陳　超，李小娜，李　瓊，袁浩庭，王陸瑤，李亞茹

(1.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京　100124；2.北京工業(yè)大學(xué) 綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100124)

隨著城市地鐵的迅速發(fā)展，地鐵環(huán)境問題已經(jīng)愈來愈引起人們的關(guān)注[1-2]。地鐵列車在區(qū)間隧道內(nèi)高速行進(jìn)過程中產(chǎn)生活塞效應(yīng)，從而帶動(dòng)區(qū)間隧道和車站內(nèi)空氣流動(dòng)，并通過車站出入口、風(fēng)井與外界進(jìn)行通風(fēng)換氣[3]。如果對活塞效應(yīng)加以有效利用，將對地鐵車站空氣環(huán)境改善起到積極作用。

基于活塞效應(yīng)對地鐵車站空氣環(huán)境改善的積極作用，國內(nèi)外學(xué)者做了許多相關(guān)的研究。楊暉[4]通過計(jì)算分析列車進(jìn)出站過程中車站各區(qū)域空氣的流速變化和流場分布，提出活塞效應(yīng)的有效利用不僅可以減少乘客的不舒適感、改善車站內(nèi)的空氣質(zhì)量，而且對地鐵節(jié)能有積極作用。孫云雷等[5]關(guān)于活塞風(fēng)與空調(diào)送風(fēng)共同作用下地鐵車站的氣流耦合模型試驗(yàn)結(jié)果表明，活塞風(fēng)對地鐵車站內(nèi)空氣環(huán)境的影響起主導(dǎo)作用。Peng Xue[6]通過CFD模擬分析，認(rèn)為活塞風(fēng)在各流動(dòng)通道以特定的流出和吸入比流動(dòng)，列車進(jìn)站端風(fēng)井比出站端風(fēng)井對活塞風(fēng)的影響更大。T. Moreno[7]通過對巴塞羅那市地鐵車站的空氣質(zhì)量(PM, CO2和CO)進(jìn)行高精度監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)單軌道的站臺(tái)結(jié)構(gòu)主要依賴強(qiáng)制隧道通風(fēng)減少車站的PM濃度，而雙軌道站臺(tái)結(jié)構(gòu)僅依賴活塞效應(yīng)即可維持車站內(nèi)穩(wěn)定的PM濃度。楊偉超等[8]采用室內(nèi)污染物濃度演化單箱物理模型建立了地鐵空氣污染物控制方程，對站臺(tái)和區(qū)間隧道的CO2濃度變化特性進(jìn)行了分析與評價(jià)。 Zhang Lin等[9]采用CFD模擬軟件針對地鐵車站換乘站內(nèi)的CO和CO2濃度以及地鐵車站的通風(fēng)效果進(jìn)行分析，提出了1種可改善室內(nèi)空氣品質(zhì)和熱舒適性的通風(fēng)模式。Chi-Ji Lin等[10]針對地鐵環(huán)控系統(tǒng)中開式系統(tǒng)活塞效應(yīng)的影響因素進(jìn)行了實(shí)測和模擬研究，指出在考慮利用活塞效應(yīng)進(jìn)行隧道通風(fēng)時(shí)，通風(fēng)井的長度是很重要的參數(shù)。Pope[11]等通過分析地鐵系統(tǒng)中影響通風(fēng)的因素和空氣溫度后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通風(fēng)井的截面積為20 m2時(shí)，活塞風(fēng)的空氣流動(dòng)及地鐵車站的空氣溫度是令人滿意的。Zhao Yang[12]等人提出1種新型的地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)，通過CFD模擬方法，分析了該控制系統(tǒng)下活塞風(fēng)對車站舒適性及其節(jié)能效果的影響，并指出在不同城市應(yīng)用該系統(tǒng)時(shí)節(jié)能效果不同。這些研究成果表明，活塞風(fēng)對地鐵車站及隧道通風(fēng)換氣有積極作用，而活塞風(fēng)流動(dòng)特性會(huì)受到列車運(yùn)行速度、隧道結(jié)構(gòu)(隧道長度及截面尺寸)、風(fēng)井設(shè)置模式及尺寸等因素的影響[13]。但是關(guān)于隧道埋深對地鐵活塞效應(yīng)及地鐵車站通風(fēng)換氣性能影響的研究還較少。

