空调客车内气流组织与污染物浓度场数值模拟

向立平^{1, 2}，王汉青^{1, 3}

(1. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 湖南科技大学 能源安全与工程学院，湖南 湘潭，411201；

3. 湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲，412008)

摘  要：以计算流体力学和传热学为基础，采用计算流体力学软件Fluent，针对某型空调客车，运用k-ε湍流模型及贴体坐标对空调客车室内流场、温度场及CO₂质量分数进行数值计算。以人体呼出的CO₂作为污染源，研究车室CO₂质量分数分布。研究结果表明：人体散热和太阳辐射对客车室内流场、温度场影响较大；乘坐区乘客头部高度水平内温度分布较均匀，驾驶区温度偏高，对热舒适性产生不利影响；驾驶区的CO₂质量分数较低，车箱后部区域CO₂质量分数低于中部区域CO₂质量分数，但座位区由于乘客密集，人体呼吸区污染物易聚集，CO₂质量分数偏高；车内空气都从回风口排出，车室内中部污染物CO₂质量分数严重偏高。

关键词：浓度场；温度场；气流组织；计算流体动力学；空气品质；CO₂

中图分类号：TU111.19          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)05-2017-05

Numerical simulation of airflow and concentration fields in air-conditioning vehicle passenger compartment

XIANG Li-ping^{1, 2}, WANG Han-qing^{1, 3}

(1. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. School of Energy and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;

3. School of Civil Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412008, China)

Abstract: Based on the computational fluid dynamics and numerical heat transfer theory, the three-dimension airflow, temperature fields and contaminant distribution in passenger vehicle were calculated numerically by k-ε turbulence model and Fluent software. Taking exhalant CO₂ of passengers as representative contaminant, the concentration fields were investigated. The results show that the body heat and solar radiation have great influence on airflow and temperature fields. The temperature in occupied zone is uniform, it is higher than that of other zones around driver’s head zone, which hurts passenger’s and driver’s thermal comfort. The concentration is low in driver’s zone, and the concentration in rear section is lower than that in middle section. But the occupied zone with crowded passengers gathers contaminant easily and contaminant in respiratory region is higher. The air is exchanged by the intake, the concentration in middle section is the highest.

Key words: concentration field; temperature field; airflow field; computational fluid dynamics; air quality; CO₂

客车是人们出行的主要交通工具之一，人们在车内度过的时间越来越长。目前，要求高速行驶的客车车厢内有很好的密闭性，车内环境主要依靠空调、通风系统维持。据调查统计，约65%的驾驶员在驾车时会出现头晕、困倦和咳嗽等现象^[1-2]。车内污染可能是现代社会中人体健康的主要威胁之一，因此，创造舒适的乘车环境、降低能耗和运行成本具有重要意义。人们对此进行了大量研究^[3-12]，但大多是集中于对轿车的空气温度场及车内和外界热交换热辐射等进行研究，而对空调客车气流研究较少，对车室内CO₂质量分数分布的研究更少。在此，本文作者在考虑人体散热和太阳辐射对流场影响的基础上，研究人体呼出的CO₂作为污染源对车内环境的影响，以期指导车室内气流组织优化设计和改善车室内空气质量。

1  模型的建立

1.1  空调客车物理模型的简化

研究对象是有49个座位的豪华空调客车。空调客车车室内部结构复杂，为此建立典型的简化客车结构，如图1所示。其几何参数为：车室内长为11.05 m，宽为2.50 m，高为2.79 m；玻璃窗为普通玻璃，厚度为5.00 mm；左右对称布置12排乘员座椅。对车室内空气流动进行数值模拟时，将蒸发室隔离出来；风道位于车顶左右两侧，送风口沿风道长度方向均匀布置；回风口位于车顶中央，通过走廊集中回风。

图1  空调客车车室简化模型

Fig.1  Diagram of air conditioning vehicle

1.2  数学模型

空调客车室内的气流运动属于紊流运动，在紊流的工程计算中，k-ε湍流模型的应用最广泛，并取得了较好的结果^[13]。这里采用的k-ε湍流模型在车壁上符合对数定律，进行如下假设和简化：(1) 车厢内流动和传热视为稳态过程；(2) 车厢内空气视为不可压缩流，而且密度符合Boussinesq假设；(3) 忽略固体壁面间热辐射，车内空气为辐射透明介质，不参与辐射；(4) 空调车室密闭良好，除送风口和回风口外没有空气泄露；(5) 忽略送风气流中CO₂含量，只考虑人体呼出的CO₂含量；(6) 假定车内CO₂做跟随运动，不影响空气的流动。在假设和简化的基础上，建立含连续性方程、动量方程、紊流动能方程(k方程)、紊流动能耗散方程(ε方程)、能量方程和组分输运方程等在内的一套封闭的方程组，其通用形式如下：

