（机械电子工程专业论文）空调硬座客车车厢内部热舒适性研究.pdf

兰州交通大学硕士学位论文 摘要 随着我国铁路运输事业的飞速发展，铁路空调客车已成为人们出行的主要交通工 具，车厢内部的热舒适性也受到了人们越来越多的关注。目前我国铁路空调客车车厢内 部热舒适性环境比较恶劣，主要表现为夏季偏冷、冬季偏热。西方一些发达国家，大多 以航空运输为主，他们对于铁路空调客车车厢内部热舒适性的研究甚少。近年来，国内 的一些学者开始对铁路空调客车车厢内部气流组织和热舒适性进行研究，但是大多数是 在空载或者定员( 人体模型比较简单) 情况下进行的，而对于超员情况的研究还未涉及。 根据我国目前的国情，铁路硬座客车车厢超员的现象是非常严重的，尤其是在节假日和 寒暑假期间。超员肯定会对车厢内部的空气流场分布产生重大影响，也会影响车厢内部 的热舒适性环境。因此，为了研究铁路空调硬座客车车厢内部的热舒适性环境，本文主 要研究了以下几个方面： 1 在对y z 2 5 g 型铁路空调硬座客车车厢进行合理简化之后，用c a d 软件建立了车 厢的物理模型，利用计算流体动力学软件c f d ( c o m p u t a t i o n a lf 1 u i dd y n 锄i c s ) ，选用 肿彭一占湍流模型，对空载、定员和超员三种工况下夏季车厢内部的空气速度场和温 度场的分布进行了数值模拟。研究了送风参数、送风方式、回风口、送风口、太阳辐射 及乘客对车厢内空气速度场和温度场分布的影响，研究表明：上述因素都能对车厢内空 气速度场和温度场的分布产生影响。 ，2 根据铁路空调硬座客车车厢内空气速度场和温度场的分布情况以及乘客个体对 热感觉的不相同，利用热舒适性评价指标预测平均评价p m v ( p r e d i c t e dm e a nv o t e ) 和预测不满意率p p d ( p r e d i c t e dp e r c e n td i s s a t i s f i e d ) 分析研究了车厢内乘客的热舒适性。 研究了定员和超员两种工况下车厢内不同送风参数和送风方式对热舒适性的影响。研究 表明：车厢内采用条形送风方式虽然比孔板送风方式更加合适，但目前铁路空调硬座客 车实际运行时的送风参数和送风方式仍旧难以满足乘客的热舒适性要求，尤其在超员的 时候，车厢内的热舒适性环境更加恶劣。 3 针对我国目前铁路空调硬座客车车厢实际运行时超员的现状，着重对超员情况下 如何满足车厢内乘客的热舒适性要求进行了研究。对送风口的形状和位置进行了改进设 计，比较分析了不同的送风速度和送风温度下超员车厢内空气速度场和温度场的分布和 热舒适性环境，得到了最优的送风速度和送风温度，为今后铁路空调硬座客车车厢内部 的热舒适性研究提供了依据。 空调硬座客车车厢内部热舒适性研究 关键词：空调客车；数值模拟；热舒适性；超员 论文类型：应用研究 兰州交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er 印i dd e v e l o p m e n to fc h i n a s r a i l w a yi n d u s 时，t h ea i rc o n d i t i o n i n gt r a i n b e c o m e so n eo ft h em a i nt r a n s p o r t a t i o nf o rp e o p l et r a v e l i n g b e c a u s eo ft h eg o o ds e a l i n go f a j rc o n d i t i o n i n gt r a i n ，t h et h e r r n a lc o m f o r ti na i rc o n d i t i o n i n gt r a i nh a sb e e nd r a w i n gm o r e a i l dm o r ea 蚀e n t i o n s a tp r e s e n t ，i t sn o to p t i m i s t i ca b o u tt h et h e 硼a lc o m f o r te n v i r o n m e n to f r a i l w a ya i r c o n d i t i o n e dp a s s e n g e rc o m p a r t m e n tf o rc h i n a ，s p e c i f i co u t s t a n d i n gs u i m e rc 0 0 1 ， w i n t e rp a n i a lh e a ti na i rc o n d i t i o n i n g 缸a i n d u et ot h i n l ( i n g h i 曲1 yo ft h ea i rt r a n s p o r t ，t h e r e s e a r c ho nm et l l e r m a lc o m f o r ti na i rc o n d i t i o n i n gt r a i ni sc 抓e do u tb yf e ws c h o l a r si nt h e d e v e l o p e dc o u i