楊 準(zhǔn) 何 磊 雷 波 鄧保順 郭永楨

地鐵聯(lián)絡(luò)線中空氣的流動和換熱特性分析

楊 準(zhǔn)1何 磊2雷 波1鄧保順2郭永楨2

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 西安 710043）

采用SES軟件分析了地鐵聯(lián)絡(luò)線中空氣的流動和換熱特性，討論了聯(lián)絡(luò)線長度、斷面積以及距車站距離對聯(lián)絡(luò)線中空氣的流動和換熱特性的影響。結(jié)果表明：聯(lián)絡(luò)線中空氣的流向呈周期性正反交替變化，一個周期內(nèi)兩正線通過聯(lián)絡(luò)線的空氣交換量為196m3；正線流入聯(lián)絡(luò)線的熱流量也呈周期性正反交替變化，一個周期內(nèi)兩正線通過聯(lián)絡(luò)線的熱交換量為2579kJ；三種影響因素中聯(lián)絡(luò)線距車站距離的影響最大，聯(lián)絡(luò)線長度的影響次之，斷面積的影響最小。

地鐵聯(lián)絡(luò)線；空氣流動；熱量交換

0 引言

聯(lián)絡(luò)線是連接兩條獨(dú)立運(yùn)營線的輔助線路，目前的地鐵隧道通風(fēng)針對單線設(shè)計(jì)，沒有考慮聯(lián)絡(luò)線對運(yùn)營線路空氣流動和換熱特性的影響。掌握聯(lián)絡(luò)線中空氣的流動和換熱特性，有助于深入分析地鐵線路之間通過聯(lián)絡(luò)線的空氣交換和熱交換規(guī)律，同時可以對聯(lián)絡(luò)線的工程設(shè)計(jì)提供參考。

許多學(xué)者采用數(shù)值模擬、模型實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)測等方法對地鐵隧道空氣流動和熱交換特性進(jìn)行了研究，例如：黃鵬[1]應(yīng)用CFdesign8.0對地鐵區(qū)間隧道和地鐵車站內(nèi)空氣的流動特性進(jìn)行了分析；胡浩明[2]利用CFD建立動態(tài)仿真模型分析了地鐵隧道內(nèi)氣流的溫度、速度和壓力場動態(tài)變化特性；閆春利[3]采用數(shù)值模擬的方法討論了行車對數(shù)和風(fēng)井位置對活塞風(fēng)井通風(fēng)特性的影響；JYKim和KYKim[4]建立1/20列車和隧道模型，通過實(shí)驗(yàn)得出列車在加速、勻速和減速運(yùn)行條件下隧道內(nèi)氣流變化規(guī)律；齊江浩[5]和劉偉[6]分別對西安地鐵2號線和蘇州地鐵2號線某站上、下行線隧道及活塞風(fēng)道中的風(fēng)速和溫度進(jìn)行監(jiān)測，分析了隧道與活塞風(fēng)道內(nèi)氣流的運(yùn)動特性及其動態(tài)變化規(guī)律；王麗慧[7]綜合運(yùn)用縮尺模型實(shí)驗(yàn)、SES數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測三種研究方法分析地鐵區(qū)間隧道速度場和溫度場的特性。目前缺乏對聯(lián)絡(luò)線引起的正線間空氣交換和熱量交換的研究。

本文采用SES軟件對經(jīng)聯(lián)絡(luò)線連通的兩線地鐵隧道進(jìn)行模擬計(jì)算，分析聯(lián)絡(luò)線中空氣的流動和換熱規(guī)律，以及聯(lián)絡(luò)線的長度、斷面積和距車站距離等因素的影響。

1 地鐵模型與計(jì)算參數(shù)

本文以西安地鐵A、B兩條屏蔽門系統(tǒng)線路為例，建立計(jì)算模型。兩線各有9個有效長度為120m的地下島式站臺，區(qū)間隧道長度為1000m，隧道斷面積為20m2，線路長度為11220m，活塞風(fēng)井長度為20m，活塞風(fēng)井橫截面積為20m2，聯(lián)絡(luò)線均位于兩線第三站與第四站間區(qū)間隧道，正常工況列車最大車速均為80km/h。進(jìn)出站端分別設(shè)有活塞風(fēng)井，車站軌行區(qū)設(shè)置排風(fēng)量為60m3/s的軌道排熱系統(tǒng)（TES），兩線行車對數(shù)均為30對/h，初始列車發(fā)車時間A線早于B線95s。以西安最熱月平均溫度26.7℃為計(jì)算溫度。

