摘" 要：以某典型側(cè)式城際地下車站為研究對(duì)象，采用三維CFD數(shù)值計(jì)算方法研究常規(guī)軌頂風(fēng)口設(shè)置形式下兩列車?？空九_(tái)時(shí)，不同隧道初始環(huán)境溫度對(duì)車站軌行區(qū)平均溫度的影響。研究結(jié)果表明，不同隧道環(huán)境溫度下車站軌行區(qū)平均溫度均小于40 ℃，滿足隧道通風(fēng)要求;但熱量主要集中在車站中部，無(wú)法及時(shí)排出。進(jìn)而該文提出保持軌頂排熱風(fēng)口總面積不變，采用大風(fēng)口代替常規(guī)軌頂風(fēng)口的優(yōu)化方案，其中靠近風(fēng)機(jī)的2個(gè)風(fēng)口尺寸為0.9 m×1.4 m，遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的2個(gè)風(fēng)口尺寸為0.9 m×4.2 m的優(yōu)化方案排熱效果可行，可為工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：城際列車;側(cè)式車站;軌頂風(fēng)口;軌行區(qū)溫度;排熱

中圖分類號(hào)：TU834" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2023）18-0096-04

Abstract： Taking a typical side-type intercity underground station as the research object， the three-dimensional CFD numerical calculation method is used to study the influence of the initial ambient temperature of different tunnels on the average temperature of the station track area when two trains stop at the platform with conventional rail top outlet. The results show that the average temperature of the rail line area of different tunnel ambient temperatures is less than 40 ℃， which meets the requirements of tunnel ventilation， but the heat is mainly concentrated in the middle of the station and can not be discharged in time. Furthermore， this paper puts forward the optimization scheme of keeping the total area of the rail top exhaust outlet unchanged and using the large outlet instead of the conventional rail top outlet. The optimization scheme with the size of the two outlet near the fan is 0.9 m×1.4 m， and the size of the two outlet is 0.9 m×4.2 m which is far away from the fan is feasible， which can provide reference for engineering design.

Keywords： Inter-City Rail Service; side subway station; rail top outlet; rail zone temperature; heat removal

與地鐵運(yùn)行模式類似，城際列車運(yùn)行也具有行車密度大、速度高等特點(diǎn)。列車運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱，這些熱量聚集在隧道中，導(dǎo)致隧道內(nèi)溫度升高。列車停靠站臺(tái)時(shí)，列車空調(diào)系統(tǒng)會(huì)持續(xù)地向軌行區(qū)散熱，導(dǎo)致熱量在軌行區(qū)的聚集效應(yīng)更加明顯，車站軌行區(qū)熱環(huán)境更加惡劣。當(dāng)列車正常運(yùn)行，列車車廂設(shè)置空調(diào)，車站設(shè)置全封閉站臺(tái)門(mén)時(shí)，區(qū)間隧道內(nèi)空氣夏季的最高溫度不得高于40 ℃[1]。當(dāng)列車阻塞在區(qū)間隧道時(shí)，工程上要求隧道斷面平均溫度不得高于40 ℃[2]。隧道空氣溫度的升高會(huì)影響列車空調(diào)冷凝器的散熱效果[3]，所以對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境溫度的控制至關(guān)重要。

目前地鐵車站軌行區(qū)的熱量主要通過(guò)軌頂和軌底的排熱風(fēng)道來(lái)排除[4]。城際地下車站的排熱方式參考地鐵，列車通過(guò)冷凝散熱風(fēng)口向車站軌行區(qū)釋放的熱量，在排熱風(fēng)機(jī)的作用下經(jīng)排熱風(fēng)道上的風(fēng)口排出。本文考慮僅設(shè)置軌頂排熱風(fēng)道的通風(fēng)設(shè)計(jì)方案，常規(guī)軌頂排熱風(fēng)口的設(shè)計(jì)形式為軌頂風(fēng)口分散布置在各節(jié)車廂冷凝散熱風(fēng)扇上方;實(shí)際上，軌頂排風(fēng)口的吸風(fēng)范圍很小，列車散熱風(fēng)口與軌頂排風(fēng)口位置經(jīng)常存在一段差距，使得排熱效率大大降低[4]。因此研究軌頂排熱風(fēng)口的布置方式能否滿足隧道通風(fēng)要求尤為重要。

