地铁车厢内部流场模拟与分析

摘要：本文主要针对地铁车厢空气流场存在的一系列问题，通过Fluent软件基于流体力学思想计算流体流动和传热问题，对地铁车厢内的温度场进行数值模拟分析，利用Gambit插件建立参数化的列车车厢三维模型,为以后软件修正模型提供可能。以便在地铁车辆规划设计阶段就能对各种方案快速比较，从而制定出最佳的通风方案。

关键词：流体力学；Gambit；Fluent；车厢温度 1软件简介

计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。

1.1 CFD基本思想

CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后通过迭代求解方程组获得场变量的近似值。

CFD可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等。 1.2常用CFD软件结构

CFD软件的一般结构由前处理、求解器、后处理三部分组成。前处理、求解器及后处理三大模块,各有其独特的作用,分别表示如下: （1）前处理 1）几何模型 2）划分网格 （2）求解器

1）确定CFD方法的控制方程 2）选择离散方法进行离散 3）选用数值计算方法 4）输入相关参数 （3）后处理

速度场、温度场、压力场及其它参数的计算机可视化及动画处理。 1.3计算流体动力学的工作步骤

采用计算流体动力学（CFD）对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤： 1）建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。

2）寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。 3）编制程序和进行计算。

4）显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，更加直观。这对检查和判断分析质量和结果有重要参考意义。

以上这些步骤构成了CFD数值模拟的全过程。 2地铁车厢模型的建立

本次利用基于CFD思想的FLUENT软件进行数值仿真模拟。在模拟分析之前要用Gambit在计算机中建立模型。 2.1车体模型建立

由于所建车体模型是轴对称模型,可以通过半车镜像出整车,所以建立半车体模型，尺寸为:长1800cm，宽150cm，高380cm。如图1所示： 图1

2.2半车体完整模型建立

1）使用切割指令将所有门和窗户与车体连成一体； 2）使用切割指令将所有的人和车体连接起来； 3）使用切割指令将通风管连接起来； 4）完成半车完整模型建立。 2.3网格划分

当Fluent要进行计算的集合区域已经确定了以后，就要把这个区域进行离散化，也就是要对它进行网格划分，方便软件后续进行迭代分析。 2.4边界类型条件的设定

本次边界条件设定的对象分别为乘客、入风口、回风口、出风口、车体侧墙、列车门、窗户。

完成分析对象的设定后需要对其边界条件进行初始化，操作如下： 1）设置入风口的边界条件

此次设置为Z轴方向风速为0.825。 2）设置回风口的边界条件

将Z轴方向风速设置为0.5m/s，而软件所使用的温度单位均以开尔文温度为基准（公式：开尔文（K）=摄氏度(℃)+273）所以回风口温度Temperature（k）设置为297即26℃。同理完成其他边界条件温度的设定。 3）设置出风口的边界条件

将X轴方向风速设为0.2m/s，Temperature（k）设置为297。 4）设置乘客的边界条件

乘客的体表温度为36度，所以Temperature（k）设置为309。 5）设置车体侧墙的边界条件

温度条件设置为混合模式，导热系数设置为1.2。其余同为308。 6）设置列车门的边界条件

温度条件设置为混合模式，导热系数设置为1.67。其余同为308。 7）设置窗户边界条件

温度条件设置为混合模式，导热系数设置为2。其余同为308。 3结论及建议

本次使用CFD方法对地铁车厢在不同方案下的速度场和温度场进行分析研究，车体侧墙、窗户和列车门的温度和传热等初始条件不变，仅对进风口和出风口的位置、风速、进风温度进行改变，以此进行对比得出最优方案。 3.1方案一分析

方案一采取通风管(主风道前几个入风口相对后边尺寸大些)一端送风的方式，入风口的温度为17℃，外部温度29℃（夏天）,送风速度为Z方向0.826m/s，迭代步数为970。

通过六个平面X=0.73，X=0.200，X=-0.42,Y=-0.901,Y=-1.032和Y=-0.415分别位于坐着平行人的头部处、脚处、站着平行人的头脚处、垂直坐着人头处、站着

人头处和脚踝来观察车厢内空气流动及温度分布的具体状况，以此判断此方案下的空气流动及温度的合理性。 3.1.1方案一结论

通过分析方案一中人体周围温度在24到27摄氏度，局部地区不符合要求，根据气流分布和空气速度场分布来分析，相对于入风口的一侧来说，车厢内另一侧的风速很大，空气流动很快，入风口一侧温度比另一侧高且整体温度偏低且总体温度偏低。由此可见，进风口的温度设计应该大些，另外因为风速方向和主风道是平行的所以改变主风道形状使风更加容易进入车厢。 3.2方案二分析

方案二中采用将通风管道改为斜坡式，入风口的温度为22℃，外界温度29℃送风速度为Z方向0.826m/s，迭代步数为1020。

方案二同方案一样也创建六个平面X=0.73，X=0.200，X=-0.42,Y=-0.901,Y=-1.032和Y=-0.415，来分析车厢温度及速度场分布的合理性。

结论：比起方案一中车厢内的前端的风速小状况来说，方案二中前后两端风速差变小。因此对主风道形状的调整是合理的。且整体风速比较大可能让人感觉不适。但是主风道进风速度不能改变所以应该调节进风口尺寸。 3.3方案三分析

方案三将后端的进风口尺寸及间距增大，送风速度为Z方向0.826m/s，送风温度为20℃，外界温度29℃。

方案三同样也创六个平面X=0.73，X=0.200，X=-0.42,Y=-0.901,Y=-1.032和Y=-0.415进行分析。

结论：方案三中降低了方案二中进风口温度，但是温度基本全都符合人体舒适度要求。方案三修改了方案二中后端进风口的尺寸。降低方案二中车厢内后部的风速较大的问题，这样不仅使车厢内气流组织更加均匀，乘客周围的空气流速也低于0.3m/s，由速度场截面图中空气流动分布可以看出，车厢内气流分布均匀，空气更新速度变快。至此，车厢内风速和温度达到人体舒适度要求，方案三为最优方案。 4结束语

通过fluent模拟及现场实践改变风道形状、位置等因素能够获得较好的乘车环境，为乘客提供良好的乘车体验。采用上述分析方式来制定通风方案还能大大降低时间消耗、成本消耗、提高生产效率，为以后的地铁空调通风系统的设计工作提供便捷。 参考文献：

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[2]靳谊勇，郁永章.铁路空调客车车内气流组织的数值模拟[J]制冷学报，2002，33(2):30-34.