模擬計(jì)算的基準(zhǔn)工況：聯(lián)絡(luò)線長度為400m，斷面積為20m2，聯(lián)絡(luò)線距車站距離均為第四站進(jìn)站端前200m，聯(lián)絡(luò)線位置如圖1所示，圖1中A1-A9分別表示A線第1～9車站，B1-B9分別表示B線第1～9車站。

圖1 聯(lián)絡(luò)線位置示意圖

2 聯(lián)絡(luò)線中空氣的流動和換熱特性參數(shù)

將聯(lián)絡(luò)線作為研究對象，規(guī)定聯(lián)絡(luò)線中空氣由A線流向B線為正向，B線流向A線為負(fù)向。

2.1 聯(lián)絡(luò)線中空氣流動特性參數(shù)

本文用CL代指聯(lián)絡(luò)線，聯(lián)絡(luò)線中空氣流速v（m/s）可由SES計(jì)算得到，規(guī)定空氣由A線流向B線時v為正值，反之v為負(fù)值。

一個周期（s）聯(lián)絡(luò)線空氣凈風(fēng)量V（m3）、正向流動風(fēng)量+（m3）和負(fù)向流動風(fēng)量-（m3）可以按（1）計(jì)算。

式中：為聯(lián)絡(luò)線斷面積，m2；v為聯(lián)絡(luò)線中空氣流速，m/s；為周期時間，s；+為周期內(nèi)空氣正向流動時間，s；-為周期內(nèi)空氣負(fù)向流動時間，s。

2.2 聯(lián)絡(luò)線中空氣換熱特性參數(shù)

聯(lián)絡(luò)線中空氣與A、B線換熱熱流量如圖2所示。

圖2 熱流量計(jì)算示意圖

從A線流入聯(lián)絡(luò)線的熱流量q（kJ/s）和從聯(lián)絡(luò)線流入B線的熱流量q（kJ/s）可分別按（2）、（3）計(jì)算。根據(jù)聯(lián)絡(luò)線中空氣的流動方向規(guī)定：空氣由A線流入聯(lián)絡(luò)線時q為正值，聯(lián)絡(luò)線流入A線時q為負(fù)值，聯(lián)絡(luò)線流入B線時q為正值，B線流入聯(lián)絡(luò)線時q為負(fù)值。

式中：為空氣比熱容，kJ/kg×℃；為空氣密度，kg/m3；為聯(lián)絡(luò)線斷面積，m2；v為聯(lián)絡(luò)線中空氣流速，m/s；t為A線流入聯(lián)絡(luò)線的空氣溫度，℃；t為B線流入聯(lián)絡(luò)線的空氣溫度，℃；t為聯(lián)絡(luò)線流入A線或者B線的空氣溫度，℃。

一個周期從A線流入聯(lián)絡(luò)線的凈熱量Q（kJ）和從聯(lián)絡(luò)線流入B線的凈熱量Q（kJ）可以按（4）計(jì)算。

式中：為熱流量，kJ/s，包括q和q；為周期時間，s。

一個周期聯(lián)絡(luò)線隧道壁面與空氣的換熱量Q（kJ）可按（5）計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

SES軟件計(jì)算可得v、+、-、t、t和t。由公式（1）計(jì)算可得V，公式（2）、（3）計(jì)算可得q和q，公式（4）、（5）計(jì)算可得Q、Q和Q。本文列車行車對數(shù)為30對/h，對應(yīng)一個周期時間為120s。

3.1 聯(lián)絡(luò)線的空氣流動和換熱基本特性

本文從基準(zhǔn)工況一個周期內(nèi)v的變化分析聯(lián)絡(luò)線中空氣流動基本特性；從一個周期內(nèi)q和q的變化分析聯(lián)絡(luò)線中空氣換熱基本特性。

