（工程热物理专业论文）空调客车内热舒适性及空气品质的评价.pdf

j e 丞銮通厶堂亟堂位i 金塞 虫塞擅耍 中文摘要 摘要：空调列车内热舒适环境和空气品质的综合评价对改善乘坐条件、维护乘客 的健康、推动空调技术的发展具有十分重要的意义。 作者针对国产2 5 t 型空调硬座列车，建立了相应的数学物理模型，并应用 p h o e n i c s 软件对车室内环境参数分布进行了模拟，给出了冬季加湿和非加湿情 况下车室内的空气温度场、速度场和相对湿度场，对模拟结果进行了分析。 本文分析了热舒适概念的模糊性和冬季车内热不舒适的原因，构建了两级评 价指标体系，提出了冬季热舒适性的二级模糊综合评价模型。在对热感觉指标和 干燥感觉指标进行等级划分的基础上，构造了各影响因素相对于指标等级的隶属 函数。采用层次分析法确定了影响热感觉的三个参数( 空气温度、气流速度、相 对湿度) 的权系数。本模型将相对湿度对干燥感觉的影响明确地引入到对热舒适 的模糊综合评价中。 为了预测乘客的热舒适性，规定了头部、腹部、脚部评价点的选取原则，将 模拟计算得到的车室内环境参数代入所建立的热舒适模糊综合评价模型中，通过 编制m a t l a b 程序，计算了每个座位乘客头部、腹部、脚部的热舒适指标。 分别采用模糊数学和灰色关联分析法对列车内污染物的实测数据进行评价， 两种方法结果基本一致。对灰色关联法的结果处理方法进行了改进，取得较好的 效果。 关键词：数值模拟；热舒适；室内空气品质；模糊综合评价；隶属函数；灰色关 联分析； 分类号： i b 塞交通厶堂亟堂位论塞 旦s ! 鲨! a b s t r a c t a b s t r a c t ：t oe x a c t l yr e a l i z ea n dc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t et h et h e r m a lc o m f o r ta n d i n d o o ra i rq u a l i t y ( i a q ) i nat r a i nc o m p a r t m e n ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ei m p r o v e m e n t o f t h el i v i n gc o n d i t i o no f t h ep a s s e n g e r sa n d a h v a ct e c h n o l o g y t a k i n gy z 一2 5 tt r a i nc o m p a r t m e n ta sam o d e l ，u s i n gc f d s o f t w a r ep h o e n i c s ， i n d o o ra i r f l o wo fn a t u r ec o n v e c t i o na l es i m u l a t e d ，t h ef i e l do fa i rt e m p e r a t u r e ，v e l o c i t y a n dr e l a t i v eh u m i d i t yi nw i n t e rd a y sa l eo f f e r e da n da n a l y z e d a f t e ra n a l y z i n gt 1 1 ef u z z i n e s so ft h e r m a lc o m f o r ta n dt h em a i nc a u s e so ft h e r m a l c o m f o r td i s s a t i s f a c t i o ni nc o l dw i n t e rd a y s ，at w o l a y e re v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mi s c o n s t r u c t e d ，at w o l a y e rf u z z yc o m p r e h e n s i v ea s s e s m e n tm o d e lf o rw i n t e rt h e r m a l c o m f o r ti sb u i l tc o r r e s p o n d i n g l y b a s e do ng r a d a t i o no ft h e r m a ls e n s a t i o ni n d e xa n d d r o u g h ts e n s a t i o ni n d e x ，t h em e m b e r s h i po fe a c hi n d e xt oi t sf a c t o ri sc o n s t r u c t e d t h r o u