基于動態網格技術和離散相模型的地鐵隧道活塞風特性及通風豎井井口污染物擴散研究

燕成飛 鄭學林 臧建彬

(1.上海海事大學商船學院，201306，上海; 2.同濟大學機械與能源工程學院，201804，上海 ∥ 第一作者，碩士研究生)

通風豎井作為地鐵隧道通風系統的重要結構，是隧道內外空氣的“重要通道”。其作用可以歸納為：正常運行時，向地鐵隧道內提供一定的新風量，排除隧道內的余熱余濕，創造合適的溫濕環境，維持設備的正常運行；發生緊急事件時，提供必要的新風量，誘導乘客疏散。目前，對于地鐵隧道的通風研究主要集中在活塞風特性，以及活塞風對車站能耗影響的研究。文獻[1]運用數值模擬和現場實測相結合的方式研究了區間隧道活塞風的風速、風壓等規律，發現列車運行會產生活塞風，列車進站和出站兩個過程活塞風在各個區域的分布有所不同。文獻[2-3]通過模型試驗驗證了數值模擬的可靠性，得到了無通風豎井情況下隧道內的空氣壓力和速度分布規律，研究表明，隧道內的空氣壓力和速度分布受行車速度和列車位置的綜合影響。文獻[4]運用CFD(計算流體運動學)對耦合的多區域進行了首次現場試驗驗證，發現耦合計算結果與實測結果擬合較好。文獻[5]利用CFD中的組份傳輸模型，模擬了毒氣在通風管道中的擴散傳播過程，并通過試驗手段進行了驗證，結果表明，組份傳輸模型能夠很好地應用于毒氣傳播領域的研究。

本文研究內容包括地鐵活塞風特性，以及在通風豎井口釋放污染物的傳播規律等。重點研究列車運行過程中，以面源的形式在豎井口持續性釋放污染物后，污染物在活塞作用下向隧道內遷移的擴散規律。

1 地鐵隧道活塞風數值模型

1.1 物理模型

本文選取3節編組列車，其長度為60 m，初始時刻列車車尾距隧道入口30 m。為縮短計算域，同時在顆粒物釋放前賦予隧道準確的活塞風速度場分布，選取長780 m的單豎井隧道段。隧道截面尺寸為5.0 m(高度)×4.2 m(寬度)；豎井高度為14 m，其截面尺寸為4.0 m(長度)×4.2 m(寬度)；豎井1中心距隧道入口的縱向長度約為420 m。具體模型示意見圖1。

圖1 地鐵隧道豎井模型

1.2 邊界條件

1) 隧道入口：設定為壓力邊界，相對壓力值為0。

2) 隧道出口：設定為壓力邊界，相對壓力值為0。

3) 豎井口：設定為壓力邊界，相對壓力值為0。

4) 隧道壁面和地面：采用固定壁面邊界；隧道壁面設置為反射條件，反射系數為1。

5) 列車：列車運行是隧道非穩態速度場的根源，通過Proflie文件指導列車運行。列車以1 m/s2的加速度加速至指定速度后，保持勻速行駛。

1.3 數值模型驗證

1) 動網格驗證。對文獻[2]中的試驗模型進行仿真計算，再將模擬結果和文獻[2]中的試驗結果進行對比。結果表明，列車處于加速階段和減速階段速度的模擬值和試驗值基本相等；勻速運行階段存在一定的偏差，究其原因可能是由于本文的數值模型與文獻[2]的試驗模型存在細微區別，但整體而言模擬結果和試驗結果較為吻合。

2) 離散相模型驗證。選取文獻[6]中的三維全尺度房間模型進行數值模擬，并采用DPM(離散相模型)對其進行驗證。對顆粒物實時濃度與初始濃度之比的模擬結果與文獻[6]的試驗結果進行對比發現，模擬結果和試驗結果在整體上存在高度一致性。

1.4 網格獨立性檢驗

網格的疏密程度對數值模擬結果的準確性影響很大。當網格數量增加到一定程度，其對數值模擬結果的影響很小甚至可以忽略不計時，被稱之為網格無關性。本文研究中涉及的模型除豎井數量、列車尺寸存在差異外，其余結構均基本相同。因此，在進行網格獨立性檢驗時，選取了單豎井模型作為驗證對象。對單豎井模型分別劃分了530萬和250萬兩種數量的網格，通過計算得出兩種網格數量下的數值模擬結果基本相同。為保證數值模擬計算的精度，同時考慮到計算周期，最終選取網格數量為250萬。

2 不同影響因素下隧道內活塞風速度場分析

2.1 不同車速下隧道內活塞風速度場分析

當阻塞比為0.65，列車以不同速度在單豎井隧道內運行過程中，活塞風風速沿隧道中心線均勻分布。列車運行速度越大，由列車引起的活塞風風速越大。當列車運行速度為60 km/h時，活塞風速為9 m/s左右，而當列車運行速度為30 km/h時，活塞風速僅為4 m/s左右(見圖2)。究其原因主要是隨著列車運行速度增大，車頭前方正壓亦增大，而車尾后方負壓減小，導致隧道內空氣流速加大。

