地铁客舱通风板模型的数值和实验研究外文翻译资料

 2022-08-15 15:30:07

Engineering 5 (2019) 329–336

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Engineering

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Research

Rail Transit—Article

Numerical and Experimental Study on Ventilation Panel Models in a Subway Passenger Compartment

Yu Tao a, Mingzhi Yang a,b, Bosen Qian a,b, Fan Wu a,b, Tiantian Wang a,b,uArr;

a Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China

b Joint International Research Laboratory of Key Technologies for Rail Traffic Safety, Changsha 410075, China

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 11 October 2018

Revised 27 November 2018

Accepted 29 December 2018

Available online 2 March 2019

Keywords:

Numerical simulation Experiment

Ventilation panel model Subway

a b s t r a c t

The internal flow field study of car compartments is an important step in railroad vehicle design and opti- mization. The flow field profile has a significant impact on the temperature distribution and passenger comfort level. Experimental studies on flow field can yield accurate results but carry a high time and computational cost. In contrast, the numerical simulation method can yield an internal flow field profile in less time than an experimental study. This study aims to improve the computational efficiency of numerical simulation by adapting two simplified models—the porous media model and the porous jump face model—to study the internal flow field of a railroad car compartment. The results provided by both simplified models are compared with the original numerical simulation model and with experimental data. Based on the results, the porous media model has a better agreement with the original model and with the experimental results. The flow field parameters (temperature and velocity) of the porous media model have relatively small numerical errors, with a maximum numerical error of 4.7%. The dif- ference between the numerical results of the original model and those of the porous media model is less than 1%. By replacing the original numerical simulation model with the porous media model, the flow field of subway car compartments can be calculated with a reduction of about 25% in computing resources, while maintaining good accuracy.

copy; 2019 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and

Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

  1. Introduction

During subway operation, the air temperature inside subway compartments should be kept within a specified range. This climate-control process is realized through a heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) system, through which air is exchanged across the boundaries of the chamber via mechanical ventilation [1]. Existing studies on the performance of an HVAC system in a closed chamber have mainly focused on buildings, airplanes, and vehicles. A steady airflow field was first simulated, and was then compared with experimental data [1]. Dehghan and Abdolzadeh [2], Zhuang et al. [3], and Pang et al. [4] simulated the air flow in a room and in a civil aircraft cabin using a three- dimensional (3D) model with a thermal manikin. The fluid flow was simulated by the steady Reynolds-averaged Navier–Stokes

(RANS) equations with a v2-f turbulence model and the

re-normalization group (RNG) k-e turbulence model, respectively.

uArr; Corresponding author.

E-mail address: wangtiantian@csu.edu.cn (T. Wang).

As the air-flow and temperature fields inside the cabin are in fact unsteady, the unsteady RANS (URANS) equation is used for internal flow simulation. The standard k-e turbulence model [5,6] and the

RNG k-e turbulence model [7,8] are widely used for simulating

the turbulent flow field inside a chamber.

Existing studies on railroad vehicle HVAC systems have mainly focused on the HVAC system parameters and vehicle structures. Dullinger et al. [9] invented a simulation approach that combines the HVAC system with a dynamic thermal vehicle model and includes operational and weather inputs. Hofstauml;dter et al. [10] and Luger et al. [11] studied dynamic thermal models of railroad vehicles and the operating conditions of HVAC systems. Their results show that the parameters of the HVAC system and the vehi- cle structures strongly influence the thermal comfort and air- supply unifor