       (1)

式中：各参量的意义和模型建立过程见文献[10, 13]。

2  边界条件和数值求解方法

在数值计算中，建立空调车室的边界条件特别是热边界条件是关键。整个车厢按定员考虑，人体散热量按105 W/人计算，将这些热量均匀分布在座位上方，对于太阳辐射影响，采用Monte Carlo法^[14]对太阳透射辐射能在车室内表面的分配比例进行计算，从而得出太阳透射辐射在空调车室内各表面引起的附加热流变化，以此2项作为能量方程的附加源项。

送风口边界条件如下：送风口垂直方向的气流速度w=2 m/s；u和v为相互垂直的两水平方向的气流速度，u=v=0；t_in=18 ℃，k=0.02，ε=0.008。

出风口边界条件如下：边界为压力出口边界，出口压力为环境压力；k和ε为自由滑移参数。

对车室内气固耦合问题采用整体求解，固体区域黏性系数取大值，车顶及车两侧壁面、车室地板、行李架符合无滑移边界条件，即u_i=0。车顶、地板及两侧壁面取定热流边界条件，给定车厢外部环境温度，根据不同的墙结构确定其换热系数。

污染源边界条件为：车内乘客呼出CO₂含量按0.014 4 m³/(h·人)计算^[15]，将这些污染物作为CO₂质量分数方程的附加源项。

为较好地逼近车室内复杂的结构，采用贴体坐标划分计算网格。为节省计算机内存和计算时间，在壁面处采用壁面函数法处理。应用有限差分法和交错网格离散控制微分方程，采用压力修正法即SIMPLE算法^[13]求解离散控制方程：(1) 对流项采用迎风差分格式，将扩散项与对流项的影响系数分离，使方程绝对稳定；(2) 把相邻节点的影响系数表示成对流分量与扩散分量之和，将对流部分归入源项。

3  计算结果分析

因车厢几何结构左右对称，取车室室内左边结构各断面的速度场、温度场和CO₂质量分数分布组   合，如图2~7所示，其中：图2~4所示为x=1.31 m和x=10.20 m时断面的速度、温度、CO₂质量分数的分布图；图5~7所示为x=5.20 m和x=9.14 m时断面的速度、温度和CO₂质量分数的分布图；图8所示为z=1.46 m断面的温度和CO₂质量分数分布图。x=10.20 m时断面为驾驶员区，x=5.20 m时断面为车厢中部，且经过回风口。

x/m: (a) 10.20; (b) 1.31

图2  x为10.20 m和1.31 m时的断面速度场

Fig.2  Velocity fields at x=10.20 m and 1.31 m

x/m: (a) 10.20; (b) 1.31

图中温度单位：K

图3  x为10.20 m和1.31 m时的断面温度场

Fig.3  Temperature fields at x=10.20 m and 1.31 m

x/m: (a) 10.20; (b) 1.31

图中CO₂质量分数单位：%

图4  x为10.20 m和1.31 m时的断面CO₂质量分数分布

Fig.4  Concentration fields at x=10.20 m and 1.31 m

x/m: (a) 5.20; (b) 9.14

图5  x为5.20 m和9.14 m时的断面速度场

Fig.5  Velocity fields at x=5.20 m and 9.14 m

3.1  气流速度分布

由图2和图5可知：流场具有很强的对称性，不同断面的气流流线也几乎相似；送出的冷射流轴心速度垂直向下，扩散角度很小，在座椅处产生较大的流动涡旋，空气流动强度较大；回风口对空调车内流场影响较大，距回风口越近，流动强度越强，速度流线偏向回风口，风速逐渐趋近于回风口速度，回风口处风速大约为4.64 m/s；回风速度较大，从而导致风机噪声增加，影响乘客舒适性。