l t r i e si nt h ew e s t kr e c e n ty e a r s ，t h es t u d yo nt h et h e 肌a 1c o m f o r ti n a i r c o n d i t i o m n gt r a i ni sp r o m o t e d ，b u tm o s to ft h e s ea r ep u te m p h a s i so ns t a l l d a r dq u o t ao fs t a f f a n dn o - l o a d ，t h a th a sn o tb e e ni n v o l v e di no v e r c r o w d i n gs i t u a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n t s i t u a t i o no fo u rc o u n 仃) ，t h ep h e n o m e n o no fo v e r c r o w d i n gi ss e r i o u s l yc o m m o ni nr a i l w a y ， e s p e c i a l l yh 0 1 i d a y sa n dd u r i n gw i n t e ra n ds u m 瑚e rv a c a t i o n t h ed i s t r i b u t i o no fa i rn o w f i e l d i nm ec 抓a g ei ss e r i o u s l ya f f e c t e db yt h ep h e n o m e n o no fo v e r c r o w d i n g ，a n ds oi sm et h e 姗a 1 c o m f o r t t h e r e f 0 r e ，抽o r d e rt or e s e a r c ht h et h e h n a lc o m f - 0 r ti n a i rc o n d i t i o n i n gt r a i n ，t h e p h y s i c a lm o d e lo f2 5 g - a i rc o n d i t i o n i n gt r a i ni se s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o no fa i rv e l o c i t ya i l d t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nt h ea i rc o n d i t i o n e dr a i l w a yc a r r i a g ew a sc 硎e do u ta n dt h e m e n n a lc o m f o r ti n a i rc o n d i t i o n i n gt r a i ni sa n a l y z e d i nm i ss t u d y ，i n c l u d i n gt h ef 0 1 l o w i n g a s p e c t s ： 1 t h ep h y s i c a lm o d e lo f2 5 g - a i rc o n d i t i o n i n gt r a i ni se s t a b l i s h e db a s i n go nt h e s i m p l i f i c a t i o no ft h ec a r r i a g eb yc a d t h e n ，t h es i m u l a t i o no fa i rv e i o c i t ya n dt e m p e r a n l r e d i s t r i b u t i o no nt h ea i rc o n d i t i o n e dr a i l w a yi ns u m m e rw a sc a r r i e do u tb yu s i n gm et u r b u l e n c e m o d e lo fj l ( ；盯一占f o rt h r e ec a s e st h a tc f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) i nt h e c 0 n d i t i o n so fn o - l o a d ，o f ! e i c i a l ss a i da n di n d i c a t e d t h ea 行e c t i o n so na i rv e l o c i t ya n d t 锄p 咖ed i s t r i b u t i o nb yr e t u ma i r 鲥1 l e ，a i rs u p p l yo u t l e t ，s 0 1 a rr a d i a t i o na n dp a s s e n g e r s a r es t l l d i e d t h ea n a l y s i ss h o w