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基于地铁车厢内流动结构优化的数值模拟研究

胡滋艳  
【摘要】:随着我国城市化水平的迅速提高,为缓解地面交通压力,轨道交通作为一种高效、低能耗和少污染的“绿色交通”,已逐渐普及到更多的中心城市。越来越多的人乘坐地铁出行,地铁车厢内乘客热舒适性及空气品质已是不容忽视的重要问题。而合理的气流组织形式是保证乘客热舒适性及空气品质的必要条件,因此,计算流体动力学分析(CFD)作为日趋成熟的技术手段,广泛地应用于车厢内气流组织研究及优化。对于车厢这类下部区域具有高热流密度的狭长受限空间,采用部分车厢作为计算域,其模拟结果还很难准确地描述真实的内部流动结构。原则上讲,以整节车厢作为计算域可使车厢内气流组织与实际情况更一致,但这种情况下网格数量多,所占用的计算机资源多且计算时间较长。但以往的研究存在局限性,为减少CFD计算量,大部分学者采用1/2节、1/4节甚至1/8节车厢作为车厢计算模型,且仅以温度场及速度场分析其模拟结果。因此,合适的数学物理模型和研究计算域选取对车厢内气流组织模拟结果的准确性有很大影响。而且,在满足模拟计算结果准确性的基础上,使用最优化的计算域,从而节省计算机资源及计算时间成本具有重要现实意义。本研究对地铁车厢内流动结构的湍流数值模型进行验证、并对内部流场涡结构进行理论分析。首先运用CFD软件,以整节地铁车厢为计算模型,对不同送风角度下地铁车厢内气流组织进行模拟计算,从温度场、速度场、流场涡结构及PMV-PPD评价指标四个方面对模拟结果进行对比分析,得出最优化的气流组织。结果表明0°及126°为车厢最不利对开送风出流角度,车厢对开送风出流角度推荐值为60°及90°;顶部送风可使地铁车厢内沿长度方向产生许多涡结构,在一定送风角度下,由于送风射流动量较大,车厢顶部离散涡结构尺寸小均匀分布;送风出流角度影响涡结构的形成,0°对开送风出流角度在车厢工作区内所形成的涡结构最多。基于最优送风出流角度,本文又进一步以地铁车厢四段不同长度的舱段作为计算域进行气流组织模拟计算,并从整舱的温度和速度、横截面的温度和速度结果进行对比分析。结果表明计算域的大小对车厢内气流组织有一定的影响,计算域越小,其模拟结果越偏离真实气流组织情况;选取近3/4节车厢长度的计算域能够在满足模拟结果准确性的条件下,降低计算机所需配置及节省计算时间成本。本研究为狭长受限空间内气流组织模拟提供理论方法指导。在研究送风出流角度和计算域大小对车厢内气流组织的影响时,本文以两种车厢模型(区别在于车厢内乘客分布形式)的模拟结果作纵向对比分析。结果发现,乘客分布形式对车厢内气流组织模拟结果的准确性有一定的影响。


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