張 丹

(建研科技股份有限公司，北京100013)

隨著現(xiàn)在社會經(jīng)濟發(fā)展和城市化步伐的加快，交通擁擠成為現(xiàn)代化城市的重點問題，城市交通堵塞等現(xiàn)象在很大程度上限制了城市的可持續(xù)發(fā)展。與此同時，城市地下鐵道因其運量大、快速便捷、安全準點、相對環(huán)境污染程度低以及綜合經(jīng)濟效率高等特點成為解決城市交通擁擠與堵塞問題的有效交通工具[1-3]。隨著對地鐵空調(diào)系統(tǒng)研究的不斷深入以及計算機的飛速發(fā)展，地鐵空調(diào)數(shù)值模擬也得到發(fā)展。在地鐵系統(tǒng)氣流組織研究方面，計算機數(shù)值模擬技術(shù)得到了廣泛應用，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了一些隧道空氣動力學軟件，用于較復雜的隧道通風設(shè)計[4～6]。

1 CFD技術(shù)簡介

1.1 ANSYSCFX軟件簡介

本次模擬計算采用的軟件CFX是英國AEA技術(shù)有限公司開發(fā)的CFD軟件，兼有先進的求解器和強大的前處理和后處理功能。它同時包括結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和復合網(wǎng)格，用計算松弛技術(shù)和壓力修正技術(shù)，先進的多方程聯(lián)解法，使得模擬計算更可靠、快速準確;用了較完整的菜單交互操作和完整的模擬定義構(gòu)成、模擬計算與分析、結(jié)果處理系統(tǒng)，使其更直觀、更便捷;在線幫助體系比較完善，在收斂和模擬計算上也有新發(fā)展。

1.2 控制方程和定解條件

空氣流動控制方程，實際是對流擴散作用下的物理量(質(zhì)量、動量和能量等)的守恒定律，可用統(tǒng)一的通用微分方程式(1)表示[7]:

式中，φ代表速度、溫度以及湍流參數(shù)等物理量，上式代表流體流動的動量方程、能量方程以及湍流動能和湍流動能耗散率方程。對于實際物理問題，需有定解條件才能封閉煙氣流控制微分方程組組，得出問題的解。本次模擬以列車進出站臺一次間隔3分鐘內(nèi)的時均分布情況為計算目標，故簡化為定常流動，所涉及定解條件只含邊界條件[8～9]。

2 典型地鐵站臺模型簡介

2.1 幾何模型描述

北京建國門地鐵站位于建國門內(nèi)大街與東二環(huán)交點處，是北京地鐵一號與二號線的換乘車站，地鐵站共有:A、B、C三個出入口。車站形式為島式車站，站廳布置在站臺兩端，根據(jù)該車站的空調(diào)負荷確定空調(diào)系統(tǒng)的送回風方案見圖1所示。

圖1 建國門站一號線與二號線站臺空調(diào)方案簡圖

站廳層設(shè)置送風口，尺寸為1 500mm×400mm，一號線有10個，二號線有15個，回風口尺寸為400mm×500mm，布置于人行出入通道兩側(cè)，站臺層采用上部送風，軌頂排風以及軌底回/排風的氣流組織形式，站臺送風口尺寸為1 500 mm×400 mm，一號線與二號線各有42個，軌頂排風口尺寸定為1 000 mm×400 mm，各40個，位于軌道上方，軌底回/排風口尺寸為400mm×500 mm，各80個，均勻布置于站臺板下方。

2.2 數(shù)值模型描述

本模擬設(shè)定車站候車站臺有效斷面尺寸為120 m×12 m;隧道尺寸為 150 m×4.1 m×4.3 m，列車尺寸為117 m×2.8 m×3.5 m。列車冷凝器位于列車頂部，制動電阻位于列車底部。人員站立于列車隧道邊界半米之外，模擬中簡化為尺寸為100 m×1 m×1.7 m的長方體。根據(jù)建國門站的空調(diào)系統(tǒng)負荷，車站一號線站臺車站公共區(qū)總空調(diào)送風量為22.7×104m3/h，其中補充新風量為2.27×104 m3/h，二號線站臺公共區(qū)總空調(diào)送風量為18.45×104 m3/h，其中補充新風量為2.27×104 m3/h。根據(jù)站臺形式構(gòu)成及空調(diào)方案，建立的CFD模型如圖2所示。

圖2 建國門地鐵站CFD模擬物理模型

2.3 數(shù)值模擬定解條件

2.3.1 站臺各項發(fā)熱量設(shè)定

根據(jù)站臺各項熱源發(fā)熱量的計算方法計算出各項發(fā)熱量結(jié)果設(shè)定見表1。

2.3.2 有關(guān)溫度邊界設(shè)定

根據(jù)空調(diào)要求，設(shè)定典型時刻空調(diào)室外計算干球溫度為32.1℃;空調(diào)工況下送風溫度:21.336℃;隧道空氣溫度:35.779℃。

