劉佳妮 沈 麗 唐道發(fā) 羅 成 杜曉明

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，200093，上?！蔚谝蛔髡?，助理工程師）

1 試驗(yàn)臺(tái)及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原理

由流體力學(xué)相似性原理可知，要保證兩個(gè)流動(dòng)的力學(xué)相似，就必須使兩個(gè)流動(dòng)的幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似，動(dòng)力相似、以及兩個(gè)流動(dòng)的邊界條件和起始條件相似。但是在模型幾何尺寸和流動(dòng)介質(zhì)等發(fā)生變化不同于原型時(shí)，很難保證所有的相似準(zhǔn)則數(shù)同時(shí)對(duì)應(yīng)相等。因此，應(yīng)抓住對(duì)流動(dòng)起決定性作用的力，保持原型和模型中該力的相應(yīng)準(zhǔn)則數(shù)相等。

實(shí)際情況中，活塞風(fēng)與站臺(tái)送風(fēng)射流因溫差較小，密度相差不大，因此可以認(rèn)為實(shí)際中耦合氣流所受重力與浮力相平衡。模型試驗(yàn)中可不考慮弗諾得數(shù)的影響；且實(shí)際中活塞風(fēng)與站臺(tái)送風(fēng)射流速度較大，流動(dòng)處于自模區(qū)，這時(shí)模型設(shè)計(jì)不受模型律制約，即只需滿(mǎn)足模型流動(dòng)同時(shí)進(jìn)入自模區(qū)，就可以實(shí)現(xiàn)模型和原型流動(dòng)在速度分布上的相似，達(dá)到用模型試驗(yàn)?zāi)M原型流動(dòng)的目的。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)通過(guò)搭建液體示蹤縮尺模型試驗(yàn)臺(tái)，運(yùn)用液體代替氣體模擬閉式系統(tǒng)列車(chē)活塞風(fēng)與站臺(tái)送風(fēng)射流的耦合氣流，并對(duì)其氣流組織的速度場(chǎng)與流線(xiàn)進(jìn)行研究。原理圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)原理圖

本模型試驗(yàn)，以上海南京西路地鐵車(chē)站站臺(tái)層為原型搭建1∶16的縮尺模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，原型與模型幾何尺寸對(duì)應(yīng)表見(jiàn)表1。

表1 站臺(tái)原型與模型裝置幾何尺寸對(duì)應(yīng)表 m

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，在列車(chē)入口處的活塞風(fēng)最大風(fēng)速為7.6m／s，送風(fēng)口風(fēng)速約為6m／s，故分別選取活塞風(fēng)與站臺(tái)送風(fēng)射流的最大上限風(fēng)速為8m／s，均滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。原型中，隧道和送風(fēng)口的當(dāng)量直徑分別為2.84m和0.6m。以原型中選取活塞風(fēng)和空調(diào)送風(fēng)風(fēng)速均為2m／s為例，對(duì)應(yīng)的Re（雷諾數(shù)）分別為3 616 197和76 433，均處于自模區(qū)。模型試驗(yàn)中，需運(yùn)用圓管代替站臺(tái)隧道口和方形空調(diào)送風(fēng)口，按照等面積的原則，可以計(jì)算得出相應(yīng)半徑分別為0.105m和0.02m，查PVC（聚氯乙烯）管規(guī)格分別選擇公稱(chēng)直徑為200mm和40mm的管件。由流體力學(xué)可知，當(dāng)液體流動(dòng)進(jìn)入紊流狀態(tài)時(shí)，管道斷面流速分布比較均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)模型中站臺(tái)送風(fēng)射流的均勻送風(fēng)要求。選擇Re＝2 400，求得此時(shí)模型站臺(tái)送風(fēng)射流水速為0.06m／s，因此選取流速值v＝0.06m／s模擬原型0.84m／s的風(fēng)速，故得速度比例尺為λv＝0.06／0.84＝1∶14。同理，可得送風(fēng)口和隧道口的流體在原型與模型中的速度和雷諾數(shù)（對(duì)應(yīng)表分別如表2和表3所示）。

