地鐵隧道活塞風演化規律及其對通風安全的影響

安偉光,孔維浩,廣大慶,盧勇成,王 喆,安偉彬

(1.中國礦業大學江蘇省城市地下空間火災防護高校重點實驗室,江蘇 徐州 221116;2.徐州市高新區安全應急裝備產業技術研究院,江蘇 徐州 221100;3.天津市水務規劃勘測設計有限公司,天津 300202)

隨著城市規模的不斷擴大,“地下新基建”已成為發展戰略趨勢,截止2020年底,我國城市地下空間累計建設面積達24億m2,其中以地鐵為主導的地下軌道交通發展迅速[1]。地鐵不僅具有安全、舒適、快捷等特性,而且大大緩解了地上交通的壓力,如今已成為我國各大城市交通中必不可少的交通工具[2]。地鐵逐漸成為人們日常出行的首要選擇,人們越來越關注地鐵車站的環境,包括溫度、濕度、壓力、通風和噪聲等,這些很大程度上受到由列車行駛形成的活塞風的影響[3],并且當地鐵列車發生火災時,由于地鐵隧道相對封閉的環境,隧道內活塞風會對地鐵隧道火災的煙氣擴散和蔓延產生強烈的影響[4],從而影響地鐵隧道的通風安全。

目前國內外對地鐵隧道活塞風的研究方法主要采用風洞試驗方法和數值模擬方法。風洞試驗方法對試驗場地要求較高,組織和實施開展試驗工作量巨大、成本較高,且易受到各種因素的影響,很難精準得到整個試驗空間內各測量點參數的變化情況。隨著數值模擬軟件的出現和算法的不斷完善,通過合理設置各項參數可以得到較為準確的數值模擬結果,具有較高的參考價值[5-8]。如:甘甜等[9]利用Fluent動網格方法模擬了列車以某一運動規律經過隧道后,隧道內壓力場和速度場的動態變化規律;黃文昕等[10]利用Fluent動網格方法對無防火門的類矩形地鐵隧道在列車不同車速、不同聯絡通道布置下的活塞效應進行了模擬分析;龍開天等[11]利用Fluent重疊網格方法對影響地鐵區間隧道內污染物分布的活塞風進行了模擬分析;由世俊等[12]采用現場試驗和數值模擬的方法對地鐵隧道內活塞效應非穩態氣流進行了模擬分析;賴曉龍等[13]利用CFD軟件研究了冬季一側列車靠站屏蔽門開啟另一側列車越行時所引起的地鐵隧道內活塞風對站臺內氣流分布的影響;謝知航[14]利用Fluent動網格方法模擬了地鐵列車不同車速越站產生的活塞風風速在隧道與站臺間連通口的變化情況,并使用Pyrosim軟件模擬列車不同越站速度工況下站臺內火災煙氣的蔓延情況;陳榮[15]利用STAR-CD軟件建立隧道列車二維動網格模型,模擬了列車不同車速下隧道內活塞風和壓力場的變化規律;曾艷華等[16]利用Fluent動網格方法模擬了列車不同行駛狀況(勻速、減速、停車)下隧道不同斷面位置處活塞風的變化規律;López等[17]采用數值模擬方法分析了活塞效應對地鐵隧道縱向通風系統的影響;He等[18]提出了地鐵隧道活塞風風速的一般計算公式,并建立2D模型進行了數值模擬驗證;Kim等[19]利用CFD軟件CFX4構建和求解了地鐵隧道活塞效應計算模型,分析了地鐵列車行駛時隧道內活塞風的非定常流動特性,研究了壓力和風速隨時間的變化規律;Liu等[20]利用數值模擬方法研究了活塞效應對地鐵隧道內二氧化碳濃度和熱環境的影響,提出了最佳列車速度,最大限度地減少機械送風量。

然而,在上述研究中,一些研究只是單純對地鐵隧道內活塞風進行了數值模擬,沒有與試驗結果或數學模型預測結果進行對比分析。以往人們更加關注活塞風風速的變化,對于列車行駛對列車周圍和隧道內整體流場變化的研究較少。因此,有必要對地鐵隧道內列車行駛時活塞風的演化規律進行更加深入的研究。為此,本文以單洞單線類矩形區間隧道內行駛的B型地鐵列車為研究對象,采用Fluent動網格方法對地鐵隧道內勻速直線行駛列車形成的活塞風演化規律進行了數值模擬,主要分析了列車行駛過程中隧道內不同斷面處和列車經過隧道內某斷面處活塞風的演化規律,以及不同阻塞比對活塞風的影響,可為地鐵隧道的機械通風安全、防排煙設計和災情態勢預測提供依據。