sm a tt h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ea n da i rv e l o c i t yf i e l di s a f f e c t e db yt h er e t u ma i r 鲥1 l e ，a i rs u p p l yo u t l e t ，s o l a rr a d i a t i o na n d p a s s e n g e r s 2 a c c o r d i n gt om ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a h 】r ea n da i rv e l o c i t y 矗e l da 1 1 dm ep a s s e n g e r d i f | 衙e n tf e e l i n g si n 也eu n e v e nd i s t r i b u t i o no fa i rc o n d i t i o n i n ga i rf l o w ，m et h 锄a l c o m f o r to ft h ec 删a g eo fp a s s e n g e r si sa n a l y z e db yt h e m l a lc o m f o r te v a l u a t i o ni n d e xt h a t m ep m v ( p r e d i c t e dm e a nv o t e ) a n dp p d ( p r e d i c t e dp e r c e n td i s s a t i s f i e d ) e v a l u a t i o ni n d e x s y s t 锄t 1 1 ea f f e c t i o n so nd i s m u t i o no ft 锄p e r a t u r ea n d a i rv e l o c i t yf i e l d b yd i 胁e n ts p e e d ， t e n l p 咖ea n da i rs u p p l ya r ea n a l y z e d t h ea n a l y s i ss h o w sm a tw h i l et h eb a rs u p p l ya i ri n a i rc o n d i t i o i l i n gt r a i ni sm o r ea p p r o p r i a t et 1 1 a nt h eo r i f i c ep l a t es u p p l ya i r ，t o ob i gs p e e do fa i r s u p p l yt l l ec o m p a i t m e n tm a k e st h ep a s s e n g e r sh a v e1 0 c a lb l o 毗l a c kf e e l i n g ，t 1 1 0 u 曲i t 空调硬座客车车厢内部热舒适性研究 i m p r o v e st h et h 锄a 1c o m f o nn e a rm ew i n d o w a tp r e s e n t ，t h ep a r a m e t e r so f a i rs u p p l ya r e d i m c u l tt om e e tt h et h e 彻a lc o m f o r to f p a s s e n g e r s i n r a i l w a y ， e s p e c i a l l y i n o v e r c r o w d i n gs i t u a t i o n 3 a c c o r d i n gt om ec u r r e n to v e r c r o w d i n gs i t u a t i o no fo u rc o u n t 巧sa i rc o n d i t i o n i n gt r a j n ， f o c u s i n go ns t u d yo nh o wt om e e tt h et h e m l a lc o m f b r tr e q u i r e m e n t so fp a s s e l l g e r si n s i d ei n o v e r c r o w d i n gs i t u a t i o n t l h er e t l l ma i rg r i l l e ，a i rs u p p l yo u t l e ta r ei m p r o v e d t h ec o m p a r a t i v e a n a l y s i so fd i f j r 僦cs e c t i o n si na i rc o n d i t i o n i n gt r a i no fo v e r c r o w d i n gt oa c h i e v et h eb e s t d i s t r i b u t i o no ft e r 】 1 p e r a t u r ea 1 1 da i rv