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地铁客舱通风板模型的数值和实验研究

摘 要

车厢内部流场研究是铁路车辆设计和优化的重要一步。流场分布对温度分布和乘客舒适度有重要影响。在流场上进行的实验研究可以得出准确的结果，但是会花费大量时间和计算成本。相反，与实验研究相比，数值模拟方法可以在更短的时间内产生内部流场分布。本研究旨在通过采用两个简化的模型（多孔介质模型和多孔跳跃面模型）来研究铁路车厢的内部流场，以提高数值模拟的计算效率。将两个简化模型提供的结果与原始数值模拟模型和实验数据进行比较。根据结果,多孔介质模型与原始模型和实验结果具有更好的一致性。多孔介质模型的流场参数（温度和速度）具有相对较小的数值误差，最大数值误差为4.7％。原始模型的数值结果与多孔介质模型的数值结果之间的差异小于1％。通过用多孔介质模型代替原始的数值模拟模型，可以计算出地铁车厢的流场，而计算资源却减少了约25％，同时保持了良好的精度。

copy;2019作者。由Elsevier LTD代表中国工程院出版

高等教育出版社有限公司。这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1 介绍

在地铁运营期间，地铁车厢内的空气温度应保持在规定范围内。这种气候控制过程是通过加热，通风和空调（HVAC）系统实现的，通过该系统，通过机械通风跨腔的边界交换空气[1]。现有的关于封闭室内HVAC系统性能的研究主要集中在建筑物，飞机和车辆上。首先模拟稳定的气流场，然后将其与实验数据进行比较[1].德甘和阿卜杜勒扎德[2]，庄[3]，以及Pang等[4]使用带有热人体模型的三维（3D）模型来模拟房间和民用飞机机舱中的气流。用稳定的雷诺平均Navier–Stokes（RANS),v2-f 湍流模型的方程和重归一化组（RNG）ke湍流模型模拟流体流动。由于机舱内部的气流和温度场实际上是不稳定的，因此使用不稳定的RANS（URANS）方程进行内部流模拟。标准ke湍流模型[5,6]和RNG ke湍流模型[7,8]被广泛用于模拟室内的湍流场。

铁路车辆HVAC系统的现有研究主要集中在HVAC系统参数和车辆结构上。Dullinger等[9] 发明了一种模拟方法，该方法将HVAC系统与动态热力车辆模型结合在一起，并包括操作和天气输入。Hofstauml;dter等[10]和Luger等[11] 研究了铁路车辆的动态热模型和HVAC系统的运行条件。他们的结果表明，HVAC系统和车辆结构的参数强烈影响地铁乘客车厢的热舒适性和供气均匀性。施梅林和博斯巴赫[12]还有李和孙[13]通过数值模拟研究了地铁和铁路车辆的动态冷却负荷和通风效率。他们得出的结论是，冷却性能受到通过新鲜空气提供的新鲜空气的速率的限制。刘等[14] 讨论了环境的影响条件和基于不同冷却负荷的人为热量排放，为确定在不同区域和不同时间段行驶的列车的冷却负荷提供了坚实的基础。Suaacute;rez等[15] 研究了装有HVAC系统的代表性铁路车辆的空气分配。他们的研究都考虑了墙壁的热传递和乘客的热负荷。Wang等[16] 利用数值模拟方法研究了三种不同的中国铁路高速列车客舱内空气分配系统的性能评估。Aliahmadipour等[17] 提出了针对客车的车厢修改方案，这可以为坐在或睡在车厢中的乘客带来更好的散热条件。

通风面板通常安装在乘客舱的进气口,以实现更好的流动均匀性。每个通风面板由一个带有大量以矩阵形式组装的小通风孔的块组成。在数值模拟中，这些小通风孔需要进行小规模的网格处理。因此，通风面板附近的小元件将显着增加计算成本。在这项研究中，提出了两个简化的模型来提高数值模拟效率。简化模型给出的结果随后将通过全面（原始）仿真模型以及实验测量结果进行验证。其中一种简化的模型可以减少数值模拟中的计算时间，并且在结果准确性方面有较小的折衷。这项工作中提出的模型可以作为地铁乘客车厢内部流场和温度分布的未来研究的方便工具。