圖2 不同車速下列車位于風井1后隧道中心線風速分布

2.2 不同阻塞比下隧道內活塞風速度場分析

當列車以60 km/h的速度在隧道內運行時，不同阻塞比下，活塞風風速沿隧道內中心線的分布如圖3所示。由圖3可知，阻塞比越大，列車運行引起的隧道內活塞風風速亦越大。當阻塞比減小時，列車和隧道之間的間隙增大，這就意味著在列車運行中，列車前方的氣流流向車尾的間隙面積增大了，這有利于列車前方空氣迅速地補充到車尾區域，使得車尾負壓和車頭正壓減小。

圖3 不同阻塞比下活塞風風速沿隧道中心線分布

2.3 不同豎井數量下隧道內活塞風速度場分析

當阻塞比為0.65，列車以60 km/h的速度在隧道內運行時，不同豎井數量下，活塞風風速沿隧道內中心線的分布如圖4所示。

由圖4可知，當列車位于豎井1后方時，3種工況下豎井1前方隧道內活塞風速度分布基本一致；多豎井工況下，每經過1個豎井，隧道內活塞風風速就有所降低；雙豎井和三豎井工況下，當列車駛出最后1個豎井后，隧道內活塞風風速急劇下降，分別降至1 m/s和0.5 m/s以下，由此可見，豎井作為泄壓口的分流作用很強。

圖4 不同豎井數量下活塞風風速沿隧道中心線分布

當列車位于豎井1前方時，豎井處于合流狀態，受豎井分布的影響，單豎井工況下隧道內活塞風風速最大，三豎井隧道內活塞風風速最??；觀察多豎井工況，發現豎井距列車距離越遠，其合流作用越弱。

3 不同影響因素下通風豎井風量分析

3.1 不同車速對豎井風量的影響

當阻塞比為0.65，列車在單豎井隧道內以不同速度運行時，活塞風風速隨列車位置變化如圖5所示。由圖5可知，豎井風量均呈現從排風轉變為進風的規律；列車運行速度越大，列車對隧道內活塞風速度場的活塞作用越強，其豎井的風量亦越大。

圖5 不同豎井數量下豎井總風量對比圖

3.2 不同阻塞比對豎井風量的影響

列車以60 km/h的速度在單豎井隧道內運行時，對比3種工況下的豎井風量發現，阻塞比越大，豎井口風量就越大。究其原因主要是阻塞比越大，活塞作用越明顯，從而車頭前方的正壓越大，而車尾的負壓越小。

3.3 豎井數量對其風量的影響

1) 單豎井工況。豎井排風階段，豎井位于列車前方，初始時刻列車車頭靠近豎井時，豎井排風量達到120 m3/s；隨著列車的不斷行進，豎井的排風量不斷減小。在豎井送風階段，列車行駛至豎井并越過后，豎井進風量隨列車與豎井間距離的增大而增大，但其風量的增速越來越慢。

2) 雙豎井工況。當列車中心未到達豎井1時，豎井1和豎井2均處于排風狀態；隨著列車的運行，豎井1排風量逐漸減小，而豎井2的排風量逐漸增大，且增長趨勢逐漸變緩。當列車中心位于豎井1和豎井2之間時，豎井1開始向隧道進風，且進風量逐漸增大，隨后豎井1進風量慢慢減小。

3) 三豎井工況。在列車運行期間，豎井1和豎井2的整體氣流方向共經歷了3次轉變：先由排風狀態轉變為進風狀態，進風量呈“山峰”狀；然后由進風狀態轉變為排風狀態，其排風量先增大再減小；最后由排風狀態轉變為進風狀態，進風量增長緩慢但總體大于風井3的進風量增長率。豎井3的整體氣流狀態變化較為簡單，當其處于排風狀態時，其排風量隨時間呈“幾字型”變化。

圖5為不同豎井數量下豎井總風量對比圖。由圖5可知，受列車和豎井的影響，單豎井工況下豎井總風量由排風狀態轉為進風狀態的時間要明顯早于多豎井工況，雙豎井工況和三豎井工況的轉換時間則基本相同；在3種工況都處于排風狀態時，單豎井工況排風量最小，雙豎井工況次之，三豎井工況最大，但雙豎井工況和三豎井工況排風量差別不大；當列車運行至距豎井105 m左右時，雙豎井工況和三豎井工況的豎井總風量變化趨于一致，且兩者的風量增速高于單豎井工況。由此可以推斷，隨著列車的運行，雙豎井工況和三豎井工況的豎井總風量大于單豎井工況。因此，從隧道排熱以及通風換氣的角度而言，綜合考慮建設成本，建議優先選用雙豎井工況。