e l o c i t yf i e l d ，i no r d e rt op r o v i d em eb a s i sf o rt h em t l 】r eo f t h et l l e n n a lc o m f o r ts t u d yo ft h ea i rc o n d i t i o n i n gr a i l w a yi n s i d e 1 q yw o r d s ： a i rc o n d i t i o n i n gt r a i n ；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 玎1 f o r t ；o v e r m a n 兰州交通大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究的背景和意义 经过几次大提速，我国的铁路运输事业有了长足的发展，正朝着安全、高速、舒适、 节能的方向迈进。人们在乘坐铁路空调客车时已不再满足一张票、一个座位( 虽然购票 依旧困难) ，而对乘坐车厢内环境的舒适性有了更高的要求。 铁路空调客车相对于汽车来说更加安全，相对于飞机来说更加实惠，相对于轮船来 说更加快捷，所以，铁路空调客车已成为大多数人出行的首选交通工具。人们乘坐铁路 空调客车时，车厢就是他们的临时居住场所，铁路空调客车由此也被形象的称为“移动 的建筑”。对于这座“移动的建筑”人们不但希望它结构安全可靠、动力十足，还要求 它能够给人们提供良好的乘坐舒适性。在夏季，有过乘坐铁路空调客车的人们都有这种 体会，当从炎热高温的室外环境中走进空调客车车厢后，刚开始会觉得非常凉爽，很舒 服，但是过一会之后就会感觉到凉甚至冷了，这就充分说明了空调客车车厢内的热舒适 性环境是不宜人的。再者当前我国铁路空调客车在实际运行时车厢内的乘客几乎不是定 员，而是大部分都超员；但车厢内的热舒适性环境是根据定员的情况设计的，因此，在 实际运行时，合理的控制客车内空调的送风速度和温度，甚至改变送风方式，以此创造 一个良好的乘客乘坐舒适环境，具有非常重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究的现状 2 0 世纪2 0 年代人们开始对热舒适性进行了研究，1 9 1 9 年，美国采暖通风工程师协 会( a s h v e ) 在匹兹堡实验室第一次研究了室内环境对人体热舒适性的影响【l 】。1 9 3 2 年，v c i i l o n 等【2 】使用黑球温度代替干球温度对热辐射进行了修正，得到了修正有效温度 温标c e t ( c o r r e c t e de f f e c t i v et e m p e r a l 眦e ) ；19 5 0 年，y a g l o u 等对热辐射进行了修正， 提出了当量有效温度的概念；1 9 6 7 年，p o f a n g e r l 3 】在k a n s a s 州立大学的实验数据基础 上发表了著名的热舒适方程式。1 9 7 0 年，p 0 f a n g e r 以人体热舒适方程和a s h r a e 七 点标度为出发点，得到了目前广泛使用的热舒适评价指标p m v p p d 。该指标最具有科 学性和实际应用价值，并在1 9 8 4 年得到了国际化标准组织的认可。1 9 9 9 年，c h u n gk c 【4 j 为了提高现代建筑室内的空气质量，对空气三维流场和污染浓度的分布进行了数值模拟 计算，再与实际房间的测量结果对比分析，验证了数值模拟结果的合理性。2 0 0 0 年， s h _ u z om 【5 】应用计算流体动力学软件，选用低雷诺数湍流模型和人体两节点模型模拟计 空调硬座客车车厢内部热舒适性研究 算了人体与环境热湿传递过程中空气速度场、温度场和湿度场的分布，模拟研究结果与 实际测量结果非常相近。2 0 0 1 年，c h u n gkc 等【6 】研究了不同位置的送风口及不同位置 的回风口对房间内通风情况的影响，然后利用t r a c e r g a s 技术对实验室实验和室内空气 污染物的分布进行了全面测试，结果表明了送风口的位置对房间内的通风效率具有决定 性的影响。2 0 0 8 年，m u h s i n k 【7 】为了研究人体和周围环境的热交换，建立了与实际情形 相符的房间和人体的物理模型。计算了空气流动速度、温度和湿度分布以及人体与环境 之间的热交换，确定出了有效的实验和理论数据。 在国外，对车厢内空气流场的数值模拟计算主要是研究了空调汽车车厢内的气流组 织和热舒适性。k a z u h i k om 8 】为了评价汽车内的热舒适性，对人体模型在不同温度下的 热感觉反应进行了研究，确定出了小范围环境下热舒适与否的判定条件，给出了六个热 舒适评价指标；然后对人体模型进行了改进，改进后的人体模型能够评价人体出汗对热 舒适性的影响。o m e rk 【9 】对汽车内供热期间的多个时间点的温度、湿度和气流速度进行 了测量，对测量结果进行研究分析来评估温度条件对人体生理感觉和热舒适的影响，评 定出了合理的热舒适条件。模拟实验时把人体细分成1 6 个静止的小部分，用计算机模 拟出了汽车内部的环境与人体之间的热交换，计算出的数据与实际数据进行了比较，事 实证明了实验数据与实际数据是相符的。