基于液體縮尺模型的地鐵活塞風與站臺送風耦合

劉佳妮 沈 麗 唐道發(fā) 羅 成 杜曉明

（上海理工大學環(huán)境與建筑學院，200093，上海∥第一作者，助理工程師）

1 試驗臺及試驗方案

1.1 試驗原理

由流體力學相似性原理可知，要保證兩個流動的力學相似，就必須使兩個流動的幾何相似、運動相似，動力相似、以及兩個流動的邊界條件和起始條件相似。但是在模型幾何尺寸和流動介質(zhì)等發(fā)生變化不同于原型時，很難保證所有的相似準則數(shù)同時對應(yīng)相等。因此，應(yīng)抓住對流動起決定性作用的力，保持原型和模型中該力的相應(yīng)準則數(shù)相等。

實際情況中，活塞風與站臺送風射流因溫差較小，密度相差不大，因此可以認為實際中耦合氣流所受重力與浮力相平衡。模型試驗中可不考慮弗諾得數(shù)的影響；且實際中活塞風與站臺送風射流速度較大，流動處于自模區(qū)，這時模型設(shè)計不受模型律制約，即只需滿足模型流動同時進入自模區(qū)，就可以實現(xiàn)模型和原型流動在速度分布上的相似，達到用模型試驗?zāi)M原型流動的目的。

1.2 試驗臺簡介

本試驗通過搭建液體示蹤縮尺模型試驗臺，運用液體代替氣體模擬閉式系統(tǒng)列車活塞風與站臺送風射流的耦合氣流，并對其氣流組織的速度場與流線進行研究。原理圖如圖1所示。

圖1 試驗原理圖

本模型試驗，以上海南京西路地鐵車站站臺層為原型搭建1∶16的縮尺模型實驗臺，原型與模型幾何尺寸對應(yīng)表見表1。

表1 站臺原型與模型裝置幾何尺寸對應(yīng)表 m

通過現(xiàn)場實測，在列車入口處的活塞風最大風速為7.6m／s，送風口風速約為6m／s，故分別選取活塞風與站臺送風射流的最大上限風速為8m／s，均滿足試驗要求。原型中，隧道和送風口的當量直徑分別為2.84m和0.6m。以原型中選取活塞風和空調(diào)送風風速均為2m／s為例，對應(yīng)的Re（雷諾數(shù)）分別為3 616 197和76 433，均處于自模區(qū)。模型試驗中，需運用圓管代替站臺隧道口和方形空調(diào)送風口，按照等面積的原則，可以計算得出相應(yīng)半徑分別為0.105m和0.02m，查PVC（聚氯乙烯）管規(guī)格分別選擇公稱直徑為200mm和40mm的管件。由流體力學可知，當液體流動進入紊流狀態(tài)時，管道斷面流速分布比較均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)模型中站臺送風射流的均勻送風要求。選擇Re＝2 400，求得此時模型站臺送風射流水速為0.06m／s，因此選取流速值v＝0.06m／s模擬原型0.84m／s的風速，故得速度比例尺為λv＝0.06／0.84＝1∶14。同理，可得送風口和隧道口的流體在原型與模型中的速度和雷諾數(shù)（對應(yīng)表分別如表2和表3所示）。

表2 送風口原型與模型參數(shù)表

表3 隧道口原型與模型參數(shù)表

1.3 試驗方案

為了能夠得到活塞風與站臺送風射流的耦合軌跡，試驗中利用紅色色素調(diào)節(jié)站臺送風射流水箱中液體顏色，以便試驗中觀察活塞風與站臺送風射流耦合的軌跡。在軌跡線上布置測點9、10，測點布置如圖2所示。

本試驗所用儀器有轉(zhuǎn)子流量計、循環(huán)水泵、電動閥門、LGY—Ⅲ型多功能智能流速儀等，其中LGY—Ⅲ型多功能智能流速儀用于測量耦合流場水流速度。

試驗流程粗選I作業(yè)為銅鉬等可浮（優(yōu)先浮選），粗選II為強化浮選，通過采用黃藥或其他強捕收力的藥劑進行強化捕收，提高目的礦物回收率。此次試驗進行了四種藥劑的對比，試驗結(jié)果見圖10。從試驗結(jié)果可以看出，采用丁黃藥與BK404B組合時，銅、鉬作業(yè)回收率較高。

圖2 模型試驗臺測點布置（單位：mm）

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 活塞風流量變化曲線

為了模擬活塞風的變化規(guī)律，根據(jù)地鐵的實際運行規(guī)律及縮尺模型時間比例尺，將電動閥設(shè)置成加速時間、勻速時間和減速時間，分別為33s、31s和33s。通過調(diào)節(jié)回水管上的調(diào)節(jié)閥，控制活塞風的流量值來模擬活塞風射流加速、勻速和減速過程，由速度測點1測得活塞風速度變化從而求出其流量變化。由圖3與圖4可知，本模型試驗的活塞風射流滿足文獻12對隧道活塞風的實測［12］。