1 物理模型建立

根據我國地鐵交通現狀,本文以常見的某類矩形區間隧道內行駛的B型地鐵列車為研究對象。由于類矩形區間隧道內流場具有良好的對稱性,故利用ANSYS SpaceClaim建立二維物理模型,在保證準確性的前提下大大縮短了模擬時間。表1列舉出我國典型單洞單線類矩形區間隧道截面尺寸。

表1 我國典型單洞單線類矩形區間隧道截面尺寸

將地鐵隧道模型簡化為一個長440 m、寬5.5 m的長方形;B型地鐵列車截面尺寸如圖1所示,列車模型采用一節B型地鐵列車車廂部分,將其簡化為一個長19 m、寬2.7 m的長方形,列車車廂底部距隧道底部1.1 m;在初始時刻,列車位于地鐵隧道內,尾端距離隧道入口1 m,如圖2所示。

圖1 B型地鐵列車截面尺寸Fig.1 Section size of B-type subway train

圖2 地鐵隧道及列車二維物理模型尺寸Fig.2 2D physical model size of subway tunnel and train

2 數值模擬方法

2.1 邊界設置

考慮重力對隧道內流場的影響,在初始時刻,隧道內各處空氣壓力為一個標準大氣壓,各方向風速均為0 m/s,由于地鐵隧道內列車行駛形成的活塞風在一定時間段內是實時變化的,為了保證隧道進出口壓差恒定,設置隧道入口為壓力入口,隧道出口為壓力出口,隧道入口和出口均相對于大氣壓力為0 Pa,列車和隧道壁面均為無滑移絕熱壁面。具體邊界條件設置如表2所示。

表2 邊界條件設置

2.2 網格劃分

將隧道內部劃分為4個區域,如圖3所示。將隧道內劃分為4個區域的優勢是縮短了計算機模擬所消耗的時間,加快了網格的更新速度,提高了計算效率,保證了網格的質量,使得數值計算更加精確和穩定,并且在有物質交換的相鄰區域之間通過滑移網格交界面(interface)連接,確保了相鄰區域穩定的物質交換。在4個區域中,只有約占隧道1/2的拉伸區域和壓縮區域涉及網格的消除和生成,具有良好的一維性,并且采用結構化網格將計算域劃分為規則的四邊形網格,大大減少了所需的網格數量。最終的網格尺寸為100.0 mm,網格數量為2 400 000。

圖3 隧道內區域劃分示意圖Fig.3 Diagram of region division in tunnel

2.3 動網格方法

動網格方法通常用于模擬運動邊界以及邊界或計算域內的某個物體運動的問題,Fluent軟件主要提供了3種動網格算法,分別是彈性光順法(smoothing)、動態層法(layering)和局部網格重構法(remeshing)。本文模擬的區間隧道為類矩形區間隧道,列車在隧道內行駛時的流場變化具有較好的方向性和對稱性,因此采用動態層法來實現地鐵列車在隧道內的勻速運動。動態層法相比較于彈性光順法和局部網格重構法,不僅能保證較高的網格質量和模擬流場的對稱性,并且在相同收斂標準和多維規律的結構化網格條件下,采用的網格數量遠小于其他兩種方法,大大節省了計算時間[21]。

根據《城市軌道交通2021年度統計和分析報告》等相關資料顯示,我國典型城市地鐵列車平均行駛速度如下:北京38.5 km/h、上海37.3 km/h、天津33.9 km/h,因此本文選取了三者的平均速度,約為36 km/h(10 m/s)。本文主要模擬一節B型地鐵列車在440 m類矩形區間隧道內以10 m/s的車速直線行駛40 s。列車在隧道中的運動被定義為簡單函數,并以Profile文件形式導入Fluent軟件,設計總計算時長為40 s,活塞風非定常流動計算的時間步長為0.01 s,每個時間步長迭代20次。

2.4 模擬工況

根據前人的相關研究,影響隧道內斷面處活塞風的因素主要有:①隧道內列車的行駛速度;②列車的長度;③隧道的長度;④列車迎風截面對隧道截面的阻塞比。其中,影響隧道內斷面處活塞風最顯著的因素是阻塞比(α)[22]。為了探究隧道內不同斷面處活塞風的演化規律以及不同阻塞比對活塞風的影響,設置的模擬工況如表3所示。