表2 送風(fēng)口原型與模型參數(shù)表

表3 隧道口原型與模型參數(shù)表

1.3 試驗(yàn)方案

為了能夠得到活塞風(fēng)與站臺(tái)送風(fēng)射流的耦合軌跡，試驗(yàn)中利用紅色色素調(diào)節(jié)站臺(tái)送風(fēng)射流水箱中液體顏色，以便試驗(yàn)中觀(guān)察活塞風(fēng)與站臺(tái)送風(fēng)射流耦合的軌跡。在軌跡線(xiàn)上布置測(cè)點(diǎn)9、10，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

本試驗(yàn)所用儀器有轉(zhuǎn)子流量計(jì)、循環(huán)水泵、電動(dòng)閥門(mén)、LGY—Ⅲ型多功能智能流速儀等，其中LGY—Ⅲ型多功能智能流速儀用于測(cè)量耦合流場(chǎng)水流速度。

試驗(yàn)流程粗選I作業(yè)為銅鉬等可?。▋?yōu)先浮選），粗選II為強(qiáng)化浮選，通過(guò)采用黃藥或其他強(qiáng)捕收力的藥劑進(jìn)行強(qiáng)化捕收，提高目的礦物回收率。此次試驗(yàn)進(jìn)行了四種藥劑的對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用丁黃藥與BK404B組合時(shí)，銅、鉬作業(yè)回收率較高。

圖2 模型試驗(yàn)臺(tái)測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 活塞風(fēng)流量變化曲線(xiàn)

為了模擬活塞風(fēng)的變化規(guī)律，根據(jù)地鐵的實(shí)際運(yùn)行規(guī)律及縮尺模型時(shí)間比例尺，將電動(dòng)閥設(shè)置成加速時(shí)間、勻速時(shí)間和減速時(shí)間，分別為33s、31s和33s。通過(guò)調(diào)節(jié)回水管上的調(diào)節(jié)閥，控制活塞風(fēng)的流量值來(lái)模擬活塞風(fēng)射流加速、勻速和減速過(guò)程，由速度測(cè)點(diǎn)1測(cè)得活塞風(fēng)速度變化從而求出其流量變化。由圖3與圖4可知，本模型試驗(yàn)的活塞風(fēng)射流滿(mǎn)足文獻(xiàn)12對(duì)隧道活塞風(fēng)的實(shí)測(cè)［12］。

圖3 模型試驗(yàn)活塞風(fēng)流量變化曲線(xiàn)

圖4 文獻(xiàn)12活塞風(fēng)實(shí)測(cè)流量變化曲線(xiàn)

2.2 活塞風(fēng)與站臺(tái)送風(fēng)射流速度的耦合軌跡

為了試驗(yàn)的方便，選擇活塞風(fēng)與站臺(tái)送風(fēng)射流均恒定的工況?？v橫坐標(biāo)分別表示距離站臺(tái)送風(fēng)射流風(fēng)口的垂直和水平方向的距離，其中刻度0位置為站臺(tái)送風(fēng)口的位置，橫坐標(biāo)上坐標(biāo)距離8cm、15cm處分別是測(cè)點(diǎn)9、10的位置?；钊L(fēng)速分別為5m／s、6m／s、7m／s時(shí)活塞風(fēng)與站臺(tái)送風(fēng)射流的耦合曲線(xiàn)如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 活塞風(fēng)與站臺(tái)逆風(fēng)射流的耦合曲線(xiàn)（活塞風(fēng)速為5m／s）

圖6 活塞風(fēng)與站臺(tái)逆風(fēng)射流的耦合曲線(xiàn)（活塞風(fēng)速為6m／s）

圖7 活塞風(fēng)與站臺(tái)逆風(fēng)射流的耦合曲線(xiàn)（活塞風(fēng)速為7m／s）

由圖5、圖6、圖7可知，在活塞風(fēng)速度一定的情況下，站臺(tái)送風(fēng)射流速度越小，活塞風(fēng)與站臺(tái)送風(fēng)射流的耦合軌跡越平緩。

