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地铁车厢送风系统性能优化及车厢内CO_2扩散规律研究

陶红歌  
【摘要】:地铁车厢内良好的空气分布对于维持车厢内良好的热舒适条件和清新的空气品质至关重要,保证风道送风均匀是维持车厢内良好气流分布的前提条件,在风道送风均匀的前订提下,如何选择送风速度、主风道送风口数量和主风道与扁风道的送风量分配比将直接影响车厢的送风系统性能,进而影响车厢内的气流分布情况。同时,掌握车厢内污染物CO2的扩散情况也将对改善车厢内的气流组织提供重要的指导意见。因此,本研究将从风道结构优化入手,对地铁车厢内的送风系统性能优化和污染物CO2的扩散规律进行研究。 为了更方便的衡量地铁车厢送风风道多送风口的送风均匀性,提出了基于面积加权平均速度和质量加权平均速度的气流分布均匀性关联式。由于截面上的面积加权平均速度和质量加权平均速度可以由模拟结果直接给出,因此,使得整个速度分布均匀性的计算过程大为简化。为了检验提出的新关联式衡量气流分布均匀性的合理性,新关联式分别被应用于假定的速度分布和模拟的速度分布进行速度分布均匀性的评价,评价结果与文献中已有公式进行的相应的评价结果进行对比,结果表明:新关联式的评价结果在整体趋势上与文献中两个公式的评价结果完全一致。 对地铁列车车厢内某段独立风道送风进行了数值模拟和试验研究,以风道各送风口的送风速度和送风量为考察目标,对模拟结果和试验结果进行了对比分析,检验了数值模拟应用于地铁车厢风道结构优化的可靠性。 对提出的新的风道结构优化思路——主风道中采用穿孔板代替导流板、扁风道中采用与送风口齐宽的挡板——应用于某段地铁车厢风道内进行模拟优化分析,研究发现:主风道内设置穿孔板可以有效的平衡风道内各段的压力,使得每段的静压都比较均衡,从而为保证送风口的送风均匀性提供了良好的前提条件;扁风道内设置挡板可以有效的改善扁风道各送风口的送风方向,同时通过调整挡板的高度并结合扁风道顶板后半段向末端倾斜可以很好的调整各送风口的送风量,并改善送风均匀性。 为了了解送风速度、主风道送风口数量和主风道与扁风道的送风量分配比三个设计变量同时改变时对地铁车厢内的空气分布性能的影响,采用中心组合设计方法对三因素各三个水平安排了15组三因素不同组合的方案,通过数值模拟得到15组方案的空气分布性能,采用商业统计软件MINITAB对15组数据进行响应曲面法统计分析,得到了响应曲面法预测的空气分布性能模型,对模型进行方差分析,结果表明:送风速度对地铁车厢内的空气分布性能指标影响最大,而且,送风速度与主风道送风口数量对空气分布性能指标的交互影响比较明显。当送风速度一定时,主风道与扁风道的送风量分配比和主风道送风口数量对空气分布性能指标也有一定的交互影响。同时,根据获得的空气分布性能指标的响应曲面模型,送风系统的设计者可以很容易选择出最佳的影响送风系统性能的设计变量组合来得到最大的空气分布性能指标值。 最后研究了地铁车厢内在乘客满员的情况下,乘客位置变动对车厢内污染物C02扩散规律的影响。根据车厢内乘客可能采用的站立方式设置了四种方案,采用数值模拟方法,分别研究了这四种方案下车厢内站立空间区域距地板上方1.7m上的污染物CO2的扩散情况,和车厢内两侧的坐姿区域距地板上方1.1m上的污染物CO2的扩散情况,结果发现:在1.7m高度上,在目前顶部送风、回风、两侧顶部排风的送风模式下,车厢内远离回风口、靠近车厢外端面的区域污染物CO2的浓度明显低于靠近回风口和内端面区域的污染物CO2浓度。在1.1m高度上,靠近车厢回风口区域两侧乘客坐姿呼吸高度上的污染物C02的浓度整体上高于远离回风口区域两侧乘客坐姿呼吸高度上的污染物C02的浓度。乘客位置变动对车厢内C02扩散的整体的分布趋势没有太大的影响,而对局部会有一定的影响。研究结果可以为地铁列车车厢内污染物的检测测点设置及气流组织的改善提供参考依据。


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