雾霾气象条件对高速列车车内可吸入颗粒物含量影响研究

摘要

高速铁路发展迅猛，速度的提高给铁路带来各种优势的同时也使一些在低速中易忽略的问题变得突出，车内空气环境便是其一。车内环境舒适性主要包括压力变化、空气流速、温度、湿度、空气组分（包括各种化学气体及悬浮颗粒物）、噪声等。近年来，随着人们生活水平的提高，悬浮颗粒物对人体健康的影响越来越受到关注，而对悬浮颗粒物在高速列车领域的研究相对较少。列车空调系统的新风入口与外界环境相通，当外界空气中含有较大量颗粒物时，这些颗粒物可能通过列车空调的新风入口进入车内，引起客室内空气污染。
　　对乘客舒适性产生影响的颗粒物主要指可吸入颗粒物(PM10)以及对人体危害更大的细颗粒物(PM2.5)。本文整体考虑了高速列车外部流场以及高速列车内部流场（由带有过滤器的通风管道及客室组成），采用一三维耦合的计算方法进行数值模拟，在不同的外界环境下计算车内的颗粒物(Particulate Matter-PM)含量，并考虑加装不同等级过滤器的情况，最后将车内PM值与国家标准进行对比，评估车内污染情况，并为高速列车客室悬浮颗粒物污染问题提供参考。
　　本文的结论主要有:在CRH380BL型高速列车运行时，车身周边会出现颗粒物聚集现象，即近列车表面某些区域颗粒物浓度明显增大。颗粒物聚集主要发生在车头、车底转向架处以及空调附近。在罗辛-拉姆勒(R-R)颗粒物粒径分布函数的前提下，随车速增加，进风口处颗粒物质量流量呈现先增再减的趋势，在大约180km/h时达到最大。当颗粒物粒径分布为单一粒径时，小粒径颗粒物在进风口处的质量流量随车速增加而呈现先增再减的趋势，颗粒物粒径越小，其增加的趋势越明显，增加的比例也越大;大粒径颗粒物在进风口处的质量流量随车速增加而单调下降。颗粒物粒径越大，质量流量下降的速度就越快。目前CRH380BL型高速列车采用G4等级过滤器，计算表明，未加装过滤器的情况下，中国高速列车客室内PM10和PM2.5均存在超标情况。采用G2和G4等级过滤器时，在外环境空气质量等级为一级和二级时，均可以使客室内PM10和PM2.5值满足国标规定的24h限值，其中G2过滤器的性价比更高。F6等级过滤器的过滤效果最好，在外环境空气质量等级为三级时可以使客室PM2.5值达到24h限值要求，因此可以应对严重污染天气。同时，应该根据不同地区颗粒物中位径的变化，合理的选择高速列车空调过滤器以节约资源。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 雾霾及大气污染相关研究

1．2．2 悬浮颗粒物在高速列车相关领域的研究

1．2．3 一三维耦合研究

1．3 研究内容

1．4 论文结构

2 仿真分析基础

2．1 一维数值计算方法

2．1．1 一维线性方程构建

2．1．2 元件线性方程

2．2 三维数值计算方法

2．2．1 流体流动的控制方程

2．2．2 湍流的数值模拟

2．3 颗粒相的数值模拟

2．3．1 颗粒在流场中的受力以及控制方程的构成

2．3．2 气固两相流数值模拟

2．4 一三维耦合计算方法

2．4．1 耦合计算的定义

2．4．2 耦合面和耦合变量

2．4．3 耦合变量的数据处理

2．5 本章小节

3 一三维耦合计算模型的建立

3．1 一维高速列车内流场系统管网计算模型

3．1．1 一维空调系统送风道和排风道模型的搭建

3．1．2 车厢元件

3．1．3 搭建中间车空调系统一维模型

3．1．4 一维模型的验证

3．2 三维高速列车外流场系统数值计算模型

3．2．1 物理模型

3．2．2 网格划分

3．3 边界条件

3．3．1 外流场边界条件

3．3．2 内流场边界条件

3．3．3 颗粒相边界条件

3．4 模型验证分析

3．5 本章小节

4 高速列车客室PM值仿真研究

4．1 进出口耦合变量随速度的变化

4．2．1 外流场颗粒物浓度分布

4．2．2 进风口颗粒物浓度变化

4．2．3 列车客室PM值研究

4．3 高速列车客室PM值变化规律研究

4．3．1 典型粒径颗粒物在空调进风口的质量流量

4．3．2 不同单一粒径颗粒物在空调进风口的质量流量

4．3．3 客室PM值变化规律总结

4．4 本章小节

5 含过滤器的客室PM值仿真研究

5．1 空调过滤器的数学模型

5．1．1 空调过滤器过滤等级的选取

5．1．2 数学模型的建立

5．2 空调过滤器对客室PM值的影响

5．2．1 G2等级过滤器对客室PM值的影响

5．2．2 G4等级过滤器对客室PM值的影响

5．2．3 F6等级过滤器对客室PM值的影响

5．3 与文献实测数据的对比

5．4 过滤器过滤效率的对比及客室污染解决方案

5．5 本章小节

6．1 总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历

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