基于動(dòng)網(wǎng)格的地鐵活塞效應(yīng)非穩(wěn)態(tài)氣流模擬

由世俊，薛 鵬，張 歡

基于動(dòng)網(wǎng)格的地鐵活塞效應(yīng)非穩(wěn)態(tài)氣流模擬

由世俊，薛 鵬，張 歡

(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

活塞效應(yīng)是影響地鐵隧道和站臺(tái)氣流非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的主要因素，為此采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)氣流進(jìn)行分析．其中，實(shí)驗(yàn)選在裝有安全門的運(yùn)行車站，并記錄列車運(yùn)行時(shí)的測(cè)點(diǎn)風(fēng)速．?dāng)?shù)值研究基于實(shí)驗(yàn)車站的全尺寸模型，并利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)其模擬．研究結(jié)果表明，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程的模擬方法結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，證明其適用于高雷諾數(shù)的隧道模擬研究．研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，活塞風(fēng)在站臺(tái)前后兩個(gè)聯(lián)接處(迂回風(fēng)道和活塞豎井)中表現(xiàn)出比較穩(wěn)定的分流和吸風(fēng)比率，且無論在開式系統(tǒng)還是閉式系統(tǒng)狀態(tài)下，進(jìn)入迂回風(fēng)道和吹入站臺(tái)的風(fēng)量是成特定比例關(guān)系的．

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程；活塞風(fēng)閥；迂回風(fēng)道；全尺寸模型；分流比率

隨著城市地鐵的快速發(fā)展，人們?cè)絹碓疥P(guān)注地鐵車站的環(huán)境，包括空氣溫度、濕度、速度、壓力及噪聲等．為人們提供舒適和健康環(huán)境的地鐵車站的環(huán)控系統(tǒng)很大程度上受到由列車引起的活塞效應(yīng)的影響[1]．

許多學(xué)者對(duì)地鐵活塞效應(yīng)引起的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)有所研究，Wang等[2]用理論方法研究了活塞效應(yīng)．Bao等[3]通過FLUENT數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了活塞效應(yīng)的形成過程．Kim等[4-5]通過數(shù)值模擬分析了豎井位置對(duì)通風(fēng)能力的影響．Lin等[6]通過SES分析了活塞豎井的長(zhǎng)度對(duì)隧道通風(fēng)的影響．Juraeva等[7]通過CFX分析隧道熱風(fēng)幕安裝的相對(duì)最佳位置．Huang等[8-9]通過FLUENT分析隧道中的氣流，并分析了豎井?dāng)?shù)量和位置對(duì)隧道通風(fēng)的影響；此后他對(duì)首爾的實(shí)際車站進(jìn)行了模擬分析，并將結(jié)果與1∶20的模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比．但是縮小模型和實(shí)物很難保證雷諾數(shù)和格拉曉夫數(shù)的一致[10]，所以對(duì)于地鐵數(shù)值模擬研究最可靠的就是用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證．

在我國(guó)北方的大部分城市，地鐵站臺(tái)經(jīng)常使用全高安全門系統(tǒng)，這會(huì)留出0.5,m高的空間使隧道和站臺(tái)之間進(jìn)行氣流交換[11]．如果合理利用這部分氣流交換，不僅可以提高站臺(tái)內(nèi)的空氣質(zhì)量和舒適度，還可以達(dá)到一定的節(jié)能效果．Jia等[12]用數(shù)值方法研究了氣流在隧道和車站內(nèi)的特性．Ke等[13]結(jié)合SES和PHOENICS優(yōu)化設(shè)計(jì)了地鐵環(huán)控系統(tǒng)．當(dāng)帶有活塞豎井和安全門的車站物理模型得到驗(yàn)證后，使用數(shù)值方法研究車站的非穩(wěn)態(tài)氣流特性得到的結(jié)果可以代替實(shí)驗(yàn)作為研究分析的依據(jù)．