3.2  温度分布

由图3、图6和图8可知：由于空调客车车厢较长，驾驶区因太阳辐射温度较高，司机区的温度高达

x/m: (a) 5.20; (b) 9.14

图中温度单位：K

图6  x为5.20 m和9.14 m时的断面温度场

Fig.6  Temperature fields at x=5.20 m and 9.14 m

x/m: (a) 5.20; (b) 9.14

图中CO₂质量分数单位：%

图7  x为5.20 m和9.14 m时的断面CO₂质量分数分布

Fig.7  Concentration fields at x=5.20 m and 9.14 m

(a) 断面温度场(K)；(b) CO₂质量分数分布

图中断面温度场单位：K；CO₂质量分数单位：%

图8  z为1.46 m时断面温度场和CO₂质量分数分布

Fig.8  Temperature field and concentration field at z=1.46 m

35.4 ℃；车厢尾部因太阳辐射和发动机传热温度稍高，达26.5 ℃。显然，驾驶区温度较高，应该增加驾驶区的送风量。由于送风口靠近窗侧，邻窗区的温度比邻过道区温度稍高；冷射流在座位区形成涡旋区，使座位区的温度比座位区上部和座椅下部温度高。由图8可知：在乘坐区头部高度水平面内，除靠近驾驶区温度偏高外，温度分布均匀，比较理想，平均温度为    26 ℃。

3.3  浓度分布

根据国家标准《长途客车内空气质量要求》(GB/T 17729—1999)规定车内CO₂质量分数不得高于0.15%，换算成质量分数应不得高于0.22%。由图4、图7及图8所示的CO₂质量分数分布图可知：在驾驶区域，CO₂质量分数为0.07%，车厢前、后部乘客区域的质量分数平均约为0.24%，而车厢中部CO₂质量分数高达0.41%。车厢内CO₂质量分数超出标准值，尤其是在车厢中部区域CO₂质量分数严重超标。其原因是乘客区域人员密集，而回风口在车厢的车顶中部位置，车厢前后区域的污染物通过中部回风口排走，因此，中部区域污染物CO₂质量分数大大高于前后区域的污染物CO₂质量分数(见图8)；座位区是乘客的呼吸区，同时，由于空调系统送出的冷射流在座位区形成回旋气流，污染物受座椅的影响不容易排出，从而污染物更容易在座椅区聚集；车厢的上部和下部CO₂质量分数较低，且上部区域CO₂质量分数随高度增加而逐渐降低，但中部区是乘客主要呼吸区，污染物CO₂质量分数聚集，CO₂质量分数最高达0.40%(见图4和图7)，使车厢内乘客主要活动区空气质量变差，人体呼吸区空气比较浑浊，CO₂质量分数偏高，严重影响了乘客的健康和舒适性。因此，应优化气流组织设计，科学利用通风换气，降低车内座位区污染物CO₂质量分数。全面权衡车内空气质量、能量消耗和噪声等诸多因素，据控制车内空气质量达标、经济可行的原则，可以适当增加新风量。新风量的增加会使送风速度增大，从而引起能耗增加，噪声增大，同时，使车内微风速增大，引起乘客有吹风感。为了改善车厢中部CO₂质量分数高于前后部CO₂质量分数的措施，可以在车厢的前后部各设置1个回风口，减少污染物在车内的排出时间，以尽快置换人员区的污染空气，提高乘客的舒适性，防止人体健康受到危害。

4  结论

(1) 对空调客车室内气流组织、传热和污染物的数值分析，可以预测流场、温度场和CO₂质量分数分布情况，筛选空调车室内气流组织设计最佳方案，从而缩短设计周期，节省人力、物力与财力。可以优化控制，为乘客提供舒适、健康的乘车环境。

(2) 空调通风系统布置对空调车室内微环境有较大影响，送、回风口的布置对空调车室内空气流场、温度场和CO₂质量分数分布影响较大。送风气流在车内两侧形成比较大的回旋区，各对称面气流流型几乎相同；靠近回风口区域的流速较大，车内气流流线偏向回风口，且距回风口越近，流线偏转程度越大。

(3) 太阳辐射和人体散热对车厢内流场、CO₂质量分数分布影响不大，但对车内温度场影响较大。由于受人体散热和太阳辐射的影响，车内座椅区温度高于座椅上部和下部温度，存在温度梯度；由于车厢前玻璃面积大，受到太阳辐射强烈，导致驾驶区和前部乘客区温度高于其他区温度。

(4) 车室内驾驶区的CO₂质量分数较低，车室内后部区CO₂质量分数低于中部区域CO₂质量分数。但座位区由于乘客密集，人体呼吸区污染物聚集，CO₂质量分数偏高；因回风口位于车厢中部顶端，车室内中部污染物CO₂质量分数严重偏高。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2009-09-15；修回日期：2009-12-08

基金项目：国家自然科学基金资助项目(10775047)；湖南省科技计划重点项目(2007FJ2006)

通信作者：王汉青(1963-)，男，湖南益阳人，博士，教授，博士生导师，从事空气品质计算仿真、建筑节能技术与设备研究；电话：0731-22622085；E-mail: ccyyttbb-2@163.com