朱培根 韋煒致 孔維同

陸軍工程大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院

0 引言

地鐵車站和隧道密不可分，兩者之間的熱環(huán)境相互影響。地鐵車站熱環(huán)境主要受到列車牽引過(guò)程的產(chǎn)熱以及車站自身的產(chǎn)熱的影響，前者主要通過(guò)隧道活塞風(fēng)帶入地鐵車站，成為車站熱負(fù)荷的主要來(lái)源，影響人員的熱舒適感。

列車牽引過(guò)程影響著隧道產(chǎn)生的活塞風(fēng)量和列車產(chǎn)熱量，對(duì)于安裝了安全門系統(tǒng)的地鐵車站而言，在摻混作用的影響下車站得到的活塞風(fēng)量和熱量則有較大差別。地鐵列車牽引過(guò)程比較復(fù)雜，目前牽引過(guò)程的研究重點(diǎn)集中于對(duì)列牽引特性以及牽引過(guò)程中氣動(dòng)效應(yīng)的研究[1-4]。此類研究則將列車牽引與隧道環(huán)境聯(lián)系起來(lái)，分析了列車牽引對(duì)隧道環(huán)境的作用，闡釋了活塞風(fēng)形成機(jī)理，列車牽引發(fā)熱原理。

清華大學(xué)鄧偉等[5]針對(duì)安全門系統(tǒng)地鐵站臺(tái)，提出了量化活塞作用強(qiáng)弱的摻混系數(shù)，為進(jìn)一步的摻混作用研究工作打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外研究人員雖然對(duì)列車牽引、活塞風(fēng)作用[6]取得了豐富的科研成果，但針對(duì)列車牽引對(duì)車站熱環(huán)境的具體作用規(guī)律卻并不多，需要進(jìn)行深入的研究，探究列車牽引過(guò)程與活塞風(fēng)，車站得熱量的關(guān)系，得到車站速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，為夏熱冬冷地區(qū)地鐵車站空調(diào)季熱環(huán)境的改善提供有力的參考依據(jù)。

1 建立模型

1.1 物理模型

選擇南京地鐵2號(hào)線苜蓿園——下馬坊區(qū)間為研究對(duì)象，并對(duì)下馬坊車站進(jìn)行建模。區(qū)間隧道長(zhǎng)為1140 m，結(jié)構(gòu)形式為圓形單線單洞，隧道截面積約為23.75 m2。物理模型基本參數(shù)如表1所示。

表1 物理模型參數(shù)表

因此，下馬坊站物理模型如圖2～4所示。圖2表明了島式地鐵站臺(tái)活塞風(fēng)分布情況。其中，能影響車站熱濕環(huán)境的活塞風(fēng)只有進(jìn)入站臺(tái)和進(jìn)入排風(fēng)口的那一部分[7]。

式中：Gi總活塞風(fēng)量，kg/s；Gs為進(jìn)入迂回風(fēng)道的活塞風(fēng)量，kg/s；Gp為摻混入站臺(tái)的活塞風(fēng)量，kg/s；Gr為進(jìn)入軌頂和站臺(tái)底排風(fēng)口的活塞風(fēng)量，kg/s；Go為進(jìn)入下游隧道的活塞風(fēng)量，kg/s。

摻混系數(shù)ηmix是指影響站臺(tái)負(fù)荷的活塞風(fēng)在進(jìn)入車站隧道活塞風(fēng)總量中的百分比，表達(dá)式如式（2）：

圖2 模型站臺(tái)層俯視圖

圖3 模型側(cè)視圖

圖4 車站三維模型圖

根據(jù)車站的實(shí)際參數(shù)，在CFD模擬軟件Airpak中建立車站的物理模型。原點(diǎn)位于列車進(jìn)站側(cè)底邊與中軸對(duì)稱面的交點(diǎn)，X方向?yàn)樗淼揽v向，指向隧道下游。Y方向?yàn)檐囌靖叨确较?，指向地上。Z方向?yàn)檐囌緳M向，指向列車駛?cè)氲乃淼揽?。車站三維模型則如圖4所示。

1.2 模擬方案

該車站模型邊界條件眾多，主要涉及速度，壓力和溫度邊界條件。設(shè)定軌頂回排風(fēng)口和站臺(tái)底回排風(fēng)口為速度出口邊界，速度恒為1.0 m/s。車站站廳和站臺(tái)的空調(diào)送風(fēng)口為速度入口邊界，速度恒為1.7 m/s（空調(diào)總送風(fēng)量約為160000 m3/h）。車站人員出入口為壓力邊界，壓力值與室外大氣壓力相同。送風(fēng)溫度為24℃。

表2 數(shù)值模擬方案

對(duì)于車站與隧道相連的4個(gè)接口，列車行駛的隧道出口設(shè)定為速度邊界，其余三個(gè)接口均設(shè)定為壓力邊界，壓力值與外界大氣壓相同。隧道出口處速度邊界的差異，即列車牽引最大時(shí)速的差異影響著模擬方案的結(jié)果[8，9]，故設(shè)定具體方案如表2。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 活塞風(fēng)摻混系數(shù)