筆者主要研究地鐵活塞效應(yīng)帶來的非穩(wěn)態(tài)氣流對(duì)車站環(huán)境的影響．本文根據(jù)沈陽(yáng)地鐵1號(hào)線太原街站的圖紙建立全尺寸的物理模型，列車的進(jìn)站、?？俊⒊稣镜倪\(yùn)動(dòng)過程利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行模擬；模擬結(jié)果用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證；進(jìn)而分析活塞風(fēng)在隧道與迂回風(fēng)道和活塞豎井聯(lián)接處的氣流分流比率及吸風(fēng)比率．

1 實(shí)驗(yàn)方法

沈陽(yáng)地鐵冬季采用閉式系統(tǒng)(活塞風(fēng)閥關(guān)閉)，夏季采用開式系統(tǒng)．由于地鐵的活塞效應(yīng)會(huì)影響到整個(gè)車站，尤其是車站出入口和活塞豎井．本實(shí)驗(yàn)在太原街站布置了幾個(gè)測(cè)點(diǎn)，目的是測(cè)量列車運(yùn)行對(duì)車站出入口和活塞豎井的氣流影響．

實(shí)驗(yàn)選擇的太原街站位于地鐵線路中段，屬于典型車站．站臺(tái)層長(zhǎng)114,m，寬9.8,m，高5,m；站廳層長(zhǎng)94,m，寬17.3,m，高5,m．區(qū)間隧道寬度為5.4,m，站臺(tái)兩側(cè)隧道寬3.75,m．沈陽(yáng)地鐵列車由6節(jié)車廂組成，共長(zhǎng)118,m．車頭的迎風(fēng)面積為8.82,m2(寬2.8,m，高3.15,m)．太原街站在車站兩頭各有一個(gè)活塞豎井，豎井高5,m，寬5.2,m，豎井頂部的百葉窗通風(fēng)面積為20,m2．站臺(tái)屏蔽門的高度為2.5,m，車站出口的尺寸與工程圖紙相同，具體物理模型如圖1所示．

圖1 太原街站的物理模型Fig.1 Geometrical model of TYJ station

實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，活塞風(fēng)閥全部打開．風(fēng)速的測(cè)量利用高精度多功能TSI Q-Trak．熱球傳感器的誤差范圍為±0.02,m/s，計(jì)數(shù)周期為1,s．活塞風(fēng)閥至通風(fēng)百葉的距離為82,m．活塞豎井2的布局如圖1右側(cè)，在距活塞風(fēng)閥30,m處標(biāo)出了測(cè)點(diǎn)3．出口A和B與站廳的距離都為65,m，測(cè)點(diǎn)1和2也都設(shè)置在距離出口30,m處．每個(gè)測(cè)試點(diǎn)平行放置3臺(tái)儀器，測(cè)點(diǎn)高度均為1.5,m，并設(shè)置在直管段，降低氣流漩渦等因素帶來的干擾．實(shí)驗(yàn)時(shí)間為14：00—17：00點(diǎn)，車站人流避著測(cè)量?jī)x器行走且密度較小，故忽略客流對(duì)測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的影響．實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示．

實(shí)驗(yàn)時(shí)，測(cè)試人員分為4組：2組分別測(cè)出口A和出口B的風(fēng)速；1組測(cè)活塞豎井的風(fēng)速；1組記錄列車進(jìn)站和出站的時(shí)間．實(shí)驗(yàn)中所有的設(shè)備均在測(cè)試前進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)．其中，定義列車進(jìn)站時(shí)間為列車停站的時(shí)間點(diǎn)；出站時(shí)間為列車啟動(dòng)離站的時(shí)間點(diǎn)．

圖2 出口實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Measurement setup for exit

2 數(shù)值方法

2.1 假 設(shè)

