不同湍流模型模擬地鐵站臺氣流組織比較

劉 庚 劉 磊 張 鑫 王新軻

(1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 西安 710016;2.北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037;3.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院 西安 710049)

不同湍流模型模擬地鐵站臺氣流組織比較

劉 庚1劉 磊2張 鑫3王新軻3

(1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 西安 710016;2.北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037;3.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院 西安 710049)

以某地鐵站臺為例，利用計(jì)算流體力學(xué)方法，采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型、RNGk－ε模型、混合長度零方程模型、Chen零方程模型以及v2f模型，對其通風(fēng)系統(tǒng)下站臺、站廳內(nèi)的溫度場和速度場進(jìn)行數(shù)值模擬。通過對不同模型下結(jié)果的比較分析，發(fā)現(xiàn)Chen零方程湍流模型在較少的收斂迭代次數(shù)下，能夠得到與標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型和RNGk－ε模型較為接近的流場和溫度場，而混合長度零方程模型和近年來興起的v2f模型則與其他模型的計(jì)算結(jié)果有較大差異。結(jié)果表明，在對地鐵站臺建立熱環(huán)境數(shù)值模型時，湍流模型的選擇也需謹(jǐn)慎。

地鐵;站臺;計(jì)算流體力學(xué);湍流模型;熱環(huán)境;數(shù)值模擬

1 研究背景

地鐵作為緩解城市交通壓力的重要手段，在國內(nèi)一些大城市的發(fā)展中日益受到重視。在修建地鐵的過程中，車站站臺的環(huán)境控制設(shè)計(jì)尤為重要，地鐵內(nèi)空氣運(yùn)動方向和速度大小以及空氣溫度高低直接影響站臺候車人員的舒適度。因此，在地鐵真正實(shí)施建設(shè)之前，對各種環(huán)境控制方案下的流場和溫度場進(jìn)行科學(xué)可靠的計(jì)算模擬和分析，避免投資過大反而效果不好的問題是非常必要的。由于地鐵站臺空間較大，流場既受到站臺通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的影響，也受到隧道活塞風(fēng)的影響，所以情況較為復(fù)雜。國際上發(fā)展相對較為成熟的地鐵環(huán)控模擬軟件SES［1］，可提供車站、區(qū)間、通風(fēng)井和風(fēng)機(jī)的空氣速度、溫度和濕度的動態(tài)模擬;清華開發(fā)的地鐵熱環(huán)境模擬軟件STESS，可對不同通風(fēng)方案下及地鐵運(yùn)行時期的地鐵區(qū)間及站臺熱環(huán)境進(jìn)行模擬［2］。上述兩類軟件的原理主要是基于網(wǎng)絡(luò)法，因此無法預(yù)測通風(fēng)時站臺內(nèi)的熱環(huán)境空間分布。近年來，由于計(jì)算機(jī)硬件的迅速發(fā)展，使得利用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)方法預(yù)測站臺內(nèi)氣流組織、優(yōu)化通風(fēng)方案成為可能。但在大多數(shù)文獻(xiàn)中，利用CFD進(jìn)行模擬時，湍流模型基本上采用CFD軟件中的默認(rèn)模型，對選擇不同湍流模型對模擬結(jié)果造成的影響鮮有考慮［3］。在室內(nèi)小空間內(nèi)的研究表明，不同湍流模型模擬室內(nèi)氣流的結(jié)果會有很大差異［4］。下面擬比較不同湍流模型模擬地鐵站臺氣流組織的結(jié)果，評估其差異。

2 幾何模型

本研究的模擬對象為文獻(xiàn)［5］中所提到的天津地鐵下瓦房站。該站為典型雙層島式站臺，整個車站站臺全長120 m(x方向)，寬 19.2 m(y方向)，高 8.13 m(z方向)。下層為站臺層，站臺寬11 m;上層為站廳層。站廳、站臺采用均勻上送風(fēng)，站臺車行道頂部和站臺下集中回/排風(fēng)，站廳不設(shè)回風(fēng)口。站臺層和站廳層之間有3個樓梯連接，站廳層有4個出/進(jìn)站口和外界相通。基于文獻(xiàn)［5］的描述，建立幾何模型如圖1所示。站廳層只設(shè)送風(fēng)口，尺寸為600 mm×300 mm，共64個，布置在距站廳底部裝修面3.0 m的高度上。站臺層采用上送風(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700 mm×350 mm，共72個，分兩排均勻布置在距站臺地板3.0 m高度的地方。