3.1.1 空氣流動基本特性

一個周期內(nèi)v的變化如圖3所示。

圖3 一個周期內(nèi)聯(lián)絡(luò)線空氣流速變化

由圖3可見，一個周期內(nèi)v正負(fù)交替變化，正、負(fù)流動各兩次，正向流速最大為2m/s，反向流速最大為1.5m/s。計(jì)算得+為1130m3，-為-934m3，V為A線流向B線196m3。這一現(xiàn)象的原因是一個周期內(nèi)兩線各有一輛列車經(jīng)過聯(lián)絡(luò)線與正線連接處，聯(lián)絡(luò)線與A線、B線的聯(lián)絡(luò)點(diǎn)處各有兩次正負(fù)壓過程。

3.1.2 換熱基本特性

一個周期q和q的變化如圖4所示。

圖4 一個周期內(nèi)聯(lián)絡(luò)線熱流量變化

由圖4可見，q、q均在一個周期內(nèi)正負(fù)交替變化，q始終大于q，故空氣流經(jīng)聯(lián)絡(luò)線失熱，即聯(lián)絡(luò)線吸熱。對比圖3發(fā)現(xiàn)熱流量變化與空氣流速變化同步，計(jì)算得Q為8925kJ，Q為2579kJ，Q為6346kJ。這一現(xiàn)象的原因是正常工況下聯(lián)絡(luò)線內(nèi)無列車通過，聯(lián)絡(luò)線隧道壁溫低于正線隧道，空氣流經(jīng)聯(lián)絡(luò)線被冷卻。

3.2 不同因素對聯(lián)絡(luò)線中空氣的流動和換熱特性的影響

聯(lián)絡(luò)線中空氣的流動和換熱特性受多個因素的綜合影響，本文主要對聯(lián)絡(luò)線長度、斷面積以及距車站距離3種因素進(jìn)行分析和討論，除需分析的影響因素外，其他參數(shù)與基準(zhǔn)工況相同。

將+、-和V作為聯(lián)絡(luò)線中空氣流動特性的評價指標(biāo)，將Q、Q和Q作為聯(lián)絡(luò)線中空氣換熱特性的評價指標(biāo)。規(guī)定下文圖表+和-均以正值表示，聯(lián)絡(luò)線內(nèi)凈風(fēng)量A線流向B線時V為正值，反之V為負(fù)值，Q和Q正負(fù)值規(guī)定與前文q和q一致。聯(lián)絡(luò)線吸熱時Q正值，放熱時Q為負(fù)值。

3.2.1 聯(lián)絡(luò)線長度

為分析聯(lián)絡(luò)線長度對聯(lián)絡(luò)線中空氣的流動和換熱特性的影響，長度分別取200m、300m、400m和500m進(jìn)行計(jì)算。

不同長度聯(lián)絡(luò)線對風(fēng)量的影響如圖5所示。

圖5 不同長度聯(lián)絡(luò)線對風(fēng)量的影響

由圖5可見，+、-和V均隨聯(lián)絡(luò)線長度的增加而減小。聯(lián)絡(luò)線長度由200m增加到500m，+減小了24.3%，-減小了24.4%，V減小了24.1%。這是由于聯(lián)絡(luò)線長度增加，聯(lián)絡(luò)線沿程阻力增加導(dǎo)致風(fēng)量減小。

不同長度聯(lián)絡(luò)線對換熱量的影響如圖6所示。

2.3 SAP10-2檢測異常的區(qū)域與位點(diǎn) 表3示21位10-2SAP異常的PPG患者視野缺損主要出現(xiàn)在上半側(cè)和上方區(qū)域（分區(qū)方法見圖1［2］），與健康對照組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其他區(qū)域差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖6 不同長度聯(lián)絡(luò)線對換熱量的影響

由圖6可見，Q和Q均隨著聯(lián)絡(luò)線長度增加而減小，Q減小幅度更大，Q隨著聯(lián)絡(luò)線長度增加而增大。聯(lián)絡(luò)線長度由200m增加到500m，Q減小了22.7%，Q減小了76.5%，Q增大了47.6%。Q減小是聯(lián)絡(luò)線風(fēng)量降低造成，Q增大是長度增加，空氣與聯(lián)絡(luò)線隧道壁面換熱面積增大造成，由公式（5）知Q是Q與Q之差，故Q降幅大于Q。