本文以北京地鐵4號線靈境胡同車站及其兩側(cè)的區(qū)間為例，針對單風(fēng)井設(shè)置模式[14]，根據(jù)所構(gòu)建的隧道通風(fēng)性能評價(jià)指標(biāo)，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT 15.0[15]計(jì)算不同隧道埋深處地鐵車站及區(qū)間隧道各斷面空氣流動(dòng)的壓力場和速度場，研究隧道埋深、風(fēng)井橫截面積對地鐵車站通風(fēng)換氣性能的影響規(guī)律，以期為地鐵系統(tǒng)活塞效應(yīng)的有效利用提供設(shè)計(jì)依據(jù)和參考。

1　地鐵車站及區(qū)間隧道空氣流動(dòng)壓力場和速度場的數(shù)值模擬

1.1　計(jì)算車站及其區(qū)間隧道的幾何結(jié)構(gòu)及尺寸

靈境胡同車站為雙層島式車站，如圖1所示。站臺(tái)的長×寬×高為130 m×20 m×4.85 m；站臺(tái)兩端設(shè)有樓梯通向站廳，站廳的長×寬×高為90 m×20 m×3.3 m；站廳設(shè)有CB，CC和CD共3個(gè)地面出入口通道(簡稱通道)通向室外地面，CB通道橫截面的寬×高為6.0 m×2.5 m, CC和CD通道橫截面的寬×高均為4.5 m×2.5 m。

圖1　靈境胡同車站構(gòu)造示意圖

圖2為該計(jì)算車站及其連接區(qū)間隧道的示意圖。車站左側(cè)區(qū)間隧道長982 m，隧道內(nèi)凈空的寬×高為4.4 m×4.6 m；車站右側(cè)區(qū)間隧道長879 m，隧道內(nèi)凈空的寬×高為4.4 m×4.6 m。車站兩端各設(shè)置1個(gè)風(fēng)井，位置分別在距離車站站臺(tái)進(jìn)站端100 m的區(qū)間隧道內(nèi)(簡稱為風(fēng)井VSA和風(fēng)井VSB)，風(fēng)井橫截面面積均為16 m2。

圖2　靈境胡同車站及其區(qū)間隧道相對位置示意圖(單位：m)

1.2　數(shù)值建模及網(wǎng)格劃分

采用Gambit軟件建立計(jì)算車站的全尺寸網(wǎng)格模型，如圖3所示。區(qū)間隧道采用結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的長×寬×高為0.5 m×0.4 m×0.4 m；地鐵車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，并且在氣流流動(dòng)復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理[16]；模型的總網(wǎng)格數(shù)為3.1×106個(gè)。

圖3　車站及區(qū)間網(wǎng)格模型

1.3　邊界條件及模型求解

根據(jù)列車實(shí)際運(yùn)行過程，應(yīng)用FLUENT 15.0軟件的動(dòng)網(wǎng)格模型，對列車運(yùn)行過程中活塞效應(yīng)隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行模擬。網(wǎng)格更新采用動(dòng)態(tài)分層方式；區(qū)間與站臺(tái)的交界面采用滑動(dòng)交界面進(jìn)行耦合；列車運(yùn)行速度均按照圖4所示實(shí)際高峰時(shí)段的列車運(yùn)行速度進(jìn)行賦值。西單站上行線(西單站→靈境胡同站→西四站)的列車先于西四站下行線(西四站→靈境胡同站→西單站)的列車行駛；自上行線列車起動(dòng)開始計(jì)時(shí)，在52 s時(shí)上行線列車車頭開始經(jīng)過風(fēng)井VSB，在56 s時(shí)下行線列車車頭開始經(jīng)過風(fēng)井VSA；在82 s時(shí)2列列車均完全?？吭陟`境胡同站站臺(tái)，在112 s時(shí)上行線列車駛離靈境胡同站；直至181和191 s時(shí)，2列列車均走完全程。