4 隧道內污染物擴散分析

4.1 豎井數量對顆粒物擴散的影響

通過前述分析可知，不同豎井數量下地鐵隧道內的活塞風速度場變化最為復雜。本文對典型工況下不同豎井數量對顆粒物擴散的影響進行研究。

圖6為不同豎井數量下，隧道內顆粒物有效污染量隨時間的變化情況。由圖6可知，在3種工況下，顆粒物初始釋放時，豎井1均處于排風狀態，空氣對顆粒物的耦合作用占主導，使得部分顆粒被排出豎井外部。相較初始時刻3種工況下的顆粒物有效污染量，可以發現：單豎井工況<雙豎井工況<三豎井工況。究其原因主要是豎井1的排風量隨豎井數量的增加而減小，顆粒物與空氣的耦合作用減小，導致初始釋放時，單豎井工況下從豎井1排出的顆粒物量最大。此外，豎井1處于排風狀態的持續時間隨著豎井數量的增加而減小，故單豎井工況下顆粒物向外排出時間最長。

圖6 隧道內顆粒物有效污染量隨時間變化圖

進一步觀察圖6發現，雙豎井工況和三豎井工況都存在一個“急變區”，在該“急變區”中，隨著顆粒物繼續釋放，隧道內的顆粒物有效污染量卻出現了減小的現象。結合豎井風量和顆粒擴散位置進行分析，發現雙豎井和三豎井工況下，在“急變區”出現前，豎井2處于排風狀態，使得顆粒物向豎井2的井口擴散，造成之后的一段時間內因部分顆粒物被排出隧道而導致其有效污染量降低的現象。

4.2 顆粒物遷移分析

圖7～9展示了不同豎井數量下，列車運行10 s后隧道內污染物濃度的分布情況。由圖7～9可知，在豎井口污染物釋放不久，顆粒物沿豎井向隧道內擴散的過程中，三豎井工況下顆粒物的擴散速度明顯高于其他兩個工況；三豎井工況和雙豎井工況下由于顆粒物擴散速度較快，列車在未駛離豎井1時，就有部分顆粒物傳播至列車周圍。從列車通風換氣的角度看，微細顆粒物會通過列車新風口擴散至客室內，由于地鐵列車人員密度大、生化防護能力弱的特點，勢必會造成較大的人員傷亡。由上述分析可知，3種工況下顆粒物濃度分布相似，受豎井內渦流的影響，靠近豎井左側壁面的顆粒物濃度高于右側壁面。

圖7 單豎井工況下顆粒物擴散仿真云圖

圖8 雙豎井工況下顆粒物擴散仿真云圖

圖9 三豎井工況下顆粒物擴散仿真云圖

顆粒物的傳播在區間隧道內主要是通過垂直于豎井口向內擴散和沿列車行駛方向的縱向擴散。3種工況下顆粒物在區間隧道縱向擴散存在兩個共同特點：

1) 列車速度大于顆粒物縱向擴散速度，使得距列車尾部較近顆粒物的濃度隨著時間推移越來越低；

2) 受隧道整體氣流的作用，在豎井1附近的區間隧道內，靠隧道上壁面顆粒物的濃度會明顯高于靠近隧道地面，即顆粒物出現向上揚的情況，且顆粒物在該區域呈現繼續擴大的趨勢。

三豎井工況出現一個獨特的現象，即：顆粒物受隧道氣流作用力和布朗擴散的影響，出現了部分顆粒物向豎井2出口擴散并通過豎井2排出，這就是造成三豎井工況出現顆粒物有效污染量急變現象的原因所在。

5 試驗臺設計

依據相似準則設計試驗臺。試驗臺主要由隧道和豎井、軌道、列車、行車控制系統、測試系統以及燈光系統等組成。試驗臺的組成部分如圖10～11所示。

圖10 模型試驗臺示意圖

圖11 控制臺示意圖

1) 隧道和豎井。隧道和豎井必須為透明介質，且兩者連接處將設有活動板，可以通過手動控制來調節豎井數量。

2) 軌道。本試驗臺將采取安裝行車軌道的方式來控制列車直線運行。

3) 列車。列車的核心是驅動系統，本試驗臺列車的最高行車速度為5 m/s，且速度較低。

4) 行車控制系統。列車速度調節采用PWM(脈寬調制)調速方法，在隧道兩端設置傳感裝置，通過中控控制臺能夠實現列車起停、速度檔位控制以及行車速度的數值顯示。

5) 測試系統。沿隧道和豎井壁面設置多個速度測點和靜壓測點。

6) 燈光系統。試驗選擇在夜間進行，在模型隧道墻壁投影位置貼黑色墻紙，防止壁面白色背景弱化拍攝效果。

6 結論

1) 自然通風條件下，通風豎井風口氣流的整體流動狀態受列車位置的影響。當列車處于豎井后方時，豎井為“分流豎井”，豎井向外排風，且隨著列車向豎井逐步靠近，豎井排風量減小；當列車運行至豎井底部時，豎井的氣流變化較為復雜，豎井由排風狀態逐漸轉變為進風狀態，且隨著列車遠離豎井，豎井的進風量也不斷增大。

2) 列車從豎井上游運行至豎井下游的過程中，通風豎井遭受突發的持續性污染時，隧道內污染物濃度沿列車行駛方向逐漸降低，且污染物濃度出現垂直分層狀況；豎井數量越多，顆粒物進入區間隧道的時間越早；三豎井工況和雙豎井工況出現了污染物擴散至車體周圍的情況，且污染物極有可能進入車內，導致大量人員受害。