3.2.2 聯(lián)絡(luò)線斷面積

為分析聯(lián)絡(luò)線斷面積對聯(lián)絡(luò)線中空氣的流動和換熱特性的影響，斷面積分別取20m2、25m2、30m2和35m2進(jìn)行計(jì)算。

不同斷面積聯(lián)絡(luò)線對風(fēng)量的影響如圖7所示。

圖7 不同斷面積聯(lián)絡(luò)線對風(fēng)量的影響

由圖7可見，+、-和V均隨聯(lián)絡(luò)線斷面積的增加而增大。聯(lián)絡(luò)線斷面積由20m2增加到35m2，+增大了19.1%，-增大了18.2%，V增大了23.4%。這是由于聯(lián)絡(luò)線斷面積增加，聯(lián)絡(luò)線沿程阻力減小導(dǎo)致風(fēng)量增加。

不同斷面積聯(lián)絡(luò)線對換熱量的影響如圖8所示。

由圖8可見，Q、Q和Q均隨著聯(lián)絡(luò)線斷面積增加而增大。聯(lián)絡(luò)線斷面積由20m2增加到35m2，Q增大了21.4%，Q增大了30.8%，Q增大了17.6%。Q增大是聯(lián)絡(luò)線風(fēng)量增大造成，Q增大是斷面積增加，空氣與聯(lián)絡(luò)線隧道壁面換熱面積增大造成，Q增幅大于Q，根據(jù)公式（5）知Q為Q與Q之差，故Q隨聯(lián)絡(luò)線斷面積的增加而增大。

圖8 不同斷面積聯(lián)絡(luò)線對換熱量的影響

為分析聯(lián)絡(luò)線距車站距離對聯(lián)絡(luò)線中空氣的流動和換熱特性的影響，聯(lián)絡(luò)線距車站距離分別取100m、200m、300m、400m和500m進(jìn)行計(jì)算。

聯(lián)絡(luò)線距車站不同距離對風(fēng)量的影響如圖9所示。

圖9 聯(lián)絡(luò)線距車站不同距離對風(fēng)量的影響

由圖9可見，隨聯(lián)絡(luò)線距車站距離的增加，+和-增加，V先減少后反向增大。聯(lián)絡(luò)線距車站距離由100m增加到500m，+增大了59.6%，-增大了190.1%，V減少了233.1%。+和-增大主要是由于活塞風(fēng)壓隨列車速度的增加而增大，隨著聯(lián)絡(luò)線遠(yuǎn)離車站，聯(lián)絡(luò)線所在處列車速度越來越大，風(fēng)壓越來越大，故聯(lián)絡(luò)線風(fēng)量增大。V先減少后反向增大是因?yàn)槁?lián)絡(luò)線位置改變，兩線初始列車發(fā)車時間和行車對數(shù)保持不變，列車通過聯(lián)絡(luò)點(diǎn)的時間發(fā)生變化，當(dāng)A線列車通過聯(lián)絡(luò)點(diǎn)時，B線列車與聯(lián)絡(luò)點(diǎn)的相對位置發(fā)生改變，造成+和-增幅不同。

聯(lián)絡(luò)線距車站不同距離對換熱量的影響如圖10所示。

圖10 聯(lián)絡(luò)線距車站不同距離對換熱量的影響

由圖10可見，隨著聯(lián)絡(luò)線距車站距離的增加，Q、Q均先減少后反向增大，與V的變化情況相似，Q增大。聯(lián)絡(luò)線距車站距離由100m增加到500m，Q減少170.8%，Q減少384.4%，Q增大了35.2%。Q增大是因?yàn)閱蜗蝻L(fēng)量增大，聯(lián)絡(luò)線中空氣與隧道壁面換熱增大，由公式（1）～（4）可知Q、Q與聯(lián)絡(luò)線中流動風(fēng)量和溫度相關(guān)，所以Q、Q與V的變化相似，均為先減少后反向增大，但因?yàn)闇囟炔煌?i>Q、Q和V的變化不同步。

