大，车内空气 品质较差，旅客出现身体不适的现象时有发生，给旅客创造热舒适的同 时也带来了“空调病”。 由于新风量和通风气流组织对改善热舒适状况和空气品质有一定作 用，所以通过对车厢内气流组织的研究来达到改善人体热舒适和空气品 质的目的是有指导意义的。 1 5 论文主要内容 本文采用数值模拟方法，对客车车厢中可能采取的一些送、排风口 布置形式及送风参数对空气品质和人体热舒适的影响进行了模拟分析研 究，主要内容如下： 1 确立研究对象。 以2 5 型铁路客车为研究对象，并对研究区域进行简化，建立该型号 客车的数学模型。 2 确立模型的边界条件。 根据中华人民共和国铁道部标准t b l 9 5 1 8 7 客车空调设计参数 提供的数据，计算车厢各个壁面上的太阳辐射热，并将太阳辐射对车厢 内温度的影响考虑在内；确定室内热源时，将车厢内人体散热量以面热 源的方式进行处理。 3 根据气体流动基本方程和所有边界条件，选择合适的紊流模型。 1 ) 根据几种不同的送、排风口布置形式来对车厢内的气流组织进行 模拟分析； 北哀交通大学硕士学位论文第一章绪论 2 ) 改变送风参数，对车厢内的气流组织进行模拟分析； 3 ) 对一天中不同时刻的车厢内气流组织进行模拟分析； 根据上述模拟结果，计算各种情况下车厢内的温度、气流速度从 而对车厢内的人体热舒适进行分析评价：并分析气流组织结构是否合理， 是否有利于降低车内有害物浓度，提高车内空气品质。 北京交殛大学硬士学位论文第二章模型建立 2 1 概述 第二章模型建立 数值模拟已是现代科学和工程问题研究所采用的主要手段之一。针 对所研究问题的物理现象，建立数学模型并借助一组控制方程对现象过 程进行描述，通过对控制方程的离散化以及对研究区域的网格化处理， 建立可迭代求解的差分方程组，然后，应用适当的计算方法编制计算程 序，用计算机进行计算，得出对所研究问题的模拟计算结果。随着计算 机技术的发展，数值模拟计算已。成为研究和解决实际问题的重要工具之 一【3 1 1 。 计算流体力学( c f d ) 和数值传热学( n h t ) 是采用数值方法专门 求解各类流动和传热问题的学科分支。数值传热学和计算流体力学的主 要研究内容是一致的，因此有的文献将此一并称为c f d 。其基本思想如 下： 首先对所研究的实际问题进行适当的简化，如空气维数、液态、是 否定常和变物性等。确立其物理模型，根据确定的物理模型选择所采用 的控制方程及其相应的定解条件( 初始条件及边界条件) 。 根据计算区域的边界特性选定适当的坐标系，并建立计算网格一用 离散的网格代替原物理问题中的连续空间，网格中的节点则是所求解物 理量的几何位置。 将原来在时间、空间坐标上连续的物理量的场( 如速度场、温度场、 浓度场等) ，用有限个离散点上的值的集合来代替。将微分形式的控制方 程按定方式转化为每一个节点上的一组代数方程，该方程组中包含每 个节点及其邻点上所求函数值，即离散方程。建立离散方程的方法很多， 本文采用的方法是有限容积法，即将守恒型的控制方程对区域离散后的 控制容积积分，得出节点间物理量及所求函数的代数方程式。在积分过 程中，需对所求解的变量在节点之间的变化特性作出假设，而不同的假 设就导致了不同的离散格式。 北京交通大学硕士学位论文第二章模型建立 对于一般开口计算系统，边界条件包括进口边界、固体边界及出口 边界等。 对于控制方程在所求解网格上离散后形成的一组庞大的代数方程进 行求解，当计算结果收敛并满足一定的精确度判据，即认为获得了原物 理量场的模拟近似解。 目前，在众多的研究领域，计算机数值模拟已经成为种重要的研 究手段。在建立正确的数学模型和边界条件处理合理的前提下，可获得 较为精确的解，并可选择不同的参数，针对不同的情况和物理模型的不 同结构进行计算，对结果进行评价分析和优化研究。采用数值模拟方法， 可以节省大量的人力、物力，并且可根据试验结果对原有的数学模型和 边界条件进行修正、调整，使之更加符台实际，提高模拟计算的准确性。 2 2 数学模型建立 2 。2 。1 流体动力学基本方程 流体力学在2 0 世纪中叶得到了飞速发展。尤其是随着航空业的发展， 人们在实验的基础上揭示了空气运动及其飞行器相互作用的一般规律， 并建立了流体运动所遵循的足够普遍和精确的纳维一斯托克斯方程( n s 方程) ，以及适用于各种不同范围的近似方程。 