表3 模擬工況設置表

3 隧道內不同斷面處活塞風的演化規律

3.1 隧道內不同斷面處活塞風特性分析

本文選取現實地鐵隧道內B型地鐵列車的阻塞比,即模擬工況3,在初始時刻,列車位于隧道入口1 m處,列車行駛速度為10 m/s,列車行駛方向向右,預留一段行駛距離使得計算域適應列車啟動導致的網格變化和隧道內流場穩定,并在距離隧道入口110 m處開始設置測點,每隔80 m設置一個測點,測點距離隧道底部5.3 m,共設置5個測點,如圖4所示。隧道內各斷面處活塞風風速的變化曲線、地鐵列車前端到達隧道內各斷面處活塞風速度場、地鐵列車行駛過程中某時刻的壓力場如圖5、圖6和圖7所示。

圖4 隧道內測點布置示意圖Fig.4 Layout of measuring points in tunnel

圖5 隧道內各斷面處活塞風風速的變化曲線Fig.5 Variation curves of piston wind velocity at each section in tunnel

圖6 地鐵列車前端到達隧道內各斷面處活塞風速度場圖Fig.6 Piston wind velocity field of the subway train head reaching each section in tunnel

圖7 地鐵列車行駛過程中某時刻的壓力場圖Fig.7 Pressure field of the subway train running at a certain time in tunnel

由圖5至圖7可以看出:

1) 當列車啟動并以10 m/s勻速行駛時,列車前端擠壓前方空氣產生正壓,列車車身周圍形成負壓,列車尾端因空氣稀薄形成負壓渦流區,這使得隧道內形成與列車行駛方向相同的活塞風。

2) 在列車行駛初期(t=0～11.50 s),隧道內原本靜止的流場被列車行駛打亂,隧道內的速度場呈現出紊亂的特點,列車周圍和后方的空氣流速顯著增大,列車后方出現渦流。

3) 當t>11.50 s時,隨著列車繼續行駛,隧道內活塞風風速逐漸增大,隧道內的速度場產生了明顯的變化,在列車前端附近和尾端負壓渦流區出現高風速區,其風速大于隧道整體風速,并且列車尾端高風速區的風速和范圍要大于列車前端;列車車身周圍出現低風速區,其范圍不斷擴大,當t>35.00 s時保持不變;隧道內最高風速區位于列車尾端,該區域活塞風風速大于13.50 m/s,該區域范圍逐漸縮小,當t=27.15 s時該區域消失。

4) 當t>35.00 s時,隧道內活塞風加速度小于0.02 m/s2,可認為隧道內的速度場趨于穩定,活塞風風速最終大約為4.09 m/s。需要特別注意的是,當列車經過隧道內某斷面處時,會導致該斷面處的風速和風向發生明顯的變化,這將在下節對這一現象進行詳細分析,并且列車行駛時間越長,經過該斷面處引起的風速變化幅度越小,這說明隧道內的速度場越來越穩定。

基于物理模型和前人的相關研究,本文建立了相應的數學模型,地鐵列車行駛時隧道內形成的活塞風示意圖,如圖8所示。

圖8 地鐵列車行駛時隧道內形成的活塞風示意圖Fig.8 Schematic diagram of piston wind formed in tunnel during subway train running

嚴格來說,隧道內活塞風風速應按非恒定流情況計算,但考慮到按非恒定流的伯努利方程計算過程比較繁冗,并且針對隧道長度遠遠大于列車長度的情況,地鐵列車在隧道內行駛一段時間后,隧道內活塞風風速將達到穩定值,所以可以按恒定流計算隧道內活塞風風速[23],其計算公式為

(1)

式中:v0為列車行駛速度(m/s);v為隧道內活塞風風速(m/s);ξt為隧道內局部和沿程阻力損失之和(除環腔空間);K為活塞作用系數。

其中,ξt和K可表示如下[24]:

(2)

(3)

(4)

ξ3=(1-α)2

(5)

式中:α為阻塞比,即列車橫截面積與隧道橫截面積的比值;ξ1、ξ4為隧道進口和出口的局部阻力系數;ξ2、ξ3為列車后端和前端的局部阻力系數;λ、λ0為隧道和環狀空間的沿程阻力系數;d、d0為隧道和環狀空間的水力直徑(m);l、l0為隧道和環腔空間的長度(m)。

結合物理模型、數學模型和前人的相關研究[25-26],本文對地鐵隧道和列車參數進行取值,詳見表4和表5。

表4 地鐵隧道和列車參數

表5 局部和沿程阻力系數

結合式(1)～(5)、表4和表5,可求得隧道內活塞風風速的數學模型預測結果v′=4.57 m/s,并與數值模擬結果v=4.09 m/s進行比較,誤差為-10.50%,可認為該數值模擬結果與數學模型預測結果相吻合。