圖4　列車運(yùn)行速度時(shí)程曲線

兩列車的運(yùn)行時(shí)長分別為181和191 s，考慮到列車停止運(yùn)行后活塞風(fēng)會(huì)再繼續(xù)流動(dòng)一段時(shí)間，故將動(dòng)網(wǎng)格模擬時(shí)長設(shè)置為200 s。時(shí)間步長為0.02 s，每時(shí)間步長迭代運(yùn)算20次，殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為0.001；在t=0時(shí)，地鐵車站及隧道區(qū)間內(nèi)的相對大氣壓力及速度均為0；t>0時(shí)，車站地面出入口及風(fēng)井地面出口都為大氣壓力邊界，入口處邊界為動(dòng)網(wǎng)格與靜網(wǎng)格耦合Interface面，即動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域(隧道)內(nèi)的空氣受活塞壓力作用可以通過此面流至靜網(wǎng)格區(qū)域(風(fēng)井及站臺(tái)站廳等)；忽略人員走動(dòng)對空氣流動(dòng)的影響。

采用k—ε湍流模型計(jì)算地鐵列車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的活塞效應(yīng)；采用PISO算法計(jì)算瞬態(tài)運(yùn)算中的速度與壓力的耦合問題。對流與擴(kuò)散項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)格式，瞬態(tài)運(yùn)算的時(shí)間離散采用一階隱式[14]。

1.4　模擬計(jì)算工況

靈境胡同站的埋深為15 m，風(fēng)井的橫截面面積為16 m2。為分析隧道埋深和風(fēng)井結(jié)構(gòu)尺寸對地鐵活塞效應(yīng)的影響，在實(shí)際隧道埋深及風(fēng)井橫截面積的基礎(chǔ)上共設(shè)置7種計(jì)算工況，見表1。

表1　計(jì)算工況(Case set)

1.5　模擬計(jì)算方法的驗(yàn)證(工況1)

1.5.1車站空氣速度分布特性

工況1條件下地鐵區(qū)間隧道和計(jì)算車站各斷面(沿列車行駛方向)平均瞬時(shí)風(fēng)速隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5所示，圖5中正值表示向室外排風(fēng)，負(fù)值表示從室外引入新風(fēng)。由圖5可知：當(dāng)兩列車相向駛向計(jì)算車站過程中(0～82 s)，由于上行線的列車先行，上行區(qū)間風(fēng)井VSB處的風(fēng)速先于其他斷面增大，各斷面排風(fēng)速度也隨著列車運(yùn)行速度的增加而增加，在兩列車經(jīng)過風(fēng)井VSA和VSB時(shí)，風(fēng)井?dāng)嗝骘L(fēng)速會(huì)出現(xiàn)驟降，這時(shí)大部分空氣從計(jì)算車站站臺(tái)通過通道向室外排風(fēng)；當(dāng)兩列車同時(shí)停泊在計(jì)算車站的站臺(tái)上時(shí)(82～112 s)，各斷面仍處于排風(fēng)狀態(tài)，這主要是由空氣流動(dòng)的延遲性導(dǎo)致的；在兩列車同時(shí)駛離車站進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道過程中，處于排風(fēng)狀態(tài)的風(fēng)井和通道排風(fēng)的風(fēng)速驟減為0，然后變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)狀態(tài)，室外空氣通過風(fēng)井和通道被引入，直至列車完全停止并延后一定時(shí)間(200 s)止，地鐵區(qū)間隧道及車站各斷面的風(fēng)速才逐漸降低為0。