2.3.3 有關(guān)速度邊界設(shè)定

根據(jù)站臺空調(diào)通風系統(tǒng)的送風回風量及各風口尺寸，各風口速度設(shè)定見表2。

隧道口處活塞風邊界條件根據(jù)相關(guān)文獻及實際測量，取典型模擬時刻活塞風量的平均值，給定速度邊界條件見表3。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 速度場分析

圖3為站臺送風口所在截面速度矢量分布圖;圖4為乘客候車平面呼吸高度線速度沿站臺長度方向分布圖。圖中，速度單位均為m/s。

表1 模擬各熱源項邊界條件設(shè)置

表2 地鐵站各風口速度設(shè)定

表3 本模擬隧道活塞風邊界條件設(shè)置

由圖3、4分析可知，由于送風口均勻布置，風口間距相等，各送風口的出風速度也相等，一號線與二號線站臺送風區(qū)域氣流混合較為均勻，不存在明顯的氣流“死區(qū)”，一號線站臺除了列車進站端附近局部區(qū)域受列車進站活塞風影響空氣流速達到0.8 m/s之外，人體腳踝高度線沿站臺長度方向速度分布波動很小，在0.1 m/s～0.2 m/s之間波動，由于列車發(fā)車頻率的不同，典型模擬時刻以內(nèi)一號線站臺候車區(qū)氣流速度受活塞風影響相對二號線較大，二號線站臺大范圍區(qū)域人體腳踝高度線沿站臺長度方向速度波動在0.1 m/s～0.3 m/s范圍內(nèi)。

3.2 溫度場分析

圖5反映了站臺人員呼吸高度平面(即高出站臺地面1.65m平面)的溫度分布圖;圖6為站臺人員呼吸高度平面與站臺中部對稱面交線溫度分布沿站臺長度方向的變化情況。圖中，溫度單位均為℃。

由圖5、6分析可知，建國門地鐵站調(diào)出站臺地面1.65m平面一號線與二號線站臺溫度分布均介于24.5～35.4℃之間。在乘客候車區(qū)的人員平均呼吸高度平面，大部分區(qū)域溫度可以維持在26-28℃范圍之內(nèi)，在列車進站方向活塞風對乘客候車區(qū)帶來的溫升較大，影響長度為約20m。

3.3 空調(diào)區(qū)域舒適性分析

由PD的計算公式[10]可知，根據(jù)前述計算所得典型位置的空氣溫度和空氣流速，可得出相應位置的人員不滿意率。圖7給出了乘客候車平面人員呼吸高度處人員不滿意率隨站臺長度變化的分布情況，圖8給出了站臺中心人員呼吸高度線上人員不滿意率隨站臺長度變化的分布圖。

溫度相同時，由于冷吹風引起的不滿意率隨平均風速的增大而增加;平均風速相同時，不滿意率隨溫度的增加而減少。由圖7、8分析可知，站臺對稱面及乘客候車平面呼吸高度線沒站臺長度方向的人員不滿意率呈明顯的波動形式。除送風口下方部分區(qū)域外，人員的不滿意率都在可以接受的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

通過對典型的建國門地鐵站進行簡化模型，應用計算流體力學軟件ANSYSCFX建立三維數(shù)學物理模型，給出合理邊界條件，分析軌道交通樞紐內(nèi)采用通風與空調(diào)系統(tǒng)的混合系統(tǒng)氣流溫度場、速度場分布、人員舒適性問題，得出如下結(jié)論:

(1)地鐵站內(nèi)氣流分布相互影響、相互作用，通過通道和地下?lián)Q乘廳及樓梯等氣流相作用，設(shè)計方案下采用通風空調(diào)系統(tǒng)的地下站臺溫度比設(shè)計溫度偏低，送風溫度可在前述溫度的基礎(chǔ)上有所提高或相同送風溫度的條件下適當降低送風量?？照{(diào)系統(tǒng)以犧牲能耗為代價可換取環(huán)境更低的溫度分布，總體而言溫度場和速度場及人員的舒適性均在可接受范圍內(nèi)，可獲得比較滿意的速度和溫度場和滿足乘客的短暫的舒適性要求。

(2)地鐵進站時隧道活塞風對站臺溫度場及速度場都有擾動，使在靠近列車進站端乘客候車區(qū)域溫度及速度都有所增加，但總體而言，活塞風對整個候車站臺乘客熱舒適性的影響不大。

(3)地鐵內(nèi)熱源的分布影響氣流的分布，列車?？颗c人員候車區(qū)域，溫度高于其他區(qū)域，越往非候車區(qū)域溫度呈降低，并在同一時間段具備相同的變化趨勢。

(4)采用數(shù)值模擬方法(CFD)可以很好地對復雜的軌道交通樞紐的通風與空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織進行預測與分析，起到對空調(diào)通風系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計，從而為設(shè)計出合理的氣流組織和提高人員的室內(nèi)舒適性提供參考。

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