k a z u h i r of 【1 0 】应用计算流体动力学软件和人体 行为学研究了在地铁运行环境下环绕型空调系统对空调的负荷程度和乘客的热舒适性 的影响。研究中应用人体行为学对实际运行时的地铁进行了模拟，主要是针对地铁拥挤 的情况进行了预测，然后对环绕型空调系统进行了多种设计改进；应用计算流体力学软 件研究预测了冬季环境下列车内乘客的热舒适性。将研究结果与传统的空调系统下的人 热舒适的体验与空调的负荷进行了比较，指出了改进方案的优势。k aws j 在大型客车 上研究了空调系统的安放位置对乘客热舒适性的影响。目前的空调系统设定不是按照满 足乘客的热舒适性和空气质量指标进行，于是他提出了一个在大型客车运输环境中满足 要求的“乘客舒适度优先”标准来安装空调系统，所有的身体感觉参数和主观感觉都是 根据实际客车运行过程中进行的测量及乘客投票所得。通过对比分析主观和客观的数据 关系，建立了一个良好的舒适度模型并且预测评估了各种条件下乘客对于客车内部热舒 适和空气质量的不满意百分比，最终给出了空调系统的安装新标准以及硬件安装指南。 k a z u l l i r of 【1 2 j 采用计算流体动力学软件和人体行为模型，研究了地铁站内空调系统对空 调负荷和人体热舒适性的影响，选择拥挤的人群区作为计算区域，计算结果表明与常规 空调系统比较，工作环境空调系统能改善乘客的热舒适性并能降低空调负荷。g a y l a r da p 【l3 】讲解了空气动力学在列车运行中空气动力方面的应用，研究了隧道中横向风对高速 运行的列车及车厢内乘客的热舒适性的影响，并且对结果进行了详细的分析。c h o w w 兰州交通大学硕士学位论文 k 【1 4 j 提出由于现代的铁路客车的窗户都是封闭的，所以机械通风设备和空调系统就变得 越来越重要了。在空调系统的设计中，换气频率是一个很严重的因素，尤其是在日常乘 客相对较多的情况下。于是在不同的通风频率下对电量消耗进行了测量，并建立了低 c 0 2 浓度下空调的电力消耗模型。k a z u h i k om 【1 5 】为了测量不同温度环境下皮肤表面的温 度，建立了载人汽车内不同温度环境下的人体计算模型，这个模型可以评价局部热环境 对热感觉的六个指标的影响。 根据以上内容，我们可以看出：国外主要是研究汽车车厢内及建筑物室内的热舒适 性，而几乎没有对铁路客车车厢内的热舒适性进行研究。这种现象的出现主要是由国外 人们的生活环境和所选择的交通工具造成的，在国外，汽车及地铁是人们首选的代步交 通工具。 1 2 2 国内研究的现状 我国疆土宽广，东西和南北方向上运行区间的距离非常大，再者铁路客车相对汽车、 飞机和轮船来说要更加安全、实惠、便捷，所以，铁路空调客车在我国交通的客运行业 中起着举足轻重的作用，特别是在中长途客运方面铁路空调客车已成为了人们的首选代 步交通工具。上个世纪8 0 年代，随着我国经济的迅速发展和人们生活质量的提高，国 内的一些学者和专家对热舒适性这个问题也越来越重视，最先是对建筑物内的人体热舒 适进行了研究。谈美兰等【i6 】对夏季高温环境下空气流动对人体热舒适性的影响进行了研 究分析，并在吹风环境下对人体生理及心理的热舒适性进行了实验研究。研究表明：过 高的空气流动速度、温度或长时间的吹风都可能会导致人体不舒适。刘向龙【1 7 】在上送上 回通风方式下，采用r 一占湍流模型和热舒适性评价指标p m v ，对室内空气三维流场分 布及p m v 值进行了模拟计算，研究了不同送风速度下室内空气速度场、温度场及p m v 值分布情况，并分析比较了不同送风参数及服装热阻对室内p m v 值的影响。奠定了如 何合理选定空调送风参数及符合人体热舒适性要求的理论基础。 近年来，我国的铁路客运行业发展相当迅速，乘客对车厢内乘坐舒适性的要求也越 来越高，同时计算机技术及数值计算方法也有了飞速的发展。于是对铁路空调客车车厢 内的热舒适性研究也随之而来。在国内一些科研机构，应用数值模拟的方法对铁路空调 客车车厢内的三维流场和热舒适性进行了研究。张登春【l8 】利用带浮升力效应的k 一占湍 流模型对空调硬座车内三维紊流流动和传热进行了数值模拟。采用有限容积法将计算区 域离散为均匀网格，用s i m p l e 算法求解离散控制方程，研究了空调硬座客车车厢内空 气速度场、温度场及热舒适性评价指标p m v 分布规律。研究结果为空调车厢内气流组 织的优化设计提供了依据，并且对改善车厢内人体热舒适环境也具有指导意义。杨培志 研究了y w 2 5 g 型空调客车硬卧车厢内乘客的热舒适性，根据实际运行情况建立了物 空调硬座客车车厢内部热舒适性研究 理模型，采用标准的r s 湍流模型对车厢内空气的流动及温度分布进行了数值模拟， 研究车厢内空气速度和温度场的分布规律，为研究热舒适性指标p m v 值奠定了基础。 唐逸等【2 0 】以p o f a l l g e r 热舒适方程及p m v p p d 评价指标为理论依据，对夏季空调客车 车厢内的热环境进行了数值模拟计算，在满足乘客热舒适性的情况下，提出了较为合理 的送风速度值，分析了送风速度和相对湿度对空调客车车厢内人体热舒适性和能耗的影 响。刘军朴等【2 1 】建立了客车车厢内的物理模型，采用稳态不可压缩雷诺平均n s 方程， 选择r s 湍流模型，对车厢内的空气速度场和温度场进行了分析。