陳薈多，周東一*

(1.邵陽(yáng)學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽(yáng) 422000；2.邵陽(yáng)學(xué)院高效動(dòng)力系統(tǒng)智能制造湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽(yáng) 422000)

地鐵列車運(yùn)行時(shí)，隧道內(nèi)由于受列車運(yùn)行活塞效應(yīng)的影響，會(huì)產(chǎn)生大量氣流。過(guò)大的活塞風(fēng)會(huì)對(duì)隧道內(nèi)設(shè)備以及列車上的乘客產(chǎn)生不利影響，這是現(xiàn)代城市軌道交通運(yùn)營(yíng)中不可忽視的問(wèn)題。應(yīng)用地鐵環(huán)控系統(tǒng)可有效解決上述問(wèn)題。屏蔽門(mén)系統(tǒng)是地鐵環(huán)控系統(tǒng)的重要組成部分，因此對(duì)地鐵屏蔽門(mén)通風(fēng)進(jìn)行研究具有重要意義。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)地鐵環(huán)控系統(tǒng)及節(jié)能優(yōu)化展開(kāi)了研究[1-3]。趙西平等人基于西安地鐵站臺(tái)屏蔽門(mén)測(cè)試了地鐵隧道內(nèi)風(fēng)速及溫度變化，提出了調(diào)控通風(fēng)量的變頻技術(shù)策略[4]；袁中原等人對(duì)復(fù)合式屏蔽門(mén)系統(tǒng)通風(fēng)展開(kāi)研究，提出了兩種通風(fēng)方案并進(jìn)行了仿真分析，得到了“進(jìn)站端活塞風(fēng)井通風(fēng)模式”優(yōu)于“出站端活塞風(fēng)井通風(fēng)模式”的結(jié)論[5]。上述研究都沒(méi)有針對(duì)列車停站時(shí)的工況進(jìn)行相應(yīng)分析。

綜合上述文獻(xiàn)分析，筆者首先建立一個(gè)前方列車在站內(nèi)停車、屏蔽門(mén)開(kāi)啟且后方列車在隧道內(nèi)行駛的仿真模型；然后進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算網(wǎng)格劃分，確定好邊界條件；最后利用FLUENT進(jìn)行流場(chǎng)仿真并對(duì)屏蔽門(mén)系統(tǒng)仿真時(shí)的通風(fēng)進(jìn)行研究分析，為進(jìn)一步開(kāi)展在實(shí)際工況下地鐵屏蔽門(mén)通風(fēng)的研究奠定基礎(chǔ)。

1 模型建立及理論基礎(chǔ)

1.1 模型建立

為對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)地鐵屏蔽門(mén)系統(tǒng)通風(fēng)量變化進(jìn)行研究,建立了一個(gè)前方列車在站內(nèi)停車、屏蔽門(mén)開(kāi)啟且后方列車在隧道勻速行駛的仿真模型?？紤]到三維仿真方法建模復(fù)雜且對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高，在保證數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上采用二維仿真模型進(jìn)行仿真，所建仿真模型如圖1所示。

圖1 仿真模型示意圖

1.2 理論方程

流場(chǎng)數(shù)值模擬中控制方程為流場(chǎng)流體的數(shù)學(xué)表達(dá)，筆者所建模型的控制方程表達(dá)如下。

連續(xù)性方程

式中：ρ為密度，t為時(shí)間，u為速度矢量。

能量方程

式中：T為溫度，c為比熱容，k為導(dǎo)熱系數(shù)。

動(dòng)量方程：

式中：μ為動(dòng)力粘度，S為廣義源項(xiàng)，θ為速度變量。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

為了對(duì)地鐵屏蔽門(mén)系統(tǒng)開(kāi)門(mén)狀態(tài)下的通風(fēng)狀況進(jìn)行研究[6-7]，采用FLUNET對(duì)所建模型進(jìn)行流場(chǎng)仿真。