3.2 列車經過隧道內某斷面處活塞風特性分析

上述研究發現當地鐵列車經過隧道某斷面處時會導致該斷面處活塞風的風速和風向發生急劇變化,為了探究其原因,本文選取地鐵列車經過距離隧道入口110 m斷面處這段路程進行重點分析,得到列車經過距離隧道入口110 m斷面處活塞風風速隨時間的變化曲線、活塞風風速發生突變時的速度場、列車前端達到距離隧道入口110 m斷面處的速度矢量場,如圖9、圖10和圖11所示。

圖9 地鐵列車經過距隧道入口110 m斷面處活塞風 風速隨時間的變化曲線Fig.9 Piston wind velocity variation of subway train passing through section 110 m from tunnel entrance

圖10 地鐵列車經過距隧道入口110 m斷面處活塞風 的速度場圖Fig.10 Piston wind velocity field of subway train passing through section 110 m from tunnel entrance

圖11 地鐵列車前端達到距隧道入口110 m斷面處活 塞風速度矢量場圖Fig.11 Piston wind velocity vector field of subway train head reaching section 110 m from tunnel entrance

由圖9可以看出,當t=8.17、8.83、9.18、10.99、11.95、12.93、14.40 s時,距離隧道入口110 m斷面處活塞風的風速或方向發生了顯著變化。結合圖10和圖11分析可知:由于地鐵列車前端擠壓空氣使得隧道內列車前方大部分空氣向前流動,少部分空氣從列車與隧道之間形成的環狀空間向后流動,這部分向后的空氣流動稱為回流風,還有極少部分空氣流動與隧道壁面之間有夾角,甚至垂直于隧道壁面,這使得在列車前方貼近隧道壁面的某小片區域出現了低風速區(A區);當t=8.17 s時,列車前方低風速A區即將到達距離隧道入口110 m斷面處時,會導致該斷面處向前的活塞風風速急劇減小;當t=8.83 s時,距離隧道入口110 m斷面處活塞風的風速接近0 m/s,該處活塞風風向幾乎垂直于隧道壁面,之后風向發生變化,形成了向后流動的回流風,并且由于列車前端的擠壓作用和截面積突然減小使得該處回流風風速急劇增大;當t=9.18 s時,剛被列車擠壓后的回流風經過距離隧道入口110 m斷面處,此時該斷面處所在區域為回流風最大風速區(B區),最大回流風風速為9.75 m/s;當t=9.18～10.99 s時,由于隧道和列車壁面的阻力作用,該斷面處回流風風速逐漸減小;當t=10.99 s時,列車整體完全通過距離隧道入口110 m斷面處,由于列車尾端負壓渦流區的吸引力和截面積突然增大,該斷面處回流風的風速急劇減小;當t>11.95 s時,距離隧道入口110 m斷面處的回流風消失,取而代之的是與列車行駛方向相同的活塞風,由于列車尾端形成的負壓渦流區對活塞風的影響,活塞風風速變化呈現波浪式,活塞風風速變化幅度較大,并且隨著列車行駛時間的增加,列車尾端負壓渦流區對該斷面處活塞風的影響減弱,活塞風風速的變化幅度減小,速度場逐漸穩定,活塞風風速緩慢增大。

4 阻塞比對隧道內活塞風及通風安全的影響

為了探究不同阻塞比對隧道內活塞風的影響,本文通過改變列車截面來改變列車對于地鐵隧道的阻塞比,測點布置和參數設置與上文保持一致。當阻塞比發生改變時,隧道內各斷面處活塞風風速的變化曲線、列車行駛35 s時隧道內活塞風速度場及其活塞風速度矢量場,如圖12、圖13和圖14所示。

圖12 不同阻塞比下隧道內各斷面處活塞風風速的變化曲線Fig.12 Variation curves of piston wind velocity at each section under different blockage ratios

圖13 不同阻塞比下地鐵列車行駛35 s時隧道內活塞 風速度場圖Fig.13 Piston wind velocity field diagram in tunnel when the subway train runs for 35 s under different blockage ratios

圖14 不同阻塞比下地鐵列車行駛35 s時隧道內活塞 風速度矢量場圖Fig.14 Piston wind velocity vector field diagram in tunnel when the subway train runs for 35 s under different blockage ratios