同时把网格划分对 计算结果的影响也进行了分析。研究表明了该模拟方法能准确计算车厢内的空气速度场 和温度场。叶晓江等【2 2 】分析了空调通风系统的位置对车厢内空气品质和人体热舒适性的 影响。从节能和满足乘客热舒适性的角度出发提出了相应的改进措施，同时提出在车厢 内采用个体送风方式来改善卧铺车厢内的空气品质和热舒适性。并且对空调客车车厢内 空气流场进行了数值计算分析，为空调客车车厢内热舒适环境的优化研究提供了技术支 持。向立平等【2 3 】采用k 一占湍流模型和贴体坐标，应用整体求解法计算空调大巴车厢内 气固耦合传热问题，应用m o n t ec a r l o 法分析计算太阳辐射在车厢内固体表面引起的附 加热流变化，研究了空调大巴车内空气速度场和温度场及热舒适评价指标p m v p p d 的 分布情况。张俊等【2 4 】对夏季空调客车车厢内乘客热舒适性进行了研究，从多个方面分析 了造成这一问题的原因，并提出了相应的解决方案。宋宇尧等【2 5 j 利用 m a t l a b s i m u l i n k 平台，建立了空调硬座客车车厢的物理模型及p m v 值的计算模 型，并考虑了人体散湿量、空气相对湿度及内壁温度和平均辐射温度对p m v p p d 值的 影响。从理论上分析了空调硬座客车空调双位控制分别采用不同的反馈信号对热舒适性 的影响。陈焕新等【2 6 】分析了空调列车中的几种不同形式的送风方式，并指出其对人体热 舒适性具有重大的影响。陈焕新等【2 7 】采用c f d 软件对空调硬卧车厢内空气速度场和温 度场进行了数值模拟，研究了车厢内空气速度场和温度场的分布规律及热舒适评价指标 p m v 和人体吹风感指标p d 的分布情况。研究结果对于改变目前车厢内上、中、下铺气 流分布不均的现状及改善车厢内乘客的热舒适环境提供了理论依据。张登春等【2 列采用 盯一占湍流模型，对载人空调硬座车厢内空气速度场和温度场进行了数值模拟计算，并 利用p m v 指标对车厢内人体的热舒适性进行了分析。结果对于研究空调车厢内气流组 织的分布及热舒适性环境的改善具有很大的帮助作用。杨培志等【2 9 】利用f o i 汀r a n 语言 进行编程，计算了夏季不同温湿度情况下空调客车车厢内的p m v 值和p p d 值。通过比 较分析，提出了基于热舒适性要求的夏季空调客车车厢内温湿度设定值的合理区间。朱 志伟【3 0 阐述了舒适列车空调系统的要求及其实现方法，提出了舒适列车空调系统的节能 途径，并表明了舒适列车空调能更好地满足旅客的舒适性要求及实现节约能源目的。王 兰州交通大学硕士学位论文 思平等【3 i 】利用a 卸a k 2 1 软件，选择室内零方程模型，对某一房间内3 种送风速度下的 室内热舒适性进行数值模拟研究，得到了3 种送风速度下的空气速度场、温度场、及热 舒适性评价指标p m v p p d 分布图。该研究表明不同的送风速度对室内流场的分布影响 不大，但送风口下方区域的热舒适性会受到一定的影响。卢津等【3 2 】通过对乘客进行问卷 调查和众多的数据测试，结合人机工程学原理，提出了铁路客车乘客舒适度综合评价标 准。并利用统计学原理找出这些因素综合作用于人体的规律，使客车舒适度由定性的分 析上升到定量的综合评价。高秀峰等【3 3 】采用彤一占湍流模型，利用固体区域应用区域扩 充方法，对空调客车车厢内三维空气流场和温度场的分布进行了数值模拟研究，为空调 客车车厢内热舒适环境的优化研究提供了依据。 由此可以看出，目前国内对铁路空调客车车厢内热舒适性的研究已经取得了一些成 果，但这些研究工作基本上是在空载或者是定员的情况下进行的( 而且定员情况下建立 的人体模型比较简单) ，而没有考虑我国的实际情况，即超员的情况，超员的现象在国 家法定节日前后及寒暑假期间是非常严重的( 我国铁路客运允许超员) 。其次数值模拟 计算所采用的湍流模型一般都是标准的k 一占湍流模型，但是舢r 一占湍流模型在模拟 气流组织方面具有更好的准确性【3 4 】。因此，本文在数值模拟计算时选用尉帽r s 湍流 模型。 1 3 研究的内容和章节安排 本文在总结前人对铁路空调客车车厢内热舒适性研究的基础上，以y z 2 5 g 型铁路 空调客车为研究对象，采用舢盯一s 湍流模型，对空载、定员和超员三种情况下夏季 铁路空调硬座客车车厢内空气速度场和温度场的分布情况进行模拟；然后，利用 p m v p p d 评价指标系统分析了车厢内乘客的热舒适性；最后，着重对超员情况下如何 满足车厢内乘客的热舒适性进行了研究。为了得到合理准确的研究结果，利用c a d 软 件按照空载、定员和超员三种情况建立了合理的物理模型( 空载即假设车厢内没有乘客， 对y z 2 5 g 型铁路空调硬座客车车厢内部结构进行合理的简化，建立物理模型；定员是 在空载物理模型的基础上，按定员人数增加单人模型，单人的脚、小腿、大腿、躯干、 上臂、下臂和头分别用长方体表示；超员是在定员物理模型的基础上，增加站立人体模 型) ，再通过c f d 软件对所建物理模型逐一进行数值模拟计算，并对所得实验数据进 行分析总结，完成夏季情况下铁路空调硬座客车车厢内乘客热舒适性的研究。 第一章主要介绍了本论文研究的背景及意义、国内外研究的现状分析和研究方法、 内容。 