通過上述分析可以看出兩正線通過聯(lián)絡(luò)線的空氣交換量和熱交換量受聯(lián)絡(luò)線距車站距離的影響最大，聯(lián)絡(luò)線長度的影響次之，斷面積的影響最小。

4 結(jié)論

本文對線路參數(shù)、最大行車速度和行車對數(shù)相同的兩條地鐵線路之間聯(lián)絡(luò)線中空氣的流動和換熱特性進(jìn)行了分析，探討了聯(lián)絡(luò)線長度、斷面積和距車站距離對聯(lián)絡(luò)線中空氣流動和換熱特性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）聯(lián)絡(luò)線中空氣流向呈周期性正反交替變化，基準(zhǔn)工況一個周期內(nèi)兩正線通過聯(lián)絡(luò)線的空氣交換量為196m3；正線流入聯(lián)絡(luò)線的熱流量也呈周期性正反交替變化，基準(zhǔn)工況一個周期內(nèi)兩正線通過聯(lián)絡(luò)線的熱交換量為2579kJ，同時聯(lián)絡(luò)線吸熱量為6346kJ。

（2）兩正線通過聯(lián)絡(luò)線的空氣交換量和熱交換量隨聯(lián)絡(luò)線長度的增加而減少，隨聯(lián)絡(luò)線斷面積的增加而增大，隨聯(lián)絡(luò)線距車站距離的增加先減少后增大。三種影響因素中聯(lián)絡(luò)線距車站距離的影響最大，聯(lián)絡(luò)線長度的影響次之，斷面積的影響最小。

[1] 黃鵬.地鐵隧道及車站內(nèi)流動特性的數(shù)值模擬研究[D].北京:北京交通大學(xué),2007.

[2] 閆春利,雷波.行車對數(shù)和位置對活塞風(fēng)井通風(fēng)特性的影響[J].制冷與空調(diào),2018,32(1):1-6.

[3] 胡浩明.不同排熱模式下地鐵隧道內(nèi)氣流分布特征的研究[C].2014鐵路暖通年會,2014:49-56.

[4] JYKim, KYKim. Experimental and numerical analyses of train-induced unsteady tunnel flow in subway[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2006.

[5] 齊江浩,趙蕾,王君,等.地鐵隧道活塞風(fēng)實(shí)測及特征分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2016,13(4):741-747.

[6] 劉偉,周小涵,徐清榮.屏蔽門制式地鐵隧道氣溫測試及規(guī)律研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2018,62(7):153-159.

[7] 王麗慧,吳喜平,宋潔,等.地鐵區(qū)間隧道速度場溫度場特性研究[J].制冷學(xué)報,2010,31(3):55-62.

Study on the Air Flow and Heat Transfer Characteristics of Subway Connecting Line

Yang Zhun1He Lei2Lei Bo1Deng Baoshun2Guo Yongzhen2

( 1.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031;2.China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd, Xi’an, 710043 )

In this paper, the Subway Environment Simulation(SES) computer program is used to calculate the air flow and heat transfer characteristics in the subway connecting line. The effects of the length, cross-sectional area and distance from the station of the connecting line on the air flow and heat transfer characteristics of the line are discussed. The results show that: the direction of air flow in the connecting line alternate between positive and negativeperiodically, and the air exchange volume of the two main lines through the connecting line in a cycle is 196m3; the heat fluxes of the two main lines through the connecting line also alternate between positive and negative periodically, and the heat transfer capacity of the two main lines through the connecting line in a cycle is 2579kJ; Among the three influencing factors, the distance between the connecting line and the station has the largest effect, the second is the length of the connecting line, and the smallest influence is the cross-sectional area of the connecting line.

Subway connecting line; Air flow; Heat exchange

TU834

B

1671-6612（2020）02-170-05

陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃2018SF-393

楊 準(zhǔn)（1996.8-），男，在讀碩士研究生，E-mail：yangzhun96@163.com

何 磊（1987.8-），男，博士，高級工程師，E-mail：swjtuhl822@126.com

2019-12-31