基于幅流风机的地铁列车乘员人体热舒适分析.docx

    基于幅流风机的地铁列车乘员人体热舒适分析    何锋　刁雷　韦武　赵京摘   要：为研究幅流风机在地铁列车中对乘员人体热舒适影响. 以应用新型幅流风机B型地铁车厢乘员为研究对象. 采用数值模拟加载Stolwijk人体生理温度调节模型结合气流不舒适指标、Berkeley热舒适评价模型对车厢乘员人体热舒适进行研究. 通过实验验证仿真模型准确性，分析了车厢空调送风温度为20 ℃时，加载幅流风机对乘员人体微环境和各指标的影响. 并对比分析了不同频率扰动场函数工况乘员各指標差异. 研究结果表明：幅流风机可提高车厢流场流速和均匀度，改善车厢内气流组织，优化人体微环境热流场. 加载幅流风机后，乘员整体热感觉降低了7.3%、热舒适升高了0.76%. 一定范围内，随着扰动频率的升高人体热舒适下降，最优扰动场函数频率为2.75次/min.Key：幅流风机;热舒适性;地铁车辆;车厢热流场：U461.1                       文献标志码：AThermal Comfort Analysis of Subway TrainOccupants Based on Disturbance-flow FanHE Feng1，DIAO Lei1，WEI Wu1，ZHAO Jing2（1. Guizhou University，College of Mechanical Engineering，Guiyang 550025，China;2. Guizhou Hanghang Technology Co.，Ltd.，Guiyang 550025，China）Abstract： To study the influence of the disturbance-flow fan on the passengers' thermal comfort on the subway train， the new disturbance-flow fan type B subway car occupants was taken as the research object. The human body's physiological temperature regulation model with numerical simulation loading Stolwijk was used to study the cabin crew's human thermal comfort by combining the airflow discomfort index and Berkeley thermal comfort evaluation model. Experiments verified the accuracy of the simulation model. The influence of the loading disturbance-flow fan on the human body microenvironment and various indexes were analyzed when the air supply temperature of the air conditioner in the compartment was 20 ℃. The difference of occupant index in different frequency perturbation field was analyzed. The results show that the disturbance-flow fan can improve the flow velocity and uniformity and the air distribution in the compartment， and it can optimize the human microenvironment's heat flow field. After loading the disturbance-flow fan， the occupant's overall thermal sensation is decreased by 7.3%， and the thermal comfort is increased by 0.76%. Within a certain range， the human body's thermal comfort decreases as the disturbance frequency increases， and the optimal disturbance field function frequency is 2.75 times /min.Key words：disturbance-flow fan;thermal comfort;railroad rolling stock;heat flow field of carriage地铁列车乘员上下车频繁，内部环境复杂多变，车厢内部热环境不稳定且受空调送风及外部环境影响，使得车厢内乘员热感觉及热舒适发生改变. 康伟和李俊[1-2]研究发现风速动态化有利于改善热环境及节能. Mayer E[3]指出气体强度与对流换热系数关系. 由于气体脉流强度改变，皮肤温度产生脉动，冷感受器传输到大脑，产生吹风感[4]. 孙淑凤等人[5]对出风风速进行频谱分析 ，动态风的频谱与自然风的频谱非常相似.幅流风机是一种产生周期扰动气流的送风系统设备. 近年来，随着国产幅流风机的自主研发[6]，幅流风机逐步应用在地铁列车，以改善车厢乘员人体热舒适. 2018年，赵楠[7]对不同送风温度，加载和未加载幅流风机为变量设计了不同工况及满载情况下加载幅流风机得到了车厢PMV分布云图，得出结论幅流风机可改善车厢气流，提高人体热舒适. 