軌頂排風(fēng)口尺寸為1000mm×500mm，共108個，距站臺板3.0m。軌底回/排風(fēng)口尺寸為500 mm×300mm，兩排共120個，均勻布置在站臺板下面。在站臺兩側(cè)距站臺邊緣約200 mm的位置，設(shè)有平均高度1.4 m的安全門。

圖1 車站幾何模型

3 邊界條件

按照文獻(xiàn)［5］中所提到的車站，邊界條件設(shè)置如下。

3.1 溫度邊界條件(實(shí)測值)

壁面溫度為24.3℃(頂部除外)，隧道空氣溫度為

25.3℃;通風(fēng)工況下送風(fēng)口的送風(fēng)溫度25.2℃。

3.2 速度邊界條件(實(shí)測值)

活塞風(fēng)的速度值取現(xiàn)場實(shí)測時間段內(nèi)的累計(jì)平均值:站廳送風(fēng)口的送風(fēng)速度1.98 m/s，站臺送風(fēng)口的送風(fēng)速度1.87 m/s，列車軌頂?shù)呐棚L(fēng)速度0.67 m/s，站臺底部排風(fēng)口的排風(fēng)速度0.85 m/s，列車進(jìn)站口的活塞風(fēng)速度3.1 m/s，列車對面出站口的活塞風(fēng)速度 0.5 m/s，列車進(jìn)站口的相鄰隧道活塞風(fēng)速度1.08 m/s，列車進(jìn)站口的斜對面隧道活塞風(fēng)速度0.6 m/s。

3.3 熱源設(shè)定

1)人員散熱量:車站內(nèi)人員顯熱散熱量，站臺人員負(fù)荷為44 kW。

2)列車發(fā)熱量:基于文獻(xiàn)［5］，按6節(jié)編組列車考慮，冷凝器散熱位于列車的頂部，大約有320 kW冷凝熱。制動電阻的散熱位于列車的底部，列車停站時，既有站列車平均有200 kW左右的制動電阻散熱量散發(fā)到車站，冷凝器和制動電阻均可看作是沿軌道方向均勻散熱的熱源。

3)照明燈具散熱量:在車站公共區(qū)為13 W/m2(由鐵三院提供數(shù)據(jù))，位于站臺層和站廳層頂部。

4)廣告燈箱散熱量:在地鐵站臺為30kW(由鐵三院提供數(shù)據(jù))，散熱位置在地鐵站臺的側(cè)墻壁上。

4 物理模型

流場和溫度場的控制方程可統(tǒng)一表述為

式中，各參數(shù)的含義可參見文獻(xiàn)［6］，此處不再贅述。

與湍流模擬相關(guān)湍流黏性系數(shù)μt的獲得需要求解湍流模型。筆者比較了5種湍流模型，即混合長度零方程模型［6］、Chen 零方程模型［7］、標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型［6］、RNGk-ε 模型［6］以及v2f模型［8-9］。

網(wǎng)格劃分:用四面體對幾何模型進(jìn)行劃分，共生成913 378個網(wǎng)格，網(wǎng)格最小尺寸為0.2 m，并經(jīng)過了網(wǎng)格依賴性驗(yàn)證，能夠滿足精度要求。

5 結(jié)果比較

5.1 橫截面x=40 m的速度場比較

由于空間較大，沿著x方向的流場不易全局展現(xiàn)，此處僅用x=40 m橫截面(普通截面，不存在樓梯口等特殊邊界)上的圖為例來比較不同湍流模型計(jì)算出的速度場，見圖2?？梢钥闯?，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型以及Chen零方程模型，計(jì)算出來的流場比較接近，在站臺層人員活動區(qū)均有3個漩渦存在，且位置也較為一致;混合長度零方程模型計(jì)算出來的左側(cè)漩渦非常不明顯，右側(cè)兩個漩渦則較為明顯;v2f模型計(jì)算出來的左側(cè)因隧道活塞流對其影響非常大，漩渦并沒有形成，且速度較高。