研究人員通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)軌行區(qū)排熱方式及排風(fēng)效果進(jìn)行了研究。一是對(duì)現(xiàn)有排熱工況的研究，王麗慧等[5]發(fā)現(xiàn)各風(fēng)口風(fēng)速分布不均勻，靠近風(fēng)機(jī)側(cè)風(fēng)口風(fēng)速偏大，部分風(fēng)口因堵塞測(cè)不到風(fēng)速，并存在風(fēng)速偏小等現(xiàn)象，熊勝益[6]發(fā)現(xiàn)采用每組5個(gè)風(fēng)口正對(duì)列車空調(diào)冷凝器的布置方式不合理;二是對(duì)排熱工況方案的改進(jìn)，葉晨輝等[7]提出增大上游風(fēng)口面積以及軌底風(fēng)口面積的方案，郭輝[8]提出減少排風(fēng)口數(shù)量，將2個(gè)軌頂排風(fēng)口設(shè)置在中間兩節(jié)車廂中部上方的方案。現(xiàn)針對(duì)單洞雙線的城際地下車站軌道排熱系統(tǒng)的研究較少。

本文采用CFD數(shù)值計(jì)算方法首先研究了常規(guī)軌頂排熱風(fēng)口下，兩列車?？空九_(tái)時(shí)不同隧道環(huán)境溫度下軌行區(qū)溫度的分布，進(jìn)而通過(guò)結(jié)果對(duì)比分析提出排熱風(fēng)口的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1" 數(shù)值計(jì)算模型

1.1" 幾何模型

本文以某全封閉屏蔽門(mén)系統(tǒng)側(cè)式城際地下車站為研究對(duì)象，軌行區(qū)兩正線間立柱，研究忽略柱子對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的影響。

列車為CRH6型4編組，長(zhǎng)100 m，寬3.3 m，高3.8 m，列車橫截面積為10.89 m2。單節(jié)車廂2臺(tái)空調(diào)機(jī)組，冷凝散熱風(fēng)扇位于列車頂部，冷凝散熱風(fēng)口尺寸簡(jiǎn)化為1 m×0.5 m。列車停站時(shí)冷凝散熱風(fēng)口與軌頂風(fēng)口的相對(duì)位置如圖1所示。

車站隧道長(zhǎng)110 m，橫截面積為52.7 m2，軌頂風(fēng)道高1 m，隧道橫截面如圖2所示。

車站為兩端排風(fēng)，軌頂排熱風(fēng)道以軌行區(qū)中線為分界線設(shè)置中隔墻，包括2條對(duì)稱的軌頂排熱風(fēng)道，排熱風(fēng)道遠(yuǎn)離分界線的一端設(shè)置排風(fēng)風(fēng)機(jī)。軌頂風(fēng)道側(cè)面開(kāi)孔，孔底與風(fēng)道底板齊平。軌頂排熱風(fēng)道平面圖如圖3所示。

軌頂風(fēng)口分散布置在各節(jié)車廂冷凝散熱風(fēng)口上方。單側(cè)軌頂排熱風(fēng)道設(shè)4組軌頂風(fēng)口， 每組軌頂風(fēng)口包括7個(gè)小風(fēng)口，風(fēng)口尺寸為0.2 m×0.9 m，風(fēng)口間距為0.25 m，共計(jì)56個(gè)小風(fēng)口，風(fēng)口總面積為10.08 m2。單組排風(fēng)口尺寸如圖4所示。