g ha n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s sm e t h o d ( a h p ) t h ew c i g h to fe a c hf a c t o r ( a i r t e m p e r a t u r e , a i rv e l o c i t y , r e l a t i v eh u m i d i t y ) i n f l u e n c i n gt h e r m a ls e n s a t i o ni sd e t e r m i n e d t h i sm o d e lc l e a r l yi n 仃o d u c e st h ei m p a c to f d r o u g h ts e n s a t i o nb yr e l a t i v eh u m i d i t yi n t o t h e r m a lc o m f o r tf l l z z yc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t b r i n gt h es i m u l a t i v er e s u l t so f t h et r a i nc o m p a r t m e n ti n t ot h ef u z z yc o m p r e h e n s i v e a s s e s s m e n tm o d e lf o rw i n t e rt h e r m a lc o m f o r t ，t h et h e r m a la s s e s m e n ti n d e xi sg i v e nb y m a t h e m a t i c a ls o f t w a r em a t l a b ，s ot h et h e r m a lc o m f o r ts t a t eo fe a c hp a s s e n g e ri sa b l e t ob ei n v e s t i g a t e d s o m ep o l l u t a n t sc o n c e n t r a t i o nd a t ai nt r a i nc o m p a r t m e n ti sc o l l e c t e da n di a qi s e v a l u a t e db yf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na n dg r e yi n c i d e n c ea n a l y s i s t h e a s s e s m e n tr e s u l t so fb o t hm e t h o d sa l ea l m o s tu n a n i m o u s an e ww a yt od e a lw i t l lt h e c a l c u l a t i o nr e s u l t so f 伊e yi n c i d e n c ea n a l y s i si sp r o p o s e d ，a n da c h i e v e df a i r l yg o o d r e s u l t s k e y w o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t h e r m a lc o m f o r t ；i n d o o ra i rq u a l i t y ( i a q ) ；f u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ；m e m b e r s h i pf u n c t i o n ；g r e yi n c i d e n c ea n a l y s i s c i 。a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：玛毒色剥l 签字日期：仙四年，2 月1 7 日 导师签名： 签字日期：日 伊 月 挚够崎砖 韭宝窑邋塞堂鲤太堂焦途裳 独剑缝童明 独创键声明 零入声翻掰星交熬学谴论文楚奉入在镑舞撵譬f 遴纷魏研突王露帮取褥静磋 究成聚，除了文中特别加以标注和敛谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过鳇繇究残暴，连不雹含隽获爨憩察交运大学或其绝教育辍擒靛学佼残泛_ 舄 而使刷过的材料。与我同上作的同志对本研究所做的任似贡献均已存论文巾作 了明确静滋明势表示了谢意。 学位论文律者签名：玛寄趁面炙签字西期：z 。6 午l 盖霹l 遴 致谢 本论文的工作是在我的导师徐宇工教授的悉心指导下完成的，在此谨向徐老 师表示衷心的感谢，在近三年的研究生求学期间，导师给了我极大的关怀、帮助 和鼓励，谆谆教诲令我受益终生。