在文獻(xiàn)13中，設(shè)橫流的流速為ua，射流出口斷面直徑為D，射流出口射流流速為u0，兩者的比值為R＝u0／ua，垂直于橫流與射流斷的射流中心線(xiàn)方程為z／（R×D）＝2.05×［x／（R×D）］0.28。此處的橫流相當(dāng)于試驗(yàn)臺(tái)上的活塞風(fēng)，射流相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的站臺(tái)送風(fēng)射流，將其帶入射流中心線(xiàn)的方程內(nèi)，計(jì)算得出的軌跡規(guī)律與本試驗(yàn)臺(tái)活塞風(fēng)與站臺(tái)送風(fēng)射流速度耦合軌跡圖基本相吻合。

2.3 活塞風(fēng)最大值不變，改變站臺(tái)送風(fēng)射流速度

保持活塞風(fēng)速度最大值不變，改變站臺(tái)送風(fēng)射流速度，觀(guān)察在活塞風(fēng)一定的情況下，不同站臺(tái)送風(fēng)射流對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)速度的影響?；钊L(fēng)速度最大值為6m／s，站臺(tái)送風(fēng)射流流速分別為3m／s、4m／s、5 m／s時(shí)各測(cè)點(diǎn)的速度分布及對(duì)應(yīng)的擬合曲線(xiàn)如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 各測(cè)點(diǎn)的速度分布圖（站臺(tái)送風(fēng)射流流速為3m／s）

圖9 各測(cè)點(diǎn)的速度分布圖（站臺(tái)送風(fēng)射流流速為4m／s）

其中測(cè)點(diǎn)8是風(fēng)口前面的測(cè)點(diǎn)，即未耦合的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)9和測(cè)點(diǎn)10是風(fēng)口依次往后的測(cè)點(diǎn)，即活塞風(fēng)與站臺(tái)送風(fēng)射流耦合后的測(cè)點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)圖8、圖9、圖10觀(guān)察和對(duì)比，在活塞風(fēng)最大值為6m／s時(shí)可總結(jié)如下：

（1）站臺(tái)送風(fēng)射流流速分別為3m／s、4m／s和5 m／s時(shí)，各測(cè)點(diǎn)速度變化曲線(xiàn)隨著活塞風(fēng)增大、穩(wěn)定、減小的過(guò)程，與實(shí)測(cè)活塞風(fēng)變化曲線(xiàn)相吻合較好。

圖10 各測(cè)點(diǎn)的速度分布圖（站臺(tái)送風(fēng)射流流速為5m／s）

（2）改變站臺(tái)送風(fēng)射流速度值的情況下，測(cè)點(diǎn)8的速度改變較劇烈，規(guī)律不明顯。

（3）改變站臺(tái)送風(fēng)射流速度值的情況下，測(cè)點(diǎn)9的速度隨著站臺(tái)送風(fēng)射流流速的增大，速度反而逐漸變小。

（4）改變站臺(tái)送風(fēng)射流速度值的情況下，測(cè)點(diǎn)10的速度隨著站臺(tái)送風(fēng)射流流速的增大，速度逐漸增大。

2.4 站臺(tái)送風(fēng)射流流速不變，改變活塞風(fēng)速度

取站臺(tái)送風(fēng)射流流速為3m／s，活塞風(fēng)速最大值分別為5m／s、6m／s、7m／s，各測(cè)點(diǎn)的速度分布如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 各測(cè)點(diǎn)的速度分布圖（活塞風(fēng)速最大值為5m／s）

圖12 各測(cè)點(diǎn)的速度分布圖（活塞風(fēng)速最大值為6m／s）

通過(guò)對(duì)圖11、圖12、圖13觀(guān)察和對(duì)比，在站臺(tái)送風(fēng)射流流速為3m／s，活塞風(fēng)速最大值分別為5 m／s、6m／s和7m／s時(shí)可總結(jié)如下：

圖13 各測(cè)點(diǎn)的速度分布圖（活塞風(fēng)速最大值為7m／s）

（1）各測(cè)點(diǎn)速度變化曲線(xiàn)隨著活塞風(fēng)增大、穩(wěn)定、減小的這個(gè)過(guò)程，與活塞風(fēng)變化曲線(xiàn)相吻合較好。

（2）隨著活塞風(fēng)速度最大值的增大，測(cè)點(diǎn)8速度值曲線(xiàn)改變較平緩且測(cè)點(diǎn)8的速度值隨著活塞風(fēng)的增大而增大。