流体流动所遵循的规律为：质量守惶定律、动量守恒定律、能量守 恒定律和热力学第一、二定律。对于无源的流体流动，它的连续方程如 下： 粤+ 亏) _ 0 ( 2 1 ) 删 对粘性流体而言，在描述其运动状态时，用到本构方程，e 口应力与变形 速度之间的关系。通常，本构方程是按照斯托克斯提出的关于应力与变 形速度之间关系的三个假设得到的【3 3 1 。 假设1 ：应力与变形速度成线性关系。由牛顿内摩擦定律而知，切向 应力与剪切变形速度成比例： p m2 p m = 2 , u s 。1 p 。= p 。= 2 , a g 。 ( 为动力粘性系数) ( 2 2 ) p 。：p 。：2 s 。j 北京交通大学硕士学位论文第二章模型建立 假设2 ：每一点的变形速度主轴均与应力主轴重合。符合这一假设的 流体是各向同性流体，应力与变形速度之间的关系与坐标轴的选取无关， 由此可得到： p = - p r r ：p c , - p = ：旦兰二曼竺：2 “ n s ws w 一= = 一s n 假设3 ：流体内每一点的平均法向应力是由不直接依赖与变形速度的 压强以及与体变形速度成比例的附加应力组合而成的： 厂 、 p = - - p + 2 胪。+ 1u 一詈1 0 3 p w = 一p + 2 e y y + 一j 2 户 p 。= 一p + 2 。+ f r 2 z - q - t b p 。= 一。+ l p o 式中：1 是第二粘性系数，0 是体变形速度。 根据上述假设2 ，流体是各向同性的，也就是说，流体的性质与方 向无关，所以无论坐标系如何选取，流体中的应力与变形速度的关系都 是相同的，故可得到式( 2 3 ) 。 p 。一p + ( r - ；声 柳m 肛。 p ，= - p + ( 一詈 咖旷+ ：肛。 p 。一p + ( 一号p 伽。 汜3 、 式( 2 2 ) 和式( 2 - 3 ) 表达了运动粘性流体内应力与变形速度之间的关 系，它们合起来称为粘性流体的本构方程。 根据斯托克斯假设，可以得到粘性流体的动量方程，即n - - s 方程： | d 警；彦砌 ( 2 4 ) 式中： p 称为应力张量 北京交通大学硕士学位论文 第二章模型建立 f p 。p p 。1 纠= ip 。p ，i l p 。p ，p 。j 对于不同流体，n s 方程有相应简化形式。对于不可压缩流体，n s 方程的矢量形式为： p 华：彦一劫+ 矽：矿 对于不可压缩定常流，n - - s 方程的矢量形式为： p 妒帚矿= 彦一劫+ 卢亏2 旷 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 是本文模拟计算所使用的n - - s 方程形式。 流动能量方程式是能量守恒定律在流体力学中的具体表述，说明了 在运动时粘性流体内能量的分布、输运转换及耗散。在直角坐标系中的 能量方程为( 2 7 ) ，其中e 为总能流密度矢量。 言 p 降+ e _ 彦乒( 誓+ 鲁+ 割 。：刀 = p f 矿一d i v e 能量方程表征了能量在空间的分布、输运和转换关系，但能量的耗 散在式中并未明显表现出来，而隐含在方程中。由动量方程可得到动能 方程，其中有耗散项，耗散函数为： ：d r - - 詈 罢+ - 卸& - + 罢 2 + z l ( 罢 2 + 劫2 + ( 老 2 嘏+ 削矧2 + ( 幽2 - 2 。8 表示单位时间内，单位体积的流体由机械能耗散成的热能。由动能方 程知，耗散项的存在，将导致流体动能减小。 北京交迸大学殒士学位论文第二章模型建立 2 2 2 紊流模型建立 通风空调房间内的气流运动一般属于紊流运动。要准确模拟通风系 统并计算其温度场及速度场，就要先建立起准确的紊流数学模型。 通常我们所使用的紊流模型有零维模型、一维模型以及两维模型。 对于靠近壁面区域的计算来说，以e 方程最为方便。所以，在紊流工程 计算中，k 一两维模型应用最为广泛，并运用的较为成功1 3 2 1 。因此，本 课题选用k e 两维模型进行模拟计算。 采用k e 两维模型求解紊流对流换热时，控制方程包括连续性方 程、动量方程、能蠡方程、紊流动能k 方程及紊流能量耗散e 方程。紊 流控制方程的导出是从流体力学基本方程出发，引入时均值及脉动值概 念，经过适当简化，演绎出适于紊态粘性流的紊流时均值方程。 