徐教授严谨的治学态度、科学的工作方法以及 高尚的人格魅力深深感染着我，也是我努力的方向和学习的榜样。 在实验室工作及撰写论文期间，环境工程专业0 6 届研究生吴国刚、0 7 届研究 生王盟、0 6 级博士研究生王灵芝给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后感谢父母亲多年来一直在背后的默默的牵挂和支持! 1 绪论 1 1本溧鞑研究酶背景爱意义 1 1 1 本课题研究的背景 随罄我鲻铁路攀_ 邂鳃发展，旅客剐摹燕自离逮纯、舒遣纯方囱迈进，空调旋 雾弼车逐年攒多，这无疑褥媛善铁路客车裰务琢凌，舞齑缓爨运输豹竞争力。露 高速列车要求封闭性能更好，空调剐车内的人体热餐适饿及空气质量也成为一个 新兴的研究领域l 。 铁路客乍空气调节的主要功能怒：夏季对室外空气和率内再循环空气进行除 尘、冷却和减澎；冬季对室外守气桶车内拜缀环卒气逑纷除尘和加漫，并把处煺 瑟兹空气疆遗豹流速送入客室，翅瓣蒋雾室内污浊宅气撩除室癸，辍持车蠹瀵 洁盼入选气簸环境。 虽然我困审调客车已制定了车内窄气标准o j ( 见表1 1 ) ，但在列车的实际远行 过程中，由于葶中种原因常常造成车内空气多项参数超标，惭引起旅客的不适。相 关调食表明，约鸯3 0 的旅客乘坐空调客车超过4 8 小时藤会有不适感1 3 1 。笔鬻认 舞，孽兹我豳空润列车内豹a 体热黪逡经及窆气矮量存袭以下薅大鞫题： ( 1 ) 冬季稿鼹湿度达不裂鳋逡馁要求 车内空气的裙对湿度对旅客的舒通感有直接的影响。辩骂前的客车空调系统 就功能而言，主臻控制的是客室内的空气温度p 】。 在冬季，空凋系统通过电热装殿仪控制客室内的空气温度，在加热的过程中， 雾室内的空气濒魔嚣的越高，其摆付滠度辘越低，在北方运行的客车，这个朗髓 显露茏为突鑫1 4 。经毒| 雾霹螽，冬季乍邀勰耪霹潼整逶鬻远远，l 、予书蠹空气参数瓣 浚诗标准。因她，绝大多数旅客冬嚣农军内感至4 燥热不遗1 3 j 。 表1 - 2 绘mr 有关调查资料的汇总1 5 1 1 6 1 ，从中可以看 隳客对卡热舒适性的一： 满意程度，从蘩目4 可以看出，冬攀没有设置有效的湿殿控制装置，影响了旅客 的舒适感。已有调查显示，在冬零乘车时落遍有干燥的感镦。因此，有必耍对冬 季运行静静通 遣餐窝耱澎懿霹 亍豫遂舒充分豹论i l t t 7 1 。 ( 2 ) 普琏蠡窍不露接受翦室痰空气品矮 人们经过近半个世纪对室内空气质楚的关注和研究，终于认识到高6 6 硬的空 气是室内人麒健康的保障。热环境町以靠人的机体调节作用去抵御，而对于室内 象奎邋鑫堂蝴堂僮迨黛 长期低浓度污染，人类机体是没自抵御能力的。凼此，入的健康受审气污染耪 ! j 蒋 往往耍沌冷热等西袭天褥多。 隧老入嚣 对强境要求的提囊、叁我稼护意毒襞熬攘强，对室内空气菇矮躲要袋 也h 加强。翳翦，被我因空调列车露砉，车耱内人e = l 密度大，人员杂，空间相 对较小，丽且在进行空凋系统的设计时聿蟹考虑以冷暖为丰要标志的热环境问题， 对于室内的空7 品质则往往被忽略，最终导致窳肉的空气品质不佳。长期处于这 种环境f 的入们，释翁i 童：【现敝、喉刺激、鼻塞、头牵、炙痛、慧心、鹬闷、乏力、 皮 莰子瀑、辔疆、矮躁等症状，鄢国税胬语弱“空谰瘸”。邋年来曾发生多超l 圭f 予挈嫒痰宅气鼹袋不转母毁袭雾投诉铁路帮门鲍枣传，朗题黪严蘩性秽蒋途性成 该弓l 起铁路科技t 作者的高度重规。袭1 2 的条秘1 显示有3 1 的被调查人员抱怨枣 内空气品质差，1 5 的乘客商恶心等不良感觉。由此雕见，我潮铁路空调客车普遍 其有不可接受舫室内空气品质。 袭1 - 1空滴旅客列帛午葙+ 拄乍杯准值 坝目范围 溢缒夏季2 弘2 8 ；冬苹l 缸2 2 腿速m 砖 o 。5 拥埘湿度 4 0 “7 0 一氯化族 o ，1 5 氧 乞碳m g 稿 l o 可吸入黝粒t t t g m 3 滚滚躲动魂麓方程： ( 2 - 5 ， 罢垆雾+ 警= p 韵( 雾+ 雾髑贼 ( 5 ) 演浚滚动耗敷搴方程： 塞叫考+ 警；p 约警+ 雾剖， 缀分方程； 赫一咖 知一出塑玉 苏一忍 冬 爿 c 球一y 懈 售 立毒气r 鹏 翁 一 & 毽) 。 在辫 蠲体积下，( 相筹2 3 个数最级) ，p s 岛( 棚筹2 3 个数蹙级) ， 从工程计旃的角度鸯虑，可以认为水汽膜量浓度 e = m u m = 强( 致+ 强z 致( 2 - 9 ) 由此，存得到了水蒸气的浓度后，撒据干玎对澎鹰的定义式妒= p 1 p 。x 1 0 0 ， 可得： 妒= 哆墨热矽迓孙) = ( 4 6 1 。4 x l ，0 1 3 1 0 q ) ( 2 8 7 b ) ( 2 1 0 ) = 1 6 2 8 2 x 1 0 孙。 计簿伊菹时，饱和承蒸气压力凡。