黄木生[8]提出自适应舒适标准-气流不舒适感，即ACS-DR准则，其较PMV-PPD 准则更适用于非均匀瞬态的温度场. 杨志刚[9]等人采用Berkeley热舒适评价模型对乘员热舒适状态进行了模拟，得到了各影响因素对人体热感觉及热舒适的影响.目前人体热舒适性评价通常借用适用于稳态、均匀热环境的PMV-PPD评价法. 而地铁车厢环境复杂多变，呈现热环境高度不均匀，幅流风机产生的周期性扰动瞬态气流，因此PMV-PPD评价法应用在幅流风机的地铁车厢内不合适. Zhang等[10]基于非均匀和瞬态条件下人体实验测试，建立了局部热舒适、人体局部热感觉、整体热感觉与整体热舒适模型及人体热舒适预测模型. 目前鲜有该模型在轨道交通领域有加载幅流风机的情况下应用.本文通过数值模拟运用瞬态评价模型分析有无加载幅流风机及不同频率扰动场函数动态工况对地铁乘员各项舒适性指标的影响. 从而解决地铁车厢热-流场沉闷，乘员热舒适性不佳的问题.1   计算流体力学数值计算1.1   人体热舒适性模型根据黄木生[8]提出的气流引起的不舒适度，DR准则函数表达式如下：DR=（34-ta）（v-0.05）0.62（0.37vTu+3.14）    （1）式中：ta为乘员节段某点的温度（℃）;v为监测点的流速（m/s ）;Tu为局部湍流强度（%）;一般来说，对于地铁车厢内流速度较低，湍流强度Tu一般在3%～8%的范围内. 当v小于0.05 m/s时，取v = 0.05 m/s.根据Berkeley[10]人体热舒适模型，局部热感覺指标回归公式如下：式中：Wi为各部位影响权重.整体热舒适与局部热不舒适相关，遵循以下两种规则. 规则1：除非规则2适用，否则整体热舒适度是两个最低局部热舒适度的平均值. 规则2：满足第二低的局部热舒适度指标数大于-2.5且对其热环境有一定的控制，热环境为瞬态，则整体热舒适度是两个最低指标和最大舒适度的平均值.1.2   计算对象及模型建立整车模型及人体模型如图1所示，车厢总长19.8 m，净高2.1 m，净宽2.8 m. 因车厢在长度特征方向上对称，以1/2车厢为计算对象，各风口均按实际尺寸及位置进行布置. 简化合并两侧若干送风口为单一长度送风口，用于送入新风;风口和幅流风机数量减半，顶部设回风口1个，顶部集中回风;送风方式为上送风上回风上下排风形式，如图2所示.设置双轴幅流风机2台，单轴幅流风机1台，风机机组下方均设置回风口1个，置于出气栏栅下方;废排风口布置2个在地铁顶板，列车底部设置条缝型废排风口，采用上下排风形式. 设置半截车厢12人，无站立乘员，人体模型均为1.75 m，75 kg. 图中P1至P6表示乘员1至乘员6.幅流风机是关键模拟部件，叶轮转动带动气流从回风口进入机组. 涡流两次贯穿叶轮，在风罩的辅助下形成较大流量流出，形成工作气流;风罩呈周期性动态摆动，出口气流形成动态气流进入车厢. 单轴幅流风机，叶轮长550 mm，双轴幅流风机是其两倍. 外径80 mm，内外径之比1/2. 幅流风机简化结构如图3，实物安装图如图4.1.3   网格划分通过STRA-CCM+进行几何清理及表面修复，生成增强质量的三角形面网格. 对风机叶轮、出口叶栅、风罩及人体表面生成棱柱层及细化网格10%至50%. 幅流风机出口栏栅下方采用interface连接地铁车厢，为保证出口涡流与地铁车厢进行动量、能量等交换连通，对interface网格细化20%. 网格类型选用多面体网格生成体网格，减少计算资源. 设置核心网格优化循环3次，质量阈值0.5. 尽可能保证在后续计算流体力学得到的热流场更加接近真实情况，保证其有效性及准确性. 地铁及幅流风机整体网格数量332万，如图5所示.1.4   边界条件设置模型计算为隐式非稳态，时间离散格式为二阶，时间步长为0.016 s. 计算车厢内受幅流风机扰动的影响，湍流模型选用Realizable k-ε，无太阳热辐射. 车厢内流属于低速受限流动，选用Boussinesq重力模型. 模型计算须计算风机，选用分离流模型. 分离能量选择AMG线性求解器采用V循环. 车厢内边界条件均按相关设计单位设计参数设置. 半截车厢进风量为4 000 m3/h，回风量2 350 m3/h，废排风量1 650 m3/h. 入口边界条件设置为质量流量入口，数值根据空气密度确定，入口温度20 ℃. 回风口设置为+y轴质量流量入口，经计算数值为0.193 2 kg/s. 顶部出口及列车底部出口边界条件根据废排风量设置为目标质量流量压力出口，压力值分别为50 Pa. 车厢对称面设置为对称边界.车厢内乘员人体热调节模型均采用Stolwijk的人体生理温度调节模型，模型把人体分为头、躯干、右上臂、左上臂、右下臂、左下臂、右手、左手、右大腿、左大腿、右小腿、左小腿、右脚、左脚共14 个节段，每个节段分为核心层、皮肤层、肌肉层和脂肪层. TCM乘客设置根据实验所测设置. TCM边界设置相对湿度保持40%，外部对流列车参考车速75 km/h，外部总温度35 ℃，车身、车窗及车门设置为对流及热传递系数分别为2.4 W/（m2·K）、3.1 W/（m2·K）和4.6 W/（m2·K）.幅流风机：设置叶轮转速1 420 r/min，摆动角度76°. 风机风罩扰动场函数如下：式中：ω为风罩转速;f为扰动频率;t为时间.2   结果与分析2.1   CFD数值计算与实验结果对比因在计算模型中各乘员身高体重、代谢水平及人体各部位设定温度均一致，故在某地铁车厢中选择乘员1的位置进行实测.  图6为实验测试与仿真结果温度对比云图. 实验云图中，背景环境温度为20 ℃，头部面部因戴口罩，躯干、大腿及脚部因着衣呈现较低温度，因此对这些部位进行单独测量. 各部位皮肤表面仿真温度及实验温度和温度差见表1. 可见，。