圖5地鐵區(qū)間隧道和車站各斷面平均風(fēng)速隨時(shí)間變化的曲線

1.5.2計(jì)算方法有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證應(yīng)用FLUENT軟件的網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬的有效性，仿真模擬通道CB的平均瞬時(shí)風(fēng)速；然后實(shí)測通道CB的平均瞬時(shí)風(fēng)速，實(shí)測時(shí)采用Testo-435型風(fēng)速儀(量程范圍為0～500×10-6m·s-1，精度為±50×10-6m·s-1，分辨率為1×10-6m·s-1)，測點(diǎn)選取通道CB斷面中心距地面高度1.5 m處，數(shù)據(jù)記數(shù)頻率為1次·s-1；將模擬值與實(shí)測值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：兩者隨時(shí)間變化的趨勢一致，只是實(shí)測值稍大于模擬值。出現(xiàn)誤差的原因有：一是因?yàn)閷?shí)測過程中人員走動(dòng)對空氣流動(dòng)的擾動(dòng)作用；二是因?yàn)槭墁F(xiàn)場實(shí)測條件限制，實(shí)測結(jié)果的精準(zhǔn)性稍差。由此說明，該模型是正確的、合理的，可以用于模擬分析隧道埋深和風(fēng)井截面面積對地鐵活塞效應(yīng)的影響。

圖6　實(shí)測斷面平均瞬時(shí)風(fēng)速的模擬值與實(shí)測值對比

2　地鐵車站通風(fēng)換氣性能評價(jià)指標(biāo)

(1)

(2)

(3)

(4)

3　模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1　隧道埋深對車站通風(fēng)換氣性能的影響

3.1.1隧道埋深與活塞風(fēng)速

取工況1、工況2和工況5，即只改變隧道埋深，不改變風(fēng)井的橫截面面積，采用上述模擬方法，模擬得到各風(fēng)井和通道斷面的平均瞬時(shí)風(fēng)速隨隧道埋深的變化規(guī)律分別如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知：風(fēng)井與通道斷面的平均瞬時(shí)風(fēng)速隨時(shí)間的變化規(guī)律相同，均隨著隧道埋深的增加而降低。

圖7不同風(fēng)井?dāng)嗝嫫骄矔r(shí)風(fēng)速與隧道埋深的關(guān)系曲線

圖8　不同通道斷面平均瞬時(shí)風(fēng)速與隧道埋深的關(guān)系曲線

3.1.2隧道埋深與隧道進(jìn)/排風(fēng)量

根據(jù)圖8和圖9所示平均瞬時(shí)風(fēng)速曲線，分別采用式(1)—式(4)計(jì)算得到不同隧道埋深時(shí)各風(fēng)井和通道的排風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)量，見表2。

表2　不同隧道埋深時(shí)風(fēng)井和通道的通風(fēng)量(工況1、工況2及工況5)

由表2可知：隨著隧道埋深的增加，風(fēng)井、通道的進(jìn)風(fēng)量及排風(fēng)量，以及總排風(fēng)量和總進(jìn)風(fēng)量均逐漸減少；當(dāng)隧道埋深由15 m(工況1)增加到35 m(工況5)時(shí)，風(fēng)井的排風(fēng)量從9 141 m3減少到6 558 m3，減少了28.3%；風(fēng)井和通道的總進(jìn)風(fēng)量從5 222 m3減少到3 834 m3，減少了26.6%，說明活塞風(fēng)對地鐵車站通風(fēng)換氣的積極作用被削弱。

3.2　風(fēng)井橫截面面積對車站通風(fēng)換氣性能的影響

3.2.1風(fēng)井橫截面面積與活塞風(fēng)速

取工況2、工況3及工況4，即隧道埋深不變，只改變風(fēng)井的橫截面面積；采用上述模擬方法，模擬得到各風(fēng)井和通道斷面的平均瞬時(shí)風(fēng)速隨風(fēng)井橫截面面積的變化規(guī)律如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知，風(fēng)井橫斷面的活塞風(fēng)速由于橫截面面積的增加而有所降低，而通道橫載面的平均瞬時(shí)風(fēng)速變化不大。

