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旅客列车车厢内气流分布特征与环境舒适性研究

张登春  
【摘要】: 旅客列车是我国中长途客运的主要交通工具之一。列车车厢内高度的密封性带来的热舒适和空气品质问题日益突出,已成为国内外学者关注的焦点和研究的热点。旅客列车车厢内热环境的特点是列车内外的热、湿扰量大,且不同的时段、不同的运行区间差别很大,热环境呈不稳定性。国内学者对旅客列车车厢内气流组织和热舒适的研究大多是基于空载条件下进行的,对车厢内气流分布特征和影响因素尚缺乏系统而全面的研究。本文以25K型旅客列车为研究背景,针对其热源和污染源复杂、多场耦合的特点,数值研究了车厢内气流分布特征,在此基础上对车厢内人体热舒适性和空气质量进行了研究。 用三维不可压缩雷诺时均N-S方程描述旅客列车车厢内的空气流动,湍流模型采用标准k -ε模型,视人体为污染源和热源体,考虑太阳辐射和车体传热作用,自行编制计算程序,研究了不同工况下车厢内空气流场和温度场分布规律,以及人体作为污染源和热源体对车厢内流场、温度场和CO2浓度场的影响,讨论了不同送风方式和送风速度对车厢内气流分布参数的影响。将25K型硬座车厢内速度和温度实测数据与模拟结果进行对比,两者吻合良好,证实了所开发的数值计算程序的可靠性。 针对旅客列车车厢内气流分布不均、人体热感觉差别较大的现状,成功实现了将热舒适评价指标PMV和吹风感指标PD应用于车厢内人体热舒适性的研究,研究了送风速度、送风温度和送风方式对车厢内热舒适性的影响。计算结果表明:硬座车厢内采用两侧条缝送风方式比较合适,车厢内送风速度不宜过大,较大的送风速度虽然能改善靠窗处乘客的热舒适性,但同时使过道处乘客有局部吹风感;硬卧车厢内为了保持各铺位乘客的热舒适性,宜采用条缝送风方式,且送风口应置于铺位区中央。 在综合考虑人体热舒适性和空气品质的基础上,首次提出了全面评价旅客列车车厢内空气质量的指标AQI,利用该指标对车厢内空气质量进行了评价,得出了硬座车厢内两侧条缝送风的最佳送风速度为2.5m/s;对硬卧车厢送风方式进行了改进,得出了保持车厢内良好空气质量的送风方式和送风参数,硬卧车厢内应采用条缝送风,最佳送风速度为2.5m/s。该研究结论对指导列车车厢内通风系统设计有重要的参考价值。 我国旅客列车空调系统通过控制空调机组的开停以实现车厢内的温度控制,该控制方法使车厢内温度波动大,车厢内环境不能满足热舒适性要求。以25K型旅客列车为研究对象,采用MATLAB/SIMULINK工具箱,设计了PID和FUZZY控制系统,以实现对车厢内的温度控制。针对旅客列车车厢内CO_2浓度偏高、车厢内空气质量较差这一状况,以车厢内CO_2浓度作为车厢内空气品质的控制标准,设计了PID控制系统并进行仿真,结果表明基于CO_2浓度变化控制车厢内的新风量,能有效改善车厢内的空气品质。


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