城市地鐵活塞風(fēng)對(duì)地鐵環(huán)境的影響規(guī)律與有效應(yīng)用分析

柯亞楠

摘要：活塞風(fēng)通過隧道和出入口引起地鐵環(huán)境的變化,是地鐵能耗的重要影響因素，在過渡季節(jié)和冬季充分利用活塞風(fēng)是實(shí)現(xiàn)地鐵通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)一步節(jié)能的有效措施。風(fēng)口屏蔽門系統(tǒng)可有效利用活塞風(fēng),因其兼具安全、舒適的特點(diǎn)，較之傳統(tǒng)的半高安全門系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，重點(diǎn)探討活塞風(fēng)對(duì)地鐵環(huán)境的影響規(guī)律、活塞風(fēng)的有效利用對(duì)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響和帶風(fēng)口屏蔽門系統(tǒng)在北方城市的適用性。

關(guān)鍵字：城市地鐵 活塞風(fēng) 地鐵環(huán)境 影響規(guī)律 有效應(yīng)用

1.某城市地鐵概況

某城市地鐵里程全長(zhǎng)26.188公里，全線共設(shè)22座車站，其中高架站有8座，地下站有 13 座，地面車站有1座，站間距離最小為 0.784 公里，最大為 1.624 公里，平均為 1.225 公里，站臺(tái)有效長(zhǎng)度均為 120 m，站臺(tái)兩端部均有站端風(fēng)井，每站4條，區(qū)間隧道有雙跨矩形有中柱(雙線單洞)、雙跨矩形有隔墻、單跨矩形、圓型盾構(gòu)四種，車站兩端各有兩個(gè)機(jī)械風(fēng)井，既有線各區(qū)間中部均有兩個(gè)機(jī)械風(fēng)井，列車車廂尺寸長(zhǎng)寬高值分別為19.52m、2.8m、3.51m，動(dòng)車自重37t，拖車自重 27 t,帶司機(jī)室車定員 252 人，一列載額定乘客列車總質(zhì)量為 298.2t。安裝了平均高度為 1.4m 的安全門，拓寬看乘客在候車時(shí)的站立空間,適當(dāng)減少活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)的影響，降低列車進(jìn)出站時(shí)產(chǎn)生的噪聲，在過渡季和冬季還可以利用活塞風(fēng)滿足車站新風(fēng)需求。

2.活塞風(fēng)速理論計(jì)算

當(dāng)列車在隧道中運(yùn)行時(shí)，隧道中的空氣被列車帶動(dòng)而順著列車運(yùn)行前進(jìn)的方向流動(dòng)，這一現(xiàn)象稱為列車的活塞作用，所形成的氣流稱為活塞氣流。列車在隧道中運(yùn)行時(shí),由于隧道壁所構(gòu)成空間的限制,列車所推擠的空氣不能全部繞流到列車后方,必然有部分空氣會(huì)被

列車向前推動(dòng)，排出到隧道出口之外，而列車尾端后方存在著負(fù)壓渦旋區(qū)域，因

此也必然會(huì)有相應(yīng)空氣經(jīng)開口被引入到隧道中，由此形成活塞風(fēng)。如下圖所示：

圖1：活塞風(fēng)形成原理示意圖

空氣的流動(dòng)要受到物理守恒定律的支配,其理論基礎(chǔ)是空氣動(dòng)力學(xué)原理,即空氣流動(dòng)過程中的質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒定律，其質(zhì)量守恒方程為：

按照按一維運(yùn)動(dòng)連續(xù)性微分方程考慮，則有：

其中A代表隧道橫斷面積，p代表空氣密度，v代表氣流平均速度。

地鐵車站活塞風(fēng)量的影響因素很多，如活塞的風(fēng)井?dāng)?shù)量及位置、車輛對(duì)數(shù)及組數(shù)、列車運(yùn)行速度、車站形式、隧道形式等，風(fēng)井的位置和隧道形式不同,計(jì)算得出進(jìn)站口和出站口活塞風(fēng)速均不相同。此外，車輛對(duì)數(shù)的增加將增加每小時(shí)帶來的活塞風(fēng)量，列車越長(zhǎng)活塞風(fēng)速越大。