2.数值模拟

2.1 几何模型

当前研究采用了一种特殊类型的地铁中间车，该中间车包括一个乘客厢，两个通道，一个HVAC系统和一个风道系统。图1为地铁车厢的几何模型。地铁中间车的高度和宽度分别定义为H和W。L1是乘客车厢的长度，L2是一个通道的长度。HVAC系统的两个空调器位于乘客舱的顶部，每个空调器都有两个出口和一个入口。对于空调的数值模拟，采用了使用速度入口和出口边界条件的方法来代替实际模型。中的红色虚线框图。1（a）代表空调的位置。空气管道系统由供气，再循环和排气管道组成。来自空调出口的新鲜空气通过供气管道进入乘客舱。乘客室中的空气流向空调通过再循环风管，然后通过排气管传到大气。图中的绿色部分代表送风管道，该送风管道围绕中心轴对称。供气管道的同一侧相互连接，乘客室的进气口沿地铁车厢长度方向设置在顶部和侧面。图中的红色和黄色部分分别代表循环风道和排气道。图中紫色部分代表座位。四组座椅围绕中心轴对称设置。由于座椅紧邻地铁车厢表面，因此将其视为数值模拟的表面边界。为了进行分析，将乘客舱的前部和后部定义为End I和End II，如图1(a)所示。

图2显示了送风管道的横截面。管道是设置在乘客舱顶部，由五个部分（1–5英寸图2).五个部分的高度（1-5）定义为DZ1，DZ2，DZ3和DZ4。第6部分代表乘客隔间，每个部分都有典型的连接面定义为A–D。第1部分连接空调和第2部分，即图1中凸起的绿色部分。第1部分位于空调的位置，而不是沿着地铁的整个长度。部分2、3和5是沿着地铁车厢的整个长度分布的通道。通过这些通道将新鲜空气送入乘客舱。

第2部分的内部装有一个挡板，该挡板使空气流向两侧，并且两侧的通风口都标记为连接面B，如图3(a)所示。该图中的第4部分代表连接第3部分和第5部分的方槽。正如图2所描述的那样，第2部分和第3部分位于乘客舱的外部，而第5部分位于内部。新鲜空气通过面A进入零件1；然后，它沿箭头方向流动，并通过上部通风口（D2和D3）和侧面通风口（D1和D4）送入乘客舱。

如图3所示的通风面板用于确保沿地铁车厢长度方向的供气均匀性。根据工程要求，上，下侧采用两种通风板，如图3（b）和（c）所示。上通风板的厚度为2毫米，通风孔为半径为2.5毫米，孔隙率为0.087的圆。横向通风板的厚度为4毫米，通风孔的长度为43毫米，宽度为7毫米，孔隙率为0.257。

图1.地铁车厢的几何模型。（a）尺寸图；（b）示意图

图2.送风管道的横截面

图3.模型示意图。（a）第2部分的模型图;（b）上部通风板型号；（三）侧通风板型号

2.2 网格和边界条件

选择非结构化网格进行数值模拟。送风管道和乘客舱表面周围的网孔密度很高。围绕隔室表面的边界网格的第一层为3 mm。并且整个网格是1.1亿。图4中展示了局部曲面网格。地铁的内部流场是湍流的。通常使用ke湍流模型来计算湍流，而y （无量纲第一单元间距y = y·ut·g—1，其中y是靠近第一个单元的厚度，在此过程中，湍流模型的ut是摩擦速度，g是运动粘度）范围必须为30–100。在此模拟中构造的网格的平均y 约为33，因此满足范围要求。为了确保网格对使用多孔介质模型和多孔跳跃表面模型时的数值计算结果没有影响（在第三节），仅更改通风面板区域的网格；其他区域的网格保持不变。因此，两个模型的网格满足y 值的要求。