由圖12可以看出:當阻塞比發生改變時,不同阻塞比下隧道內活塞風風速的變化趨勢是一致的,且隨著列車行駛時間的增加,隧道內整體活塞風風速先增大后保持穩定;當列車經過隧道某斷面處時,隧道內活塞風風速變化與3.2節一致;在其他條件不變的情況下,隨著阻塞比增大,隧道內活塞風風速增大,達到隧道內活塞風風速穩定所需的時間縮短,列車經過某斷面處引起的活塞風風速變化幅度增大,對隧道內空氣擾動的影響增大,對隧道內機械通風的影響增強。結合圖13和圖14分析可知:當阻塞比為α=0.2、0.4、0.49時,列車尾端產生負壓渦流區,渦流現象明顯,列車經過隧道某斷面處后該斷面處的活塞風風速波動明顯,且當α=0.4時產生的渦流比α=0.2、0.49時范圍更大,活塞風風速波動更大,持續時間更長;當α=0.6、0.8時,列車尾端只產生負壓區而不產生渦流,流場較為穩定,活塞風風速基本無波動;隨著阻塞比繼續增大,環腔空間的回流風風速和風量顯著減小。這是因為在列車周圍產生了類似于卡門渦街現象的流場變化情況,根據卡門渦街現象中圓柱繞流的經典理論可知,渦街的每個單渦的頻率與繞流速度成正比,與圓柱體直徑成反比。針對本研究,隧道內活塞風風速波動程度類比于圓柱繞流經典理論中的單渦頻率,列車截面積類比于圓柱體直徑,可得活塞風風速波動程度與列車截面積呈負相關關系。

本文將不同阻塞比下隧道內穩定活塞風風速數值模擬結果與數學模型預測結果進行了對比,如表6所示。

由表6可知,待隧道內活塞風速度場穩定后,阻塞比與活塞風風速呈正相關關系,近似為一次函數關系:y=9.301x-0.638(R2=0.995 3),其中y為活塞風風速(m/s),x為阻塞比。本研究的數值模擬結果僅在α=0.4、0.6、0.8時才與數學模型的預測結果有較高的吻合度,推測當數值模擬中阻塞比較小時,即α=0.2、0.4、0.49時,列車僅對附近區域的活塞風速度場有較大的影響,而對隧道內整體活塞風速度場的影響較小。

5 結 論

通過對單洞單線類矩形區間隧道內一節B型地鐵列車勻速直線行駛時隧道內活塞風演化規律進行數值模擬分析和理論計算,得到的主要結論如下:

1) 當列車啟動并以速度為10 m/s勻速直線行駛時,隧道內活塞風風速逐漸增加,列車前端和尾端的活塞風風速大于隧道整體活塞風風速,列車車身周圍活塞風風速較低,最高活塞風風速出現在列車尾端負壓渦流區;當列車行駛時間達到35 s時,隧道內活塞風速度場趨于穩定,活塞風風速約為4.09 m/s,其與數學模型預測結果4.57 m/s相比較,誤差為-10.50%,可認為該數值模擬結果與數學模型預測結果相吻合。

2) 當列車經過隧道某斷面處時,首先列車前方貼近隧道壁面的低風速區抵達該斷面處,接著列車前端車身處向后快速流動的回流風抵達該斷面處,回流風風速先增大后緩慢減小,該斷面處回流風最大風速為9.75 m/s;當列車完全經過該斷面處時,該斷面處回流風風速急劇減小,接著該斷面處的回流風被與列車運行方向一致的活塞風取代,活塞風風速變化呈現波浪式,變化幅度逐漸減小,活塞風風速緩慢增大。

3) 通過對阻塞比分別為α=0.2、0.4、0.49、0.6、0.8情況下隧道內活塞風的演化規律進行數值模擬分析,結果表明:當阻塞比發生改變時,隧道內活塞風風速的變化趨勢是一致的,即隨著阻塞比的增大,隧道內活塞風風速增大,達到活塞風風速穩定所需的時間縮短,列車經過某斷面處引起的活塞風風速波動幅度增大,活塞風對隧道內機械通風的影響增強,待隧道內活塞風速度場穩定后阻塞比與活塞風風速呈正相關關系。

4) 列車行駛產生的活塞風會持續影響隧道機械通風的通風效果和換氣次數,本文得到的活塞風風速變化規律對《地鐵設計規范》中隧道內活塞風風速標準的制定具有一定的參考價值。此外,當地鐵隧道發生火災時,活塞風會顯著影響隧道內煙氣的蔓延與擴散,本研究結果可為地鐵隧道機械通風安全和地鐵消防設計中防排煙參數的設置和災情態勢預測提供依據,對人員安全疏散、應急救援預案制定具有一定的指導意義。