3.活塞效應(yīng)下車站溫度變化影響因素

地鐵車站溫度的變化與其本身存在的內(nèi)熱源的大小有關(guān),如照明散熱量、設(shè)備散熱量、客流量、列車散熱量、車輛對(duì)數(shù)及編組數(shù)等有關(guān),同時(shí)也與車站的形式、隧道的形式有關(guān),車站的自然通風(fēng)量和機(jī)械通風(fēng)量關(guān)系到站內(nèi)余熱量排除情況,因此對(duì)車站溫度變化產(chǎn)生了決定性的影響,而對(duì)于自然通風(fēng)量大的車站,室外氣溫的變化也會(huì)對(duì)車站溫度變化產(chǎn)生較大的影響。客流量的增加使得室內(nèi)余熱量增加,則在通風(fēng)工況不變的情況下室內(nèi)空氣溫度將會(huì)升高，如下午 16:00 左右客流量很少,此時(shí)室外氣溫為 16℃，低于站內(nèi)空氣溫度，列車即將進(jìn)站時(shí)溫度開始上升,列車出站后溫度迅速下降。這是因?yàn)橛捎诹熊囘\(yùn)行、剎車和啟動(dòng)均產(chǎn)生大量熱量,使得空間溫度升高,而列車出站后,在站內(nèi)形成負(fù)壓,室外空氣由出入口吸入站內(nèi),將列車留下的余熱帶走,則空間溫度降低。過渡季節(jié)室外新風(fēng)的溫度比較低,當(dāng)新風(fēng)量增加的時(shí)候,可降低室內(nèi)溫度。活塞風(fēng)作用下,站臺(tái)靠近出入口處溫度變化隨著室外氣溫的降低而有所降低。

4.地鐵活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)環(huán)境影響規(guī)律數(shù)學(xué)模型的建立及驗(yàn)證

計(jì)算流體力學(xué))是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示,對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。通過數(shù)值模擬，我們可以得到極其復(fù)雜問題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量的分布，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況，確定旋渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。

4.1構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

某車站結(jié)構(gòu)尺寸為120m×19.2 m×8.13 m，列車尺寸規(guī)格為117.12 m×2.8 m×3.58m，列車?yán)淠髟谲図敳浚苿?dòng)電阻在車廂底部。站廳層只設(shè)送風(fēng)口,尺寸為 600mm×300mm,共 64 個(gè),布置在距站廳底部裝修面3.0m的高度上，站臺(tái)層采用上送風(fēng),軌頂排風(fēng)以及軌底回/排風(fēng)的氣流組織形式，送風(fēng)口尺寸為 700mm×350mm，共72個(gè)，分兩排均勻布置在距站臺(tái)板

3.0m高度位置，軌頂排風(fēng)口尺寸為 1000mm×500mm，共108個(gè)，距站臺(tái)板3.0m軌底回/排風(fēng)口尺寸為500mm×300mm，兩排共120個(gè)，均勻布置在站臺(tái)板下面站臺(tái)兩側(cè)距站臺(tái)邊緣約200mm的位置，設(shè)有平均高度1.4m的安全門。

采用控制容積積分法來建立離散方程，確保離散方程守恒特性，則其能量方程為：

紊流能量耗散率方程為：

在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上離散方程的精確解偏離該點(diǎn)上相應(yīng)的微分方程精確解的值，稱為該點(diǎn)上的離散誤差。離散誤差的大小同離散方程的截?cái)嗾`差有關(guān)"在相同的網(wǎng)格步長(zhǎng)下，一般地說，截?cái)嗾`差的階數(shù)提高，離散誤差會(huì)隨著減小，對(duì)于同一離散格式，網(wǎng)格加密，離散誤差也會(huì)減小。網(wǎng)格質(zhì)量是 CFD 模型中非常重要的因素之一，好的網(wǎng)格對(duì)于好的模擬結(jié)果非常重要，好的網(wǎng)格要求恰當(dāng)?shù)姆直媛省⒐饣取⒌推甭屎瓦m當(dāng)?shù)木W(wǎng)格數(shù)量。