2.1 計(jì)算網(wǎng)格劃分

在流體力學(xué)計(jì)算中，計(jì)算網(wǎng)格的劃分對(duì)流場(chǎng)計(jì)算有著至關(guān)重要的影響。合理劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格可以使得CFD計(jì)算更加準(zhǔn)確?？紤]到地鐵隧道模型建模復(fù)雜且模型內(nèi)部存在動(dòng)邊界問(wèn)題，筆者基于ICEM的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所劃分網(wǎng)格最小尺寸為500mm。劃分后的計(jì)算網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件及求解器設(shè)置

將ICEM中劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到FLUENT中。為了實(shí)現(xiàn)仿真模型中列車行駛工況，采用動(dòng)網(wǎng)格來(lái)實(shí)現(xiàn)列車與隧道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在FLUENT仿真中進(jìn)行任意仿真都需設(shè)置好邊界條件，邊界條件的設(shè)置對(duì)求解結(jié)果的準(zhǔn)確性有較大的影響。將所建地鐵屏蔽門(mén)通風(fēng)模型邊界條件設(shè)置如下：

(1)隧道出入口分別為壓力入流、壓力出流，且存在一定壓力差。

(2)井和屏蔽門(mén)處為壓力出流，壓力設(shè)置與大氣壓一致。

(3)其余部分均設(shè)置為靜止壁面。

2.3 仿真結(jié)果分析

各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完成后，開(kāi)始進(jìn)行仿真?？紤]到計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.01s，計(jì)算500步長(zhǎng)，總計(jì)算時(shí)間為5.0s。仿真結(jié)束時(shí)，仿真模型車站處速度云圖如圖3所示。

圖3 停站列車處速度云圖

由圖3可以看出，仿真結(jié)束時(shí)，隧道內(nèi)氣流進(jìn)入車站內(nèi)時(shí)分別沿著停站列車向兩端隧道間隙流入；由于車站站廳與車站隧道存在壓力差且車站隧道內(nèi)氣壓高于站廳氣壓，因此，靠站廳測(cè)氣流速度更大，部分氣流通過(guò)屏蔽門(mén)流入站廳，仿真模型中車站屏蔽門(mén)處存在速度極小區(qū)域。

針對(duì)車站屏蔽門(mén)整體[8-10]進(jìn)行分析研究。通過(guò)CFD-POST將所研究車站的屏蔽門(mén)系統(tǒng)中每一扇屏蔽門(mén)處的氣流速度變化圖分別提取出，并求得其通風(fēng)量。仿真模型中站臺(tái)屏蔽門(mén)處速度變化如圖4所示，各屏蔽門(mén)的通風(fēng)量如圖5所示。

圖4 站臺(tái)屏蔽門(mén)處速度變化圖

圖5 各屏蔽門(mén)通風(fēng)量

由圖4可以看出，在仿真過(guò)程中，1號(hào)至7號(hào)屏蔽門(mén)處的風(fēng)速變化較大，8號(hào)至24號(hào)屏蔽門(mén)處的風(fēng)速變化相對(duì)平穩(wěn)。由圖5可看出，各屏蔽門(mén)的通風(fēng)量變化總體呈現(xiàn)先下降再上升最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，其中1號(hào)至7號(hào)屏蔽門(mén)的通風(fēng)量變化相對(duì)較大。1號(hào)屏蔽門(mén)的通風(fēng)量最大，為6.85m3/s；隨著通風(fēng)量的逐漸降低，最低值出現(xiàn)在3號(hào)屏蔽門(mén)處，為3.97m3/s；4號(hào)至7號(hào)屏蔽門(mén)的通風(fēng)量逐漸上升；從8號(hào)屏蔽門(mén)開(kāi)始，通風(fēng)量趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

為對(duì)地鐵屏蔽門(mén)通風(fēng)進(jìn)行研究，筆者建立了一個(gè)前方列車在站內(nèi)停車、屏蔽門(mén)開(kāi)啟且后方列車在隧道勻速行駛的仿真模型，進(jìn)行了數(shù)值仿真，并對(duì)仿真時(shí)同一站臺(tái)各屏蔽門(mén)的通風(fēng)量變化進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，各屏蔽門(mén)的通風(fēng)量變化總體呈現(xiàn)先下降再上升最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，其中1號(hào)屏蔽門(mén)的通風(fēng)量最大，3號(hào)屏蔽門(mén)的通風(fēng)量最小。