活塞風(fēng)通過(guò)隧道之后主要有四個(gè)去向，分別為經(jīng)過(guò)迂回風(fēng)道進(jìn)入對(duì)面隧道，通過(guò)安全門孔隙進(jìn)入站臺(tái)，進(jìn)入軌排風(fēng)口以及進(jìn)入下游隧道。安全門上的孔隙包括上方的孔隙和下方的百葉，不同區(qū)域孔隙的風(fēng)速不同，要計(jì)算進(jìn)入站臺(tái)的活塞風(fēng)量以及進(jìn)入軌排風(fēng)管的活塞風(fēng)量非常復(fù)雜，因此，本文通過(guò)計(jì)算進(jìn)入迂回風(fēng)道的風(fēng)量以及進(jìn)入下游隧道的風(fēng)量，來(lái)反推出進(jìn)入站臺(tái)的風(fēng)量和進(jìn)入軌排風(fēng)管的風(fēng)量，進(jìn)而得到摻混系數(shù)。五種方案的迂回風(fēng)道斷面與下游隧道斷面平均風(fēng)速分布如圖5所示。

圖5 五種方案迂回風(fēng)道斷面與下游隧道斷面活塞風(fēng)速分布

從圖5可知，下游隧道的風(fēng)速先平緩上升，在列車進(jìn)入車站時(shí)風(fēng)速迅速增大，然后隨著列車的減速運(yùn)行，風(fēng)量逐漸衰減。迂回風(fēng)道風(fēng)速主要分兩個(gè)階段，前期活塞風(fēng)速呈現(xiàn)先增大后逐漸減小，最后降為0的趨勢(shì)。后期由于氣流逆轉(zhuǎn)，風(fēng)速變?yōu)樨?fù)值并逐漸增大，最后逐漸衰減到0。早期活塞風(fēng)速慢而且壓力小，未能到達(dá)下游隧道就被排風(fēng)系統(tǒng)吸收，此時(shí)小部分活塞風(fēng)進(jìn)入迂回風(fēng)道，導(dǎo)致其風(fēng)速開始增大。隨著活塞風(fēng)速的逐漸增大，活塞風(fēng)壓力和迂回風(fēng)道的風(fēng)速越大，并有部分活塞風(fēng)進(jìn)入站臺(tái)，但仍不足以影響到下游隧道。直到列車勻速即活塞風(fēng)穩(wěn)定，壓力和風(fēng)量均足夠大時(shí)，下游隧道活塞風(fēng)速開始逐漸增大，迂回風(fēng)道內(nèi)開始產(chǎn)生渦流，即在靠近隧道出口一側(cè)產(chǎn)生負(fù)壓，且活塞風(fēng)速越大，渦流效益越明顯，這一情況直到列車減速進(jìn)站時(shí)才有所改變。列車開始進(jìn)站后，車頭會(huì)將大量的活塞風(fēng)推動(dòng)向前，其中小部分進(jìn)入站臺(tái)以及排風(fēng)系統(tǒng)，大部分進(jìn)入下游隧道，直到列車減速，下游隧道風(fēng)速才開始逐漸衰減。此時(shí)迂回風(fēng)道由于受到列車尾部的負(fù)壓作用，風(fēng)向開始反轉(zhuǎn)，大量空氣由對(duì)面隧道經(jīng)迂回風(fēng)道進(jìn)入行車隧道并逐漸增強(qiáng)，之后由于負(fù)壓的減弱，風(fēng)速再次衰減。列車完全停止后，下游隧道的風(fēng)速迅速衰減，在停車的20 s內(nèi)幾乎衰減為0。

分析得，迂回風(fēng)道內(nèi)正向氣流是活塞風(fēng)，負(fù)向氣流僅是對(duì)面隧道的空氣且難以進(jìn)入下游隧道，因而在計(jì)算進(jìn)入迂回風(fēng)道的活塞風(fēng)時(shí)只計(jì)算其正向風(fēng)量。通過(guò)計(jì)算可得到五種方案迂回風(fēng)道，下游隧道，總體的活塞風(fēng)量以及摻混系數(shù)值，如表3所示。從表3可知，五種方案迂回風(fēng)道風(fēng)量相差不大，說(shuō)明列車速度的高低對(duì)迂回風(fēng)道的分流作用影響較小，然而下游隧道的風(fēng)量隨列車最高時(shí)速的增大而減小，主要是因?yàn)榱熊囎罡哕囁僭酱?，活塞風(fēng)速風(fēng)壓越大，越容易進(jìn)入車站區(qū)域，對(duì)車站的流場(chǎng)造成顯著的影響，因此其摻混系數(shù)也隨著增大。

表3 五種方案摻混系數(shù)值

2.2 站臺(tái)熱環(huán)境

活塞風(fēng)進(jìn)入車站后會(huì)造成車站氣流的紊亂，改變車站的溫度分布，影響人員的舒適性。故選取離站臺(tái)地面1.65 m處代表人員頭部區(qū)域，分析五種列車牽引方案下，該區(qū)域溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的變化情況。以方案1為例進(jìn)行分析，站臺(tái)人員頭部區(qū)域的溫度分布和速度分布如圖6和圖7所示。