4.2建模誤差分析

由于動(dòng)網(wǎng)格的計(jì)算量比較大,并且建模過程比較復(fù)雜,不容易精確的再現(xiàn)實(shí)際過程,本文采用了非穩(wěn)態(tài)方法，通過方波函數(shù)設(shè)置活塞風(fēng)速來模擬列車通過對(duì)站臺(tái)帶來的影響，這樣就將列車的啟動(dòng)、運(yùn)行、剎車過程簡(jiǎn)化了，僅考慮其帶來的活塞風(fēng)作用。在過渡季節(jié)的模擬中采用了非穩(wěn)態(tài)方法，隧道口風(fēng)速設(shè)定采用方波函數(shù)設(shè)定。

5.帶風(fēng)口屏蔽門系統(tǒng)活塞風(fēng)數(shù)值模擬結(jié)果分析

活塞風(fēng)的綜合利用必然很大程度的減少風(fēng)機(jī)能耗,過渡季節(jié)和冬季的舒適性仍需考慮，CFD 模擬是一個(gè)可行的研究方法,大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證也說明模型建立的比較合理,從而實(shí)現(xiàn)了屏蔽門系統(tǒng)改造的優(yōu)化設(shè)計(jì)。列車自動(dòng)操作時(shí)，屏蔽門是絕對(duì)有必要的，列車手動(dòng)操作時(shí)，屏蔽門亦非常有用，屏蔽門可以十分有效地提高站臺(tái)安全，避免乘客因自殺、在站臺(tái)里走動(dòng)、推擠等而落入軌道，可以增加站臺(tái)的可用表面，可以避免未經(jīng)授權(quán)的人進(jìn)入隧道，屏蔽門降低了空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗和隧道內(nèi)不必要的能耗，屏蔽門可以減少隧道灰塵、列車噪音以及列

車弛行的活塞效應(yīng)產(chǎn)生的氣流進(jìn)入站臺(tái)。

地下鐵道發(fā)生火災(zāi)時(shí)造成的人員傷亡，絕大多數(shù)是由于煙霧中的有毒氣體的熏倒、中毒或窒息所致，有效的排煙已成為地鐵火災(zāi)救援的重要措施。為此，要求設(shè)置排煙設(shè)備，在布置風(fēng)道時(shí)，確保排煙口的風(fēng)速不宜大于10m/s，當(dāng)排煙干管采用金屬管道時(shí),管道內(nèi)的風(fēng)速不應(yīng)大于20m/s，設(shè)置帶風(fēng)口屏蔽門，相同高度下帶風(fēng)口屏蔽門系統(tǒng)的高溫區(qū)域比屏蔽門系統(tǒng)小得多，可以為火災(zāi)事故情況乘客的順利疏散爭(zhēng)取了時(shí)間。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn),可控風(fēng)口在過渡季節(jié)活塞風(fēng)可滿足近期的新風(fēng)要求,并帶走大量余熱,軌底排風(fēng)可有效控制列車產(chǎn)生的熱量不進(jìn)入站臺(tái)公共區(qū),在滿足乘客舒適性要求的同時(shí),達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能的效果。

結(jié)語(yǔ)

活塞風(fēng)對(duì)地鐵環(huán)境的影響規(guī)律非常復(fù)雜,通過站臺(tái)和出入口引起地鐵能耗的變化，是地鐵能耗的重要影響因素，在過渡季節(jié)和冬季充分利用活塞風(fēng)是實(shí)現(xiàn)地鐵通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)一步節(jié)能的有效措施。重點(diǎn)對(duì)活塞風(fēng)對(duì)地鐵環(huán)境的影響規(guī)律進(jìn)行了研究分析,并探討了能夠有效利用活塞風(fēng)的帶風(fēng)口屏蔽門系統(tǒng)在北方城市地鐵中的應(yīng)用前景,為地鐵工程設(shè)計(jì)提供了必要的依據(jù)。

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