空调硬座客车车厢内部热舒适性研究 第二章建立了空载、定员和超员三种工况下空调硬座客车车厢数值模拟研究所需要 的物理模型，对车厢内的人体模型进行了细化，同时介绍了本文数值模拟计算所用的 r g 盯一占湍流模型及边界条件的设定： 第三章对铁路空调硬座客车车厢内的空气速度场和温度场进行了数值模拟分析，分 别研究了空载、定员和超员三种工况下，空调系统不同的送风参数及送风方式对车厢内 空气速度场和温度场分布情况的影响，并进行了比较分析。 第四章分析了铁路空调硬座客车车厢内影响乘客热舒适性的因素，并介绍了人体热 舒适的评价指标p m v p p d 。然后利用p m v p p d 热舒适评价指标对车厢内乘客的热舒 适性进行了评价，分别研究了定员和超员两种工况下，空调系统不同的送风参数及送风 方式对车厢内乘客热舒适的影响，并进行了比较分析。 第五章提出了满足超员情况下车厢内乘客热舒适性的方案。对车厢内送风口的位置 和尺寸大小进行了改进设计，利用第二章所述数值模拟方法进行计算，得到了改进后不 同的送风速度和送风温度下车厢内空气速度场和温度场的分布情况。然后利用 p m v p p d 热舒适评价指标对超员车厢内乘客的热舒适性进行了评价分析，总结出了满 足超员情况下车厢内乘客热舒适性的送风参数。 第六章总结本论文所做的研究及对今后工作的展望。 兰州交通大学硕士学位论文 2 模型的建立及模拟方法 2 1 研究对象 本文以y z 2 5 g 型铁路空调硬座客车车厢为研究对象( 如图2 1 - 2 2 ) ，y z 2 5 g 型空 调硬座客车是唐山机车车辆厂设计制造的国产化2 5 型客车，车内设有乘务员室、 配电室、电茶炉室、两个洗脸间和两个厕所，硬座车为3 + 2 座位布局，定员1 1 8 人， 客室内设有人体仿形座椅，车内线条流畅，色调清新；采用2 0 9 t 型转向架，10 4 型分配阀：车顶设两台空调机组，集中供电、电热采暖，是我国现阶段运行的主 型硬座客车【35 1 。y z 2 5 g 型铁路空调硬座客车车厢性能参数如表2 1 所示： 图2 1y z 2 5 g 型铁路空调客车硬座车厢实型图 图2 2y z 2 5 g 型铁路空调客车硬座车厢平面布置图 1 乘务员室；2 配电室：3 电茶炉室；4 洗脸间；5 厕所 空调硬座客车车厢内部热舒适性研究 表2 1y z 2 5 g 型铁路空调硬座客车车厢性能参数 运用最高速度 1 2 0 k n l 1 l 定员 1 1 8 人( p ) 车体长度 车体宽度 车辆最大高度 车体静止传热系数 ks1 1 6 w ，m 2 2 2 物理模型 为了确定合适的计算研究区域，需要对y z 2 5 g 型铁路空调硬座客车车厢的实际模 型进行简化，除去车厢两端的乘务员室、配电室及洗手间之后，其内部结构的几何参数 为：车厢净长1 9 6 8 0 m m ，净宽2 9 0 0 n h n ，净高2 5 0 0 m m ，车厢两侧各设1 2 排等间距座 椅( 宽度分别为1 3 5 0 m m 和9 0 0 m m ) ，在车厢两侧1 9 5 0 n h n 高度处各设一排行李架( 宽 度为5 0 0 n h n ) ，考虑到客车在运行过程中，行李架上物品形状的复杂性，在数值模拟 计算时进行了简化，未考虑物品的存在。空调硬座客车车厢内的送风方式为顶部送风， 即孔板送风方式或条形送风方式；回风方式为两侧回风，即采用车厢两端的车门作为回 风口。y z 2 5 g 型铁路空调硬座客车车厢三种工况物理模型如图2 3 所示： ( a ) 孔板送风方式仰视图 ( b ) 条形送风方式仰视图 ( c ) 铁路空调硬座客车车厢空载情况平面布置图 8 兰州交通大学硕士学位论文 ( d ) 铁路空调硬座客车车厢定员情况平面布置图 ( e ) 铁路空调硬座客车车厢超员情况平面布置图 图2 3y z 2 5 g 型铁路空调硬座客车车厢物理模型 2 3 网格划分 根据建立的物理模型确定计算区域之后，就可以对模型划分网格。网格划分的质量 的高低对数值模拟的计算速度、精度及收敛性都能够产生非常重要的影响，对于计算结 构比较复杂的模型时体现的尤为明显。 同时，为了提高计算机运行的速度及结果的精度，在划分网格时还应把网格细密的 程度直接与物理量在计算区域内的变化统一考虑。一般情况下，相同网格类型时，网格 数量越大，就能得到越精确越详细的计算结果，但还应该根据计算机硬件条件，将模型 网格数量控制在一定范围内。 本文研究的是y z 2 5 g 型铁路空调硬座客车车厢，其计算区域结构复杂，但比较规 则，同时还要对多种工况进行数值模拟计算。因此，本文选用非结构化网格( h e x a u 1 1 s t 门】曲鹏d ) 对计算区域进行网格划分，在对计算区域进行网格划分时注意了一下几点： ( 1 ) 在送风口和回风口附近空气速度和温度梯度变化较大的地方，所以应对网格进 行加密。在车厢中部空气速度和温度梯度变化较小的地方，就不用对网格进行局部加密， 这样不但可以减少网格数量，而且还不影响网格的质量。 ( 2 ) 在有物体的地方，如座椅、行李架、乘客以及近壁面区域需要对网格进行加密 处理。 ( 3 ) 在网格生成的过程中，应尽可能的保持单个网格的低延伸比及合适的形状，这 样能够减少长且扁的网格和扭曲的网格，提高求解的稳定性。 ( 4 ) 对于生成的网格，其网格单元表面率不能小于o 1 5 ，表面线性率不能小于o 1 5 ， 网格单元容积不能小于1 0 0 2 ，否则会影响计算结果的收敛。 