推导k e 紊流控制方程的简化为： 1 ) 室内气流为低速流，可视为不可压缩流，并满足理想气体状态方 程： 2 ) 室内气体属牛顿流体，表面应力满足广义牛顿粘性应力公式，即： 弓= 一p + ( 一；) 帚- 矿 毛+ z 卢y “ c z 9 ， 式中： 割爱+ 毒1 3 ) b o u s s i n e s p 假设，认为流体密度的变化仅仅对浮力产生影响， 即仅在计算浮升力时考虑流体密度的变化； 4 ) 对r e y n o l d s 方程中的r e y n o l d s 应力项 厂下了、 巧= 一纠k l 引入b o u s s i n e s p 假设，即 矿一攻谚川簧+ 熹侈屯 b 5 ) 假定流场具有高紊流r e y n o l d s 数，即流场中 r e = 塍2 ( 掣) 0( 21 1 ) 北京交通大学硕士学位论文第二章模型建立 这样，流体的紊流粘度各向同性，u 。可作为标量处理； 6 ) 由于室内气体流为低速不可压缩流，故可忽略由流体粘性力产生 的耗散热。 在以上简化的基础上，下面，推导k e 紊流数学模型的各时均值 方程( 不专门加注时均值标记) ： i ) 连续性方程 盟：0 r 2 1 2 ) 拟 2 ) 动量方程 盟d t 一三p 嚣+ 南l 丝p 盟o x s + 等汁芒毋坷) s ，甄饼，i l瞄jic ，” 7 、。 式中： 王= 拉、七弘l 砜一基准焓值。 3 ) 紊流动能方程( k 方程) 丝壶(告簧j4-m考+善若吖+筹k瓦at-idt pp p c 八q 积。jil 吗凹。ji 硝，p “髓， ( 2 1 4 ) 式中： 吼，酊一紊流动能的有效施密特数，它与有效扩散系数间的关系为 r 一舒 i 女 酊一盯k , c f f 盯。一充分紊流时的流体普朗特数p r _ ，：旦一温度扩散系数。 盯h 4 ) 紊流动能耗散方程( 方程) 北京交通大学硕士学位论文第二章模型建立 坐d t = 吉毒o x ( 等毒o x ) + c 1 l 丛p k ( 每o x + 爱 1 毒- c ：o kc ，筹p c 三r k 叫嚣 p ，l 以，够，j1 llj 掰训耐， 3 f “。积， ( 2 + 1 5 ) 式中： 矿。盯一紊流耗散的普朗特数p r ，它与紊流耗散的有效耗散系数l 间的关系为 2 等 5 ) 能量方程 警= 寿( h 剖喁 均 式中： b ，咿= b 。，+ 一有效紊流扩散系数 o p = 等4 - 以一热的产生项。 6 ) 紊流粘性系数的k e 表达式 ，：c 。c u k 2 p( 2 1 7 ) “。= 一 1 2 1 ，) s 众所周知，所谓紊流模型就是把紊流的脉动值附加项与时均值联系 起来的一些特定关系式。确定紊流脉动值附加项是用r e y n o l d s 时均方程 计算紊流的核心内容，采用紊流粘性系数法确定，把紊流应力表示成为 紊流粘性系数的函数，所以整个计算的关键就在于确定紊流粘性系数。 本文利用b o u s s i n e s p 假设，把解决与紊流脉动值相关的r e y n o l d s 应力项 的问题变为确定紊流粘性系数n 。的问题，在高紊流r e y n o l d s 数条件下， 视紊流各向同性，将u 。作为标量处理，分别建立k 方程以及s 方程，将 u ，用k e 形式表示。这样，就解决了时均方程中r e y n o l d s 应力项处理 难的问题，最后得到上述方程组( 2 1 2 2 1 7 ) ，该控制方程组可用一微分 方程通式表示： 北京交通大学硕士学位论文第= 章模型建立 亟磬+ 曲v c 口即一。，够矿a 却) = s ( 2 1 8 ) 求解过程中，各变量所赋予相应的r 及s 的表达式及相应的初始条件 和边界条件见表2 1 。 有关系数分别取为b e l a u n s d e r 与d b s p m d m g 的建议值，见表2 2 。 表2 1 各变量的扩散系数r 及源项s 取值 变量毋 ，盯 s 1o0 v 1 p 嚼 一瓦+ 瓦卜面p 苟蜀刈， k 牡瞳o g一+ g + g b 占 矿仃。s ( c ，g c 2 p c ) k + c 3 0 置) g 。 h u 蠕8 h o g 销( 爱l 瞄o v j j ) o r ,g 。