1.2" 控制方程

當(dāng)列車停站時(shí)，軌行區(qū)內(nèi)的空氣流動(dòng)可以認(rèn)為是三維、定常、不可壓縮的定常流動(dòng)，其控制方程如下。

1.3" 邊界條件

城際地下車站地理位置選取溫和氣候地區(qū)昆明、夏熱冬暖地區(qū)廣州、夏熱冬冷地區(qū)武漢為研究對(duì)象。昆明、廣州、武漢的隧道初始環(huán)境溫度取當(dāng)?shù)叵募咀顭嵩缕骄鶞囟?，分別為22.3 ℃、28.9 ℃、30.8 ℃，對(duì)應(yīng)的列車?yán)淠L(fēng)扇出風(fēng)口分別設(shè)為1.18 m/s、2.24 m/s、2.85 m/s的速度入口，冷凝風(fēng)扇排風(fēng)溫度設(shè)為45.5 ℃[6]。

車站隧道入口為壓力入口邊界條件，表壓為0;隧道出口為壓力出口邊界條件，表壓為0;軌頂風(fēng)道表面粗糙度為0.01 m[9]，隧道壁面為固定無(wú)滑移壁面邊界條件;軌頂排熱風(fēng)口設(shè)為內(nèi)部交界面。排熱風(fēng)機(jī)TEF風(fēng)量為50 m3/s，則單側(cè)軌頂排熱風(fēng)道的風(fēng)量為25 m3/s。

1.4" 數(shù)值網(wǎng)格

計(jì)算模型劃分為0.15 m×0.15 m的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中對(duì)軌頂排風(fēng)口和冷凝散熱風(fēng)口網(wǎng)格加密，總網(wǎng)格數(shù)量為672 萬(wàn)個(gè)。

1.5" 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

選取隧道初始溫度28.9 ℃的工況進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。列車周圍網(wǎng)格如圖5所示。

表1為不同網(wǎng)格下的車站軌行區(qū)平均溫度。由表1可知當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為672 萬(wàn)個(gè)時(shí)，網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響非常小。因此，本文在之后的研究選取區(qū)間隧道網(wǎng)格大小為0.15 m×0.15 m。

2" 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算選取隧道長(zhǎng)度方向豎直中截面（Y=0 m）和列車頂部水平中截面（Z=5.4 m）的溫度分布云圖來(lái)分析車站軌行區(qū)的溫度分布情況。

2.1" 常規(guī)軌頂風(fēng)口形式下軌行區(qū)溫度場(chǎng)分析

圖6—圖8分別為隧道初始環(huán)境溫度為22.3 ℃、28.9 ℃、30.8 ℃時(shí)車站軌行區(qū)的溫度分布圖，對(duì)應(yīng)的車站隧道平均溫度分別為27.8 ℃、35.5 ℃、39.2 ℃。

排風(fēng)是在軌頂排熱風(fēng)道出口設(shè)置排熱風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)向外排風(fēng)使排熱風(fēng)道內(nèi)形成負(fù)壓區(qū)，車站軌行區(qū)空氣經(jīng)各軌頂風(fēng)口被吸入排熱風(fēng)道，再由風(fēng)機(jī)將排熱風(fēng)道中空氣排入排風(fēng)井。由于軌頂風(fēng)道較長(zhǎng)，軌頂風(fēng)道內(nèi)中不同位置負(fù)壓不同，越靠近風(fēng)機(jī)端的軌頂風(fēng)口負(fù)壓越大;而軌行區(qū)內(nèi)各處壓力相近，導(dǎo)致各軌頂排風(fēng)口的動(dòng)壓不同，各軌頂排風(fēng)口的風(fēng)量不同。由圖6—圖8可知，站臺(tái)中部熱量最高，出現(xiàn)了熱量堆積的現(xiàn)象，這是由于靠近風(fēng)機(jī)的軌頂風(fēng)口風(fēng)量較大，風(fēng)速較大，帶走的熱量多;遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的軌頂風(fēng)口風(fēng)量較小，風(fēng)速較小，帶走的熱量少。