诃幽永蒸气图表奄出，也可由经验公式# 瑚 计算： 民；2 e x p 1 8 ，5 9 1 6 3 9 9 1 + l ；+ 露 + 2 3 3 s 4 ) 1 1 1 5 ( 2 - 1 1 ) 由上式可以看出，凡。是漱度的誓值蛹数。这就是说，在衡剑了浓度场、温度 场的分析维果后，根据流场中各处温度所对应的饱秘水焦气分压p 。后，即可按式 ( 2 - 1 0 ) 诗算壅霹黩像置戆鞠瓣湿度，奠菠惹跫王耧实蔑辑熊援受静”4 1 。 对于空调车室内空气漉动与传热的数学模越，利用荧同c i - l a m 公司的 p h o e n i c s 软件对模型送行求解。对控制方程，采糊交错嘲格和有限容积法进行 离散。离毅焉静遵稻方程组，速凌与援力的藕合采用s i m p l e 算法。卜西对 p h o e n i c s 软件宵荧部分作淀的介绍。 2 2p h o e n i c s 软件介绍 p h o e n i c s 整獒淄c h a m 公霉开发数挨羧滚动、待热、爱蔽、熬嶷j 妻程瓣逶麓 c f d 软件，有3 0 多年的历史。p h o e n i c s y 秘a r a b o l i eh y p e r b o l i co re l l i p t i cn u m e r i c a l i n t e g r a t i o nc o & s e r i e s 起始字母的缩写谪。该软件的耩本功能i 可计算质避、动量 和链餮寄耱豹舂戳转积方程，霹渡对三缭稳惫或嚣稳惫麓珥瓤缩流或不压缩流 进行模拟，包括： 牛顿流、多i l 介质中的流动，并且可以考虑粘度、密度、温度 变化的影镌。对于特定方向的漉动现象蠢孝i | 应的“擞物线”砖鲣搂块，并艟还蠢 一些附 串，如掰予电子冷却的h o t b o x 模块，搿子等煞和遂诫的f l a i r ，以及爝于 化学汽糊淀积( c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n ) 模拟的c v d p ”。1 9 8 1 年c h a m 公司推 出夔爨上第一个 l 黪浚俸动力攀c f d ) 豹溪逶程j e p h o e n i c s ，1 9 8 4 8 p h o e n i c s 升级为交甄式输入形式，1 9 8 7 年推出1 4 版，本渫题使用的是p h o e n i c s 的3 5 版 ( 2 0 0 2 年) 。是基于w i n d o w s 的版本。 2 列午车室内流场及温度场和湿度场的数值模拟 2 2 1p h o e n i c s 软件的基本构成 ( 1 ) 前处理器( p r e p r o c e s s o r ) 前处理器用于完成前处理工作，p h o e n i c s 的前处理器为 v r e d i t o r ( s a t e l l i t e ) 。前处理环节是向c f d 软件输入所求问题的相关数据，该 过程一般是借助与求解器相对应的对话框等图形界面完成的。 在前处理阶段主要是对所要模拟的物理问题进行数学物理描述。功能一：用 户通过该模块来描述物理模型的形状、尺寸及网格的划分，输入计算中要用到的 物理模型的物性参数，选择计算过程监测点；功能- - ：通过该模块，用户可以结 合物理模型来选择合适的数学模型，并选择迭代次数及各物理量的松弛因子，确 定要输出的物理量。 w i n d o w s 系统下，在v r e d i t o r 中输入的各参数经系统运行可自动生成q 1 文件，也可在0 1 文件下直接编写程序来完成前处理工作。s a t e l l i t e 模块可称 为p h o e n i c s 的预处理模块，它主要根据用户的赋值修改或重置缺省值，并生成 e a r d a t 文件，由该文件将信息传递给e a r t h 。 ( 2 ) 求解器( s o l v e r ) 求解器的核心是数值求解方案，p h o e n i c s 的求解器是e a r t h 。该模块根据 前处理器输入的物理模型和数学模型及其参数进行求解计算。整个计算过程可通 过可视化监视器，对选定的监测点的每个变量进行实时监测。监视器( m o n i t o r ) 可以绘出监测点每个物理变量在每次迭代后的计算值，并绘出前后两次迭代计算 值之间的绝对误差变化趋势曲线，用户可以根据变量的收敛情况和相对误差的变 化情况随时中断计算，并对部分参数进行重新设置，改进计算条件。 ( 3 1 后处理器( p o s t p r o c e s s o r ) 包括p h o t o n 、v r v i e w e r 以及a u t o p l o t 三种形式。p h o e n i c s 软件计 算结果的输出，主要有两种方式：一种是可视化的输出方式，用户可以直观的了 解计算结果的分布情况：另一种输出方式是以文本形式输出结果，各物理量的计 算结果与其坐标相对应，以数字的形式记录在r e s u l t 文件中，用户可以提取出来 进行分析或用于进一步计算。， p h o e n i c s 的结构示意图见图2 1 。 