從圖6得，當(dāng)即t=10 s時(shí)，隧道的活塞風(fēng)沒有進(jìn)入車站，其影響范圍非常有限，車站溫度場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，基本維持在設(shè)定溫度29℃左右。隨著活塞風(fēng)速增大即t=30 s時(shí)，已有部分活塞風(fēng)進(jìn)入車站，但此時(shí)活塞風(fēng)作用有限，只能對(duì)車站靠近隧道出口的小部分區(qū)域產(chǎn)生影響，導(dǎo)致溫度上升到30℃左右?；钊L(fēng)穩(wěn)定作用一段時(shí)間即t=60 s時(shí)，活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)的影響效果十分明顯，此時(shí)站臺(tái)中部大部分區(qū)域溫度都有所上升，而靠近隧道出口區(qū)域活塞風(fēng)作用反而降低，溫度低至29℃左右。隨著活塞作用的減弱即t=90 s時(shí)，隧道出口活塞風(fēng)速非常小，已無(wú)足夠壓力進(jìn)入車站，因而站臺(tái)溫度又恢復(fù)到29℃左右。

圖6 方案1不同時(shí)刻站臺(tái)人員頭部區(qū)域溫度分布

圖7 方案1不同時(shí)刻站臺(tái)人員頭部區(qū)域速度分布

從圖7可知，人員頭部區(qū)域速度變化情況與溫度變化情況規(guī)律一致，活塞風(fēng)對(duì)車站的作用效果是從弱到強(qiáng)，再由強(qiáng)變?nèi)醯倪^(guò)程，作用范圍也與溫度變化范圍基本保持一致，即說(shuō)明活塞風(fēng)對(duì)車站溫度場(chǎng)的影響是伴隨活塞風(fēng)對(duì)車站速度場(chǎng)的影響而同時(shí)作用的。同樣的，其他四種方案車站的熱環(huán)境變化規(guī)律也與方案1相似，最終得到五種方案站臺(tái)人員頭部區(qū)域平均溫度變化情況如圖8所示。

圖8 五種方案站臺(tái)人員頭部區(qū)域平均溫度變化情況

從圖8可知，每個(gè)方案在t=10 s以前車站平均溫度都維持在29℃左右，表明此時(shí)活塞風(fēng)還未進(jìn)入車站，且車站空調(diào)送風(fēng)未影響到人員頭部區(qū)域。之后該區(qū)域溫度稍有下降，因?yàn)榛钊L(fēng)雖未仍未影響到車站，但空調(diào)送風(fēng)已改變了該區(qū)域的溫度場(chǎng)，該過(guò)程持續(xù)15 s左右。然后隨著活塞風(fēng)的進(jìn)入，車站溫度開始升高且各方案的差異開始凸顯，隨著列車最大牽引速度增大，活塞風(fēng)作用時(shí)間縮短，車站升溫速率加快、幅度增強(qiáng)。以方案5為例，最高溫度已經(jīng)達(dá)到31℃，表明高速列車對(duì)車站產(chǎn)生的熱效應(yīng)較為明顯。而方案1最高溫度在29.5℃左右，說(shuō)明活塞風(fēng)的熱作用較小或其大多被空調(diào)送風(fēng)稀釋。最后，由于隧道出口處活塞風(fēng)的衰減，活塞風(fēng)對(duì)車站的影響迅速減弱，并且列車最高牽引速度越大，衰減速率越快。以方案5為例，因?yàn)榛钊L(fēng)衰減后隧道壓力迅速降低，再加上軌排風(fēng)機(jī)的作用，空調(diào)送風(fēng)氣流迅速擴(kuò)散，50 s之后該區(qū)域溫度迅速下降，在20 s內(nèi)下降了近2.5℃。而方案1下降時(shí)間長(zhǎng)且緩慢，且在整個(gè)列車牽引過(guò)程中站臺(tái)溫度變化不大。

3 結(jié)論

1）列車牽引速度的高低對(duì)迂回風(fēng)道的分流作用影響較小，然而下游隧道的風(fēng)量隨列車最高時(shí)速的增大而減小，同時(shí)活塞風(fēng)速風(fēng)壓增大，對(duì)車站的流場(chǎng)造成顯著的影響，摻混系數(shù)隨之增大。

2）活塞風(fēng)對(duì)車站溫度場(chǎng)的影響是伴隨活塞風(fēng)對(duì)車站速度場(chǎng)的影響而同時(shí)作用的，活塞風(fēng)對(duì)車站的作用效果均是從弱到強(qiáng)，再由強(qiáng)變?nèi)醯倪^(guò)程，且在列車發(fā)車后20 s至50 s內(nèi)，站臺(tái)人員頭部區(qū)域溫度變化劇烈，流速增快明顯，人員的熱不舒適感增強(qiáng)。

3）本文建立的車站活塞風(fēng)CFD模型為探究不同列車牽引速度對(duì)安全門車站熱環(huán)境的影響，為夏熱冬冷地區(qū)地鐵車站熱環(huán)境的改善有一定的借鑒意義。