圖2 不同湍流模型計(jì)算x=40 m的橫截面流場

5.2 沿著x方向的速度和溫度場變化

選取通過y=14.6 m、z=3.18 m 以及y=14.6 m、z=6.58 m沿著x方向的直線，分別代表右側(cè)站臺人員活動區(qū)人的頭部位置和站廳人員活動區(qū)人的頭部位置，圖3和圖4為不同湍流模型計(jì)算出來的速度分布。從中可見，在站臺層長度方向60～120 m的空間內(nèi)，除v2f模型外，其他模型的計(jì)算結(jié)果較為接近，但在前半段空間內(nèi)，所有模型的計(jì)算結(jié)果均相差不大，這也與圖2站臺層右半邊的流場較為接近。站廳層的規(guī)律與站臺層的規(guī)律類似，但RNGk-ε模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型間的差距要大一些。這主要是因?yàn)镽NGk-ε模型比較適合于低速流動，而站臺層由于活塞風(fēng)的作用，流速較高，故兩者之間的差距不大，但站廳層整個空間內(nèi)的速度都不大，因此RNGk-ε模型計(jì)算低速流場的特性就顯示了出來，圖5和圖6分別給出了這兩條直線上溫度隨x的變化?？梢钥闯觯瑢φ九_層，混合長度零方程模型計(jì)算得到的溫度與其他模型間存在不小的差距，偏低約2℃;而對于站廳層，v2f模型與其他模型的模擬結(jié)果普遍有較大差異，在90～120 m空間內(nèi)，除了Chen零方程模型與混合長度零方程模型較為接近，其他模型間都存在較大差異。

圖3 站臺通過y=14.6 m、z=3.18 m沿x方向的速度分布

圖4 站廳通過y=14.6 m、z=6.58 m沿x方向的速度分布

圖5 站臺通過y=14.6 m、z=3.18 m沿x方向的溫度分布

圖6 站臺通過y=14.6 m、z=3.18 m沿x方向的溫度分布

5.3 整個車站的平均溫度及各模型迭代次數(shù)

表1給出了5種模型計(jì)算得到的整個車站內(nèi)的平均溫度和迭代次數(shù)。從中可以看出，盡管本文第5.2節(jié)所說不同模型計(jì)算在兩條直線上所得的結(jié)果存在較大差異，但從整體來看，5種模型得到的平均值差異很小。這主要是因?yàn)椴徽摬捎媚姆N湍流模型，整個計(jì)算均滿足能量守恒方程，因此其平均溫度不會有太大的差異，差異主要體現(xiàn)在溫度的空間分布。從迭代次數(shù)來看，在這幾類模型中，兩類零方程模型較為簡單，也較容易收斂。

表1 不同湍流模型計(jì)算整個車站平均溫度和迭代次數(shù)

6 結(jié)語

通過對上述模擬結(jié)果的比較分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)整體比較而言，Chen零方程模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，不論是在整體還是在局部都有較為接近的結(jié)果，同時迭代次數(shù)較少，計(jì)算效率較高，是標(biāo)準(zhǔn)k-ε較好的替代模型。

2)RNGk-ε模型在地鐵站臺速度較高區(qū)域，與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型較為接近，但在速度較低的空間內(nèi)存在一定的差異。

3)v2f模型與其他常見的模型計(jì)算相比，無論是速度場還是溫度場，均存在不小的差異。在某些斷面上，基本流形都與其他模型有較大差異，特別是在某些活塞風(fēng)較大的區(qū)域，所獲得的結(jié)果更顯出活塞風(fēng)的影響。

當(dāng)然，由于本研究中的模擬結(jié)果缺乏與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的比較，因此在用不同湍流模型計(jì)算地鐵通風(fēng)系統(tǒng)氣力組織和溫度場時，對可靠性并沒有給出評判，還有待做更進(jìn)一步的研究。

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Comparison between Simulated Subway Station Thermal Environments by
Different Turbulence Models

Liu Geng1Liu Lei2Zhang Xin3Wang Xinke3
(1.Xi’an Metro Company Limited，Xi’an 710016;2.Beijing Urban Engineering Design ＆ Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100037;3.School of Human Settlement and Civil Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049)

Abstract:For a subway station in Tianjin，temperature fields and velocity fields were simulated by a computational fluid dynamics(CFD)method adopting 5 turbulence models including the standardk-εmodel， RNGk-εmodel，mixing length zero equation model，Chen’s zero equation model andv2fmodel.A comparison between the simulated results showed that the flow field and temperature field obtained by Chen’s zero equation turbulence model was close to that by the standardk-εmodel and RNGk-εmodel with less iteration steps while the results by mixing length equation model andv2fmodels were distinct from those by the above three models.Therefore，it should be careful to choose turbulence models when thermal environment is simulated by CFD method.

Key words:subway stations;CFD;turbulence models;thermal environment;numerical simulation

U231.5

A

1672-6073(2012)02-0049-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.013

收稿日期:2011-07-01

2011-07-22

作者簡介:劉庚，男，工程師，從事地鐵站臺設(shè)計(jì)理論與技術(shù)的研究，wangxinke@mail.xjtu.edu.cn

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)項(xiàng)目(xjj20100138)

(編輯:郭 潔)