圖3 模型試驗活塞風流量變化曲線

圖4 文獻12活塞風實測流量變化曲線

2.2 活塞風與站臺送風射流速度的耦合軌跡

為了試驗的方便，選擇活塞風與站臺送風射流均恒定的工況。縱橫坐標分別表示距離站臺送風射流風口的垂直和水平方向的距離，其中刻度0位置為站臺送風口的位置，橫坐標上坐標距離8cm、15cm處分別是測點9、10的位置。活塞風速分別為5m／s、6m／s、7m／s時活塞風與站臺送風射流的耦合曲線如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 活塞風與站臺逆風射流的耦合曲線（活塞風速為5m／s）

圖6 活塞風與站臺逆風射流的耦合曲線（活塞風速為6m／s）

圖7 活塞風與站臺逆風射流的耦合曲線（活塞風速為7m／s）

由圖5、圖6、圖7可知，在活塞風速度一定的情況下，站臺送風射流速度越小，活塞風與站臺送風射流的耦合軌跡越平緩。

在文獻13中，設(shè)橫流的流速為ua，射流出口斷面直徑為D，射流出口射流流速為u0，兩者的比值為R＝u0／ua，垂直于橫流與射流斷的射流中心線方程為z／（R×D）＝2.05×［x／（R×D）］0.28。此處的橫流相當于試驗臺上的活塞風，射流相當于實驗臺上的站臺送風射流，將其帶入射流中心線的方程內(nèi)，計算得出的軌跡規(guī)律與本試驗臺活塞風與站臺送風射流速度耦合軌跡圖基本相吻合。

2.3 活塞風最大值不變，改變站臺送風射流速度

保持活塞風速度最大值不變，改變站臺送風射流速度，觀察在活塞風一定的情況下，不同站臺送風射流對各個測點速度的影響。活塞風速度最大值為6m／s，站臺送風射流流速分別為3m／s、4m／s、5 m／s時各測點的速度分布及對應(yīng)的擬合曲線如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 各測點的速度分布圖（站臺送風射流流速為3m／s）

圖9 各測點的速度分布圖（站臺送風射流流速為4m／s）

其中測點8是風口前面的測點，即未耦合的測點，測點9和測點10是風口依次往后的測點，即活塞風與站臺送風射流耦合后的測點。

通過對圖8、圖9、圖10觀察和對比，在活塞風最大值為6m／s時可總結(jié)如下：

（1）站臺送風射流流速分別為3m／s、4m／s和5 m／s時，各測點速度變化曲線隨著活塞風增大、穩(wěn)定、減小的過程，與實測活塞風變化曲線相吻合較好。

圖10 各測點的速度分布圖（站臺送風射流流速為5m／s）

（2）改變站臺送風射流速度值的情況下，測點8的速度改變較劇烈，規(guī)律不明顯。

（3）改變站臺送風射流速度值的情況下，測點9的速度隨著站臺送風射流流速的增大，速度反而逐漸變小。

（4）改變站臺送風射流速度值的情況下，測點10的速度隨著站臺送風射流流速的增大，速度逐漸增大。

2.4 站臺送風射流流速不變，改變活塞風速度

取站臺送風射流流速為3m／s，活塞風速最大值分別為5m／s、6m／s、7m／s，各測點的速度分布如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 各測點的速度分布圖（活塞風速最大值為5m／s）

圖12 各測點的速度分布圖（活塞風速最大值為6m／s）

通過對圖11、圖12、圖13觀察和對比，在站臺送風射流流速為3m／s，活塞風速最大值分別為5 m／s、6m／s和7m／s時可總結(jié)如下：

圖13 各測點的速度分布圖（活塞風速最大值為7m／s）

（1）各測點速度變化曲線隨著活塞風增大、穩(wěn)定、減小的這個過程，與活塞風變化曲線相吻合較好。

（2）隨著活塞風速度最大值的增大，測點8速度值曲線改變較平緩且測點8的速度值隨著活塞風的增大而增大。

（3）測點9速度曲線改變較劇烈且測點9的速度值隨著活塞風速最大值的增大而增大。

（4）測點10速度曲線改變劇烈且測點10的速度值隨著活塞風速最大值的增大先增大后減小。

3 結(jié)語

（1）試驗中各測點速度變化曲線隨著活塞風增大、穩(wěn)定、減小的這個過程，基本上與實測活塞變化曲線相吻合。

（2）隧道入口處活塞風初始速度越大，入口后站臺各測點速度會隨之增大。

（3）不同活塞風初始值情況下，距隧道入口不同距離的各測量橫斷面上速度分布具有相似性。

（4）在活塞風一定的情況下，站臺送風射流速度越小，活塞風與站臺送風射流的耦合軌跡越平緩；在站臺送風射流一定的情況下，活塞風越小，活塞風與站臺送風射流的耦合軌跡越陡。

由以上結(jié)論可知，在非屏蔽門系統(tǒng)的地鐵實際運營過程中，可以適當打開在站臺兩端活塞風的通風井，并增大站臺送風射流流速以達到舒適節(jié)能的目的。

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