本手稿中设定的边界条件如下：

  1. 将空气调节器出口，再循环空气管道入口和排气空气管道入口设置为质量流入口边界条件。当质量流量的值为负时，空气流动在计算域之外。供气，再循环空气和排气的流速分别为10000 m3h—1，6800 m3h—1和3200 m3h—1。根据相应入口和出口的面积，送风，再循环空气和排气的速度分别为5.261 ms—1，1.937 ms—1和3.922 ms—1。
  2. 车厢表面设置为热流壁边界条件，传热系数为2.5 W（m2K）—1，定义为K值。可以在参考资料中找到“ K值”的定义。[18]
  3. 所有表面均设置为防滑墙边界条件。
  4. 这项研究检查了夏季的全乘客工作条件。也就是说，假定车厢中有310名乘客。并且外部温度设置为恒定的33°C。由于人类产生大量的热能，因此在数值模拟中考虑了人类的热源。根据欧洲标准EN14750，人的热源设置为每人120 W[19]，并将其作为体积来源加载到计算域的相应人类活动区域中。体积热源设置为294.5 W m—3。由于乘客车厢包含大量热源（即人），因此新鲜空气温度设置为13°C。
  5. 本研究测试了三种用于数值模拟的通风面板模型：原始模型，多孔介质模型和多孔跳变面模型。详细信息在第三节。

图4.局部表面网格。（a）空调；（b）上部通风面板

2.3 测量点

这项研究还进行了一个在真正的火车车厢里的实验。测量点的位置（图5中的黑色和红色点）是根据欧洲标准EN14750设置的。测试了每个测量点处的空气速度和温度。根据标准，在九个水平方向上的平均速度和温度点（点1–9）定义为乘客舱中空气的平均速度和温度（va和Ta）。最大差异定义为水平速度和温度差异（vx和Tx）。九次垂直测量时速度和温度的最大差异点（点2、5、8和10-15）定义为垂直速度和温度差（vz和Tz）。座标沿X轴，Y轴和Z轴的位置的值分别定义为X，Y和Z。

2.4 数值方法

在本文中，使用基于有限体积方法的求解器ANSYS Fluent对地铁中间车的内部流场进行了数值模拟。同时选择了URANS方法和RNG ke湍流模型进行数值模拟。它们的控制方程可以在参考文献中找到。[20]和[21]由于乘客舱内的空气速度相对较慢，因此认为空气不可压缩。由于内部流场的热传递发生在密闭室内，因此采用Boussinesq假设来解决热浮力流[22–24].参考文献中提供了该假设的定义。[25]和[26]

  1. 通风面板型号

本研究选择了三种类型的通风面板模型进行数值模拟。将基于通风板实际尺寸的数值模拟模型定义为“原始模型”。由于原始模型需要大量的计算能力来进行数值模拟，因此多孔介质模型和多孔跳动面模型已得到广泛应用。用于内部流场的数值模拟[27,28].本研究着重于使用所提出的通风板模型对内部流场进行数值模拟。

对于多孔介质模型，通风面板被定义为一个单元主体。给定多孔介质参数，可以得到流过通风面板的空气的压力损失，如公式1所示。(1) [29]:

Dp frac14; 1 C2 · q · Dn · v2 thorn; l · Dn · v

其中Dp代表压力损失（Pa）;l表示空气动力粘度，在这项研究中设置为1.8*10—5Pa s；v代表空气速度（ms—1）;C2表示惯性电阻系数（m^—1）；a表示表面渗透率（m2）；q代表发送空气密度，设置为1.225 kg m—3；Dn代表通风板的厚度，上部为2 mm和4 mm和侧板。

可以将多孔跳跃面模型视为多孔介质模型的一维（1D）简化。通风面板定义为单位表面，等式(1) 可以以相同的方式应用。

通过本研究中的实验，获得了在不同风速下的上，侧通风板的压力损失。在中国的中南大学模型测试平台上进行了通风面板的实验，该平台已获得中国计量认证（CMA）资格（证书编号2014002479K）。参考中提供了有关该平台的更多详细信息。[30]和[31].空气速度分别为1、2、3、4和5 ms—1。实验模型是根据通风板的实际尺寸构造的，如图6(a)所示，选择了Honeywell DC030NDC4压力传感器进行压力测量。图6(b)显示在这组测试中，传感器的采样频率为1 kHz，测量精度为0.01 Pa。对于速度测量，采用带有热线风速探头的TSI9525风速计，测量精度为0.01 ms—1 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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