（3）測(cè)點(diǎn)9速度曲線(xiàn)改變較劇烈且測(cè)點(diǎn)9的速度值隨著活塞風(fēng)速最大值的增大而增大。

（4）測(cè)點(diǎn)10速度曲線(xiàn)改變劇烈且測(cè)點(diǎn)10的速度值隨著活塞風(fēng)速最大值的增大先增大后減小。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）試驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)速度變化曲線(xiàn)隨著活塞風(fēng)增大、穩(wěn)定、減小的這個(gè)過(guò)程，基本上與實(shí)測(cè)活塞變化曲線(xiàn)相吻合。

（2）隧道入口處活塞風(fēng)初始速度越大，入口后站臺(tái)各測(cè)點(diǎn)速度會(huì)隨之增大。

（3）不同活塞風(fēng)初始值情況下，距隧道入口不同距離的各測(cè)量橫斷面上速度分布具有相似性。

（4）在活塞風(fēng)一定的情況下，站臺(tái)送風(fēng)射流速度越小，活塞風(fēng)與站臺(tái)送風(fēng)射流的耦合軌跡越平緩；在站臺(tái)送風(fēng)射流一定的情況下，活塞風(fēng)越小，活塞風(fēng)與站臺(tái)送風(fēng)射流的耦合軌跡越陡。

由以上結(jié)論可知，在非屏蔽門(mén)系統(tǒng)的地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，可以適當(dāng)打開(kāi)在站臺(tái)兩端活塞風(fēng)的通風(fēng)井，并增大站臺(tái)送風(fēng)射流流速以達(dá)到舒適節(jié)能的目的。

［1］OUYANG Q，JIANG Y，Z Y X.Calculation of critical ventilation velocity for the train jam in subway tunnel using CFD simulations［C］／／Proceedings of the 2002International Symposium on Safety Science and Technology（2002ISSST）.Tai’an，China：Safety Science and Technology，2002：1363.

［2］沈翔，吳喜平.地鐵活塞風(fēng)特性的測(cè)試研究［J］.暖通空調(diào)，2005（3）：103.

［3］王麗慧，吳喜平.地鐵車(chē)站環(huán)控溫度場(chǎng)的研究［J］.制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2007（28）：30.

［4］王麗慧，吳喜平.地鐵活塞風(fēng)對(duì)車(chē)站環(huán)控速度場(chǎng)的影響［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007（2）：161.

［5］賈力，黃鵬，楊立新.地鐵車(chē)站內(nèi)流動(dòng)特性的數(shù)值模擬［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32（1）：83.

［6］Ren M L，Chen C，Guo Q，et al.Numerical analysis and effectively using of piston－effect in subway［J］.Shanghai Jiaotong Daxue Xuebao，2008，42（8）：1376.

［7］袁鳳東，由世俊，楊向勁.地鐵側(cè)式站臺(tái)空調(diào)氣流CFD模擬［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（6）：303.

［8］毛軍，郗艷紅，呂華，等.數(shù)值模擬與仿真在地鐵火災(zāi)防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32（4）：52.

［9］楊暉，賈力，黃培雷.列車(chē)運(yùn)動(dòng)對(duì)地鐵站臺(tái)環(huán)境影響的數(shù)值模擬［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010（2）：270.

［10］楊暉，賈力，楊立新.列車(chē)運(yùn)動(dòng)對(duì)地鐵站臺(tái)空氣溫度分布動(dòng)態(tài)影響的數(shù)值分析［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（1）：37.

［11］榮莉.姚楊，姜益強(qiáng)，等.側(cè)式站臺(tái)和島式站臺(tái)活塞風(fēng)特性分析比較［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2007，26（4）：87.

［12］沈翔，吳喜平，董志周.地鐵活塞風(fēng)特性的測(cè)試研究［J］.暖通空調(diào)，2005，35（3）：104.

［13］余常昭.紊動(dòng)射流［M］.北京：高等教育出版社，1993.

［14］吳煒，彭金龍.快速地鐵隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)研究［J］.城市軌道交通研究，2011（12）：37.