i e 盛銮道太堂亟堂僮硷塞 | 璺j2 - 1p t i o e n i c s 软件的毖本结构 f i g u r e 2 一i t h eb a s i cs t n t c t u r co f p h o e n i c s 2 2 2p h o e n i c s 软件的模型及算法 ( 1 ) 控制方程 该软件的数学基础与其他c f d 软件丰 | 同， 它包含有热、质传递、流体流动、湍流，印： 掣i - d i v ( p ：) ：d i v ( f ，g r a d # ) + _ o t 式中： 即捕述流体流动的一组微分方程。 ( 2 1 2 ) 西一因变量； p 一流体密度，k g m 3 ： “一流体速度矢量，m s ： l 一扩散系数，n s m 2 ； 邑一声的源项。 ( 2 ) 计算域与控制方程的离散 p h o e n i c s 采用有限容积法进行区域离散化，其方程离散通_ h j 的表达式为： 绵席= 氐式+ 舔蟊+ 吒丸+ 丸+ d l 磷1 + 气九+ 唧卉+ s o u r c e s ( 2 - 1 3 ) 其中： a r = 氐+ a s + a e + + a i i + 气+ q ( 2 - 1 4 ) 式l j 的下角标n 、s 、e 、w 、h 、l 、t 分别代表n o r t h 、s o u t h 、e a s t 、w e s t 、h i g h 、 l o w 、t i m e 。 。离散格式可选择一阶迎风、混合格式、q u i c k 格式等等。 1 4 2 到互互室内速毖厦遗魔扬垂! 湿座场鲍数值拦越硒究 ( 3 ) 求解代数方程的迭代法 p h o n i c s 程序求解的是将微分方程用有限容积法离散后的代数厅程缉，采用 “假设一修证”方式，并选择以下迭代法求解： 逐点推进( p o i n t - b y - p o i n t ) 的j a c o b i 迭代法 逐层推进( s l a b - b y - s l a b ) 的g s 迭代法 整场推进( w h m e f i d d ) 这代法 逐点迭代求解的每一步计算只能改进计算区域中的个节点之值，计算收敛 的速度较慢，一般只适用于相邻节点问作用较弱的问题的求解。逐点推进法收敛 迟缓，适用于各变量强烈祸合。 逐层推进求解法是沿一个方向( 如z l ；j ) 逐层推进，先讣算单一层中两个方向( 如 x ，y 向) ，对此层不断修正，然后转向下一层。逐层推进法是s o l v e 命令的默认解 法，对抛物流有较大优越性。 整场推进求解法是在每一轮迭代中同时计入x ，y ，z 三个方向的作用进行计 算，然后进行下一轮迭代修j f 。整场推进适合于弱非线性，如热传导；压力修一 方程通常用此方法。 ( 4 ) 动量方稚的求解方法 在以膳力为基本变量求解流场并采羽分离式求解法时，对挺力、速度的不同 修正即构成s i m p l e r 、s i m p l e c 、d a t a 等s i m p l e 算法的改进和发展算法。在 p h o n e n i c s 中对单相流体问题采用s i m p l e s t 算法。 s i m p l e s t 算法的计算步骤 根据初始速度分布，计舞动量离散方程中的系数及常数项。 根据假定的压力场p ，依次求解动量方程得到“，v + ，w 。 求解压力修_ f 方程，徭p 。 根据p 求解速度改进值。 利用改进后的速度场求解通过源项、物性等与速度场耦合的变量。 利用改进后的速度场重新计算动量方程系数，并用改进后的压力场作为下 一轮迭代计算初始值。重复以上步骤，赢到获得收敛的解。 2 2 3p h o e n i c s 软件对于边界条件和源项的处理方法 p h o e n l c s 处理边界条件方法独特，边界面上不设网格节点，边界条件都是通 过源项形式进入内点方程。即把边界条 牛处理成连续性方程、动量方程、能量方 程、化学组分方程或湍流脉动动能方程中某种类型的“源项”。边界上的值不是 在边界面是设置在邻近边界的控制体中心【3 5 】。 t 塞套遵厶堂亟堂垃途童 将边界条件设置成源项的方法为：c ( 匕一咖) 。其中，啡为邻近边界节点p 的值，c ：为系数，圪为，变鞋在边界 ：的值。当用户指明c ：和巧同时指明相麻边 界位置后，软件自行计算源项并加入邻近边界的内节点方程中。 p h o e n i c s 软件把边界条件分为i 类【3 5 】： ( 1 ) 无通鏊边界条件： 丝：0( 2 1 5 ) 0 x 对这类边界条件p h o e n i c s 程序将自_ j ：加以处理。 ( 2 ) 源项边界条件：将边界祭件作为一种附加源项加入到程序中。 附加源项法的基本思想：将边界上的未知量从方程中消去，在临近边界的节 点方程中加添附加源项。 质量源项。 考虑到流动是由于压力差的存在，因此质量源项是通过压力边界条件给出： 瓯= g ( 一昂) ( 2 - 1 6 )