兩列車停靠在站臺(tái)時(shí)，軌行區(qū)溫度分布以軌道分界線沿水平方向呈完全對(duì)稱分布。由圖6—圖8可知，站臺(tái)內(nèi)溫度高于區(qū)間隧道溫度，區(qū)間隧道到站臺(tái)中部的溫度呈遞增趨勢(shì)，且列車頂部空間平均溫度高于列車底部，這是由于冷凝散熱風(fēng)口源源不斷的往軌行區(qū)散發(fā)熱量，冷凝散熱風(fēng)口排出的熱量在熱空氣浮升作用下向豎直方向上擴(kuò)散，使得熱空氣上升;排風(fēng)口的排風(fēng)能力有限導(dǎo)致熱量無(wú)法及時(shí)排出軌行區(qū)，隧道內(nèi)溫度有所上升。

綜上，當(dāng)兩列車?？空九_(tái)時(shí)，車站軌行區(qū)平均溫度均小于40 ℃，均滿足隧道通風(fēng)要求。隨著隧道初始環(huán)境溫度的升高時(shí)，各軌頂風(fēng)口排熱能力下降，站臺(tái)中部高溫區(qū)域段略有增加，車站軌行區(qū)內(nèi)平均溫度也相應(yīng)的增加。當(dāng)隧道初始溫度為30.8 ℃時(shí)，列車周圍高溫區(qū)域段擴(kuò)大到整個(gè)車廂，排熱效果較差。

2.2" 軌頂風(fēng)口優(yōu)化后軌行區(qū)溫度場(chǎng)分析

通過(guò)以上分析得知，常規(guī)軌頂風(fēng)口的布置方式不合理，風(fēng)量存在分布不均勻，熱量無(wú)法及時(shí)排出的情況。為弱化這一問(wèn)題，本文采取軌頂排熱風(fēng)口總面積不變的情況下減少排熱風(fēng)口數(shù)量，用大風(fēng)口代替均勻小風(fēng)口的優(yōu)化方案（大風(fēng)口位于車廂正上方）。調(diào)節(jié)方式：靠近風(fēng)機(jī)的2個(gè)風(fēng)口尺寸為0.9 m×1.4 m，遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的2個(gè)風(fēng)口尺寸為0.9 m×4.2 m。圖9為優(yōu)化后的排風(fēng)口尺寸圖。

從圖10中看出，各個(gè)區(qū)域的溫度分布都發(fā)生了變化，二、三組軌頂風(fēng)口內(nèi)溫度略高，這是由于減少軌頂排風(fēng)口數(shù)量后，區(qū)間隧道中冷空氣流經(jīng)的距離增加， 較好地降低了流經(jīng)路徑的溫度。此時(shí)車站軌行區(qū)內(nèi)平均溫度為35.3 ℃，與優(yōu)化前相比，車站軌行區(qū)平均溫度下降3.9 ℃，該優(yōu)化方案可行，能為工程設(shè)計(jì)提供參考。

3" 結(jié)論

本文數(shù)值模擬了某側(cè)式城際地下車站常規(guī)軌頂風(fēng)口設(shè)置形式下兩列車?？空九_(tái)時(shí)不同隧道初始環(huán)境溫度對(duì)車站軌行區(qū)平均溫度的影響，并提出了軌頂風(fēng)口優(yōu)化方案。結(jié)果表明：昆明、廣州、武漢地區(qū)城際地下車站軌行區(qū)平均溫度均小于40 ℃，滿足隧道通風(fēng)要求。本文提出的保持軌頂排熱風(fēng)口總面積不變的情況下，減少排熱風(fēng)口數(shù)量，用大風(fēng)口代替常規(guī)均勻小風(fēng)口的優(yōu)化方案可行，可為工程設(shè)計(jì)提供參考。

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