空调硬座客车车厢内部热舒适性研究 2 4 数学模拟计算 2 4 1 数学模型 湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中流体的各种物 理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。从物理结构上说，湍 流可以看作是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些漩涡的大小及旋转轴的方向 分布是随机的。大尺度的涡旋主要是由流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大 小相比拟，是引起低频脉动的原因；小尺度的涡旋主要是有粘性力所决定，其尺寸可能 只有流场尺度的千分之一量级，是引起高频脉动的原因。大尺度的涡旋破裂后形成小尺 度涡旋，小尺度的涡旋破裂后形成更小尺度的涡旋，因而在充分发展的湍流区域内，流 涕涡旋的尺度可在相当宽的范围内连续地变化。大尺度的涡旋不断地从主流获得能量， 通过涡旋问的相互作用，能量组建向小的涡旋传递。最后由于流体粘性的作用，小尺度 的涡旋不断消失，机械能就转化( 或称为耗散) 为流体的热能。同时由于边界作用、扰 动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动p 刚。 在目前的计算机条件下，湍流直接数值模拟是研究各向同性湍流和低雷诺数切边湍 流的物理机制的最佳工具。直接数值模拟方法就是直接用瞬时的n a v i e r s t o k e s 方程对湍 流进行计算，但瞬时n a v i e r - s t o k e s 方程的非线性使得用解析的方法来精确描写三维时间 相关的全部细节变得极端困难。从工程应用的角度上看，绝大多数过程实际问题迫切需 要的并不是湍流的精细结构，而是湍流所引起的平均流场的变化，是整体的效果。所以 人们很自然的把研究的着眼点转移到平均量上来，开辟了分析和处理过程湍流问题的新 途径雷诺时均法，它是目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法。根据对雷诺应力作 出的假设或处理方式的不同，一般可以将其归为雷诺应力模型和涡粘模型。涡粘模型在 目前工程计算中应用更加广泛，常用的是两方程模型，它主要包括标准的盯一占模型和 册r 一占模型【”】。 在不考虑铁路空调硬座客车运行影响的前提下，应用涡粘模型将车厢内的空气流动 作为一般室内的气流组织模型进行研究，需要做以下假设： ( 1 ) 硬座车厢内的空气为不可压缩流体，且符合b o u s s i n 印假设； ( 2 ) 硬座车厢内空气的流动看作稳态流动； ( 3 ) 不考虑车厢内固体壁面间的热辐射，空气作为辐射透明介质处理； ( 4 ) 空调硬座客车车厢气密性好，忽略漏风因素。 根据以上假设，空调硬座客车车厢内空气流动与传热控制方程可以描述如下【3 8 铘】： 连续性方程： 兰州交通大学硕士学位论文 钆甄= 0( f = 1 ，2 ，3 ) ( 2 1 ) 式中为流体速度的分量； 运动方程： 誓心誓：一娶+ + v ) 誓+ 要 ( 2 2 ) 瓠t j 融i a x i 瓠? ”瓠i 8 x i l 卜j 式中辑为流体平均流速，p 为平均压力，v 为分子粘性系数，u 为湍流动力粘性系 数； r 方程： 警蜘，考2 乞吖+ 毒( c 罢，考j c 2 渤 占方程： 豢栅，考寻专l c v + 尝，考j + ( 乞- 最一巳纠丢 c 2 q 式中只为湍流脉动动能产生项： 只= 2 v 觋s ， s 2 糖詈j s i f 为平均应变率量张量，在盯方程和s 方程中包含5 个系数巳，巳。，巳：，吒，吒可给出 如下： 标准的盯一e 湍流模型的系数： 气= 0 0 9 ，巳1 = 1 4 4 ，巳2 = 1 4 2 ，c r r = 1 o ，= 1 3 舢k 一占湍流模型的系数： 7 7 i1 一旦l 气_ o 0 8 5 ，铲1 4 2 一告；乞z _ 1 6 8 ；q _ o 7 1 7 9 ；吒_ 0 7 1 7 9 ； 7 7 = 譬；s ：( 2 墨，s ，) ；7 7 0 ：4 3 8 ，：o 0 1 5 式中巳、c l 、乞、q 、和为模型系数，7 为湍流时间尺度与平均流时间尺度 之比，7 7 0 为叩在均匀剪切流中的典型值。 湍流流动能量方程： 空调硬座客车车厢内部热舒适性研究 毒c 彤，= 毒( 筹+ 箦j 筹+ 号 c 2 5 ， 专昙( p v ) + 专南( 户y _ 妻霎熬篡j ；1 + 中c 2 6 ， ，a ，7f ，v 5 。 利i 兰州交通大学硕士学位论文 。为原直角坐标系下的任一输入量，& 为输入量在f 一，7 坐标系下的源项，具体形 式参见文献 4 1 。 如图2 4 所示，在物理平面的计算域应用交错网格，经整理得到离散方程： 口p p = 口s + 口o + s + 口 ， ，+ 6 ( 2 7 ) 式中以为节点系数，6 为节点源项：下标p ，e ，s 为以节点p 为中心的相邻点。 l 图2 4 交错网格示意图 利用有限差分法，差分格式的选取决定了解的稳定性、精确性和收敛性。经试算， 确定为幂函数格式。即：