圖9不同風(fēng)井橫截面面積時(shí)風(fēng)井?dāng)嗝嫫骄矔r(shí)風(fēng)速變化曲線

圖10不同風(fēng)井橫截面面積時(shí)通道平均瞬時(shí)風(fēng)速變化曲線

3.2.2風(fēng)井橫截面面積與隧道進(jìn)/排風(fēng)量

根據(jù)圖9和圖10所示平均瞬時(shí)風(fēng)速曲線，分別采用式(1)—式(4)計(jì)算得到風(fēng)井及通道的排風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)量，見表3。由表3可知：隨著風(fēng)井橫截面面積的增加，風(fēng)井、通道的進(jìn)風(fēng)量和排風(fēng)量，以及總排風(fēng)量和總進(jìn)風(fēng)量均逐漸增加；當(dāng)風(fēng)井橫截面積由16 m2(工況2)增加到25 m2(工況4)時(shí)，風(fēng)井的排風(fēng)量由7 849 m3增加到9 814 m3，增加了25%；風(fēng)井和通道的總進(jìn)風(fēng)量由4 527 m3增加到4 921 m3，增加了8.7%。說明增加風(fēng)井的橫截面面積，對有效利用活塞風(fēng)改善地鐵隧道通風(fēng)換氣性能具有積極作用。

表3　不同風(fēng)井橫截面面積時(shí)風(fēng)井和通道的通風(fēng)量(工況2、工況3及工況4)

3.3　基于隧道通風(fēng)性能的隧道埋深—風(fēng)井橫截面面積取值的平衡

由以上分析可知，隧道埋深的增加將直接導(dǎo)致活塞風(fēng)對地鐵隧道通風(fēng)換氣積極作用的削弱，而適當(dāng)增加風(fēng)井的橫截面面積可有效平衡隧道埋深帶來的不利影響。因此，對工況1—工況7，模擬各風(fēng)井和通道斷面處的平均瞬時(shí)風(fēng)速，再根據(jù)式(1)—式(4)計(jì)算得到各工況下風(fēng)井的排風(fēng)量及風(fēng)井和通道的總進(jìn)風(fēng)量，如圖11所示。由圖11可知：當(dāng)隧道埋深由15 m分別增加到25和35 m時(shí)，如果將風(fēng)井橫截面面積相應(yīng)地從16 m2增加到20和25 m2(工況1，工況3和工況7)，風(fēng)井的排風(fēng)量分別為9 141， 9 005， 8 462 m3；風(fēng)井和通道的總進(jìn)風(fēng)量分別為5 222， 4 745， 4 238 m3。可見，適當(dāng)增加風(fēng)井橫截面面積，可有效平衡由于隧道埋深增加而引發(fā)活塞風(fēng)對地鐵系統(tǒng)通風(fēng)性能的減弱。

圖11　各工況下風(fēng)井的排風(fēng)量及風(fēng)井和通道的總進(jìn)風(fēng)量

4　結(jié)　論

(1)隧道埋深由15 m增加到35 m，風(fēng)井的橫截面面積不變，則風(fēng)井的排風(fēng)量從9 141 m3減少到6 558 m3；風(fēng)井和通道的總進(jìn)風(fēng)量從5 222 m3減少到3 834 m3。說明隧道埋深的增加不利于地鐵車站的通風(fēng)換氣。

(2)隧道埋深不變，風(fēng)井的橫截面積由16 m2增加到25 m2，則風(fēng)井的排風(fēng)量由7 849 m3增加到9 814 m3；風(fēng)井和通道的總進(jìn)風(fēng)量由4 527 m3增加到4 921 m3。說明增加風(fēng)井橫截面面積，對有效利用活塞風(fēng)改善地鐵車站的通風(fēng)換氣性能具有積極作用。

(3)隧道埋深由15 m分別增加到25和35 m，如果將風(fēng)井橫截面面積從16 m2增加到20和25 m2，則可有效平衡由于隧道埋深增加而引發(fā)的活塞風(fēng)對地鐵系統(tǒng)通風(fēng)性能作用的減弱。

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