活塞效應(yīng)是引起非穩(wěn)態(tài)湍流的主要因素，為對(duì)氣流進(jìn)行定量分析，做以下假設(shè)：

(1) 在模擬中，只考慮1輛列車的行駛，不考慮隧道對(duì)面來車的共同作用；

(2) 活塞效應(yīng)是唯一影響車站氣流的因素，不考慮機(jī)械通風(fēng)和人流的影響．

2.2 數(shù)學(xué)模型的設(shè)置

采用FLUENT6.3.26軟件計(jì)算列車運(yùn)行時(shí)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，并采用連續(xù)性方程、雷諾時(shí)均-納維葉斯托克斯和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方程進(jìn)行求解．其相應(yīng)的運(yùn)輸方程為

式中：Φ是通項(xiàng)，可以代表分速度矢量u、湍動(dòng)能系數(shù)k、湍動(dòng)能耗散率ε；ρ為氣體密度，kg/m3；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；SΦ為Φ的源項(xiàng)．

筆者利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)來模擬列車的進(jìn)站和出站過程．在FLUENT6.3.26中，有3種模型可以定義動(dòng)邊界：彈性光滑模型、動(dòng)態(tài)分層模型和局部重畫模型．考慮到列車的運(yùn)動(dòng)特性和大量的網(wǎng)格，經(jīng)過試算，本研究同時(shí)利用后兩種模型進(jìn)行模擬．這樣，列車運(yùn)行的每一步動(dòng)態(tài)結(jié)果將由FLUENT在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)通過調(diào)整網(wǎng)格來計(jì)算．

網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，隧道網(wǎng)格間隔設(shè)置為0.3,m，列車邊界設(shè)置為0.2,m，車站設(shè)置為0.4,m，活塞豎井設(shè)置為0.5,m，網(wǎng)格總數(shù)為453.2× 104，時(shí)間步長(zhǎng)為0.005,s，總模擬列車運(yùn)行時(shí)間為110,s．列車的初速度為20.68,m/s，持續(xù)1,s．此后列車減速運(yùn)動(dòng)，減速度為0.94,m/s2，持續(xù)22,s直至列車停站．期間列車運(yùn)行距離為248,m．列車停站63,s后，加速駛離車站．加速度為0.83,m/s2并在運(yùn)行24,s后達(dá)到19.92,m/s，運(yùn)行距離239,m．這些邊界條件被編譯成用戶自定義函數(shù)，讀入到計(jì)算軟件中．列車后方的隧道口被設(shè)為壓力入口，其他所有的出口被視為壓力出口．選用SAMPLE算法對(duì)速度-壓力進(jìn)行耦合求解，選用標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)壓力進(jìn)行矯正．密度、動(dòng)量、湍動(dòng)能的離散使用一階方程．對(duì)于非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的分析，時(shí)間離散采用一階隱式．

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性，將3個(gè)測(cè)點(diǎn)的模擬數(shù)據(jù)同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示．其中，正值表示出風(fēng)，負(fù)值表示進(jìn)風(fēng)；實(shí)驗(yàn)值是3次無對(duì)面來車實(shí)驗(yàn)的平均值．停車期間的實(shí)驗(yàn)及模擬數(shù)據(jù)集中表現(xiàn)在圖中深色區(qū)域．

圖3 測(cè)點(diǎn)的模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.3Comparison between numerical and experimental results

如圖3所示，數(shù)值計(jì)算方法能比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)風(fēng)速隨時(shí)間的變化趨勢(shì)．在圖3(a)和(b)中，出口流速隨著列車的減速而下降．由于流體緩沖作用和列車啟動(dòng)時(shí)較小的吸風(fēng)效果，出口風(fēng)向在啟動(dòng)后20,s才改變．就平均速度而言，測(cè)點(diǎn)1模擬數(shù)據(jù)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)小13.5%，測(cè)點(diǎn)2模擬數(shù)據(jù)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大12.5%．在活塞豎井中的測(cè)點(diǎn)3，模擬數(shù)據(jù)較好地吻合了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．風(fēng)向變化發(fā)生在列車經(jīng)過活塞風(fēng)閥的過程中，具體時(shí)間點(diǎn)為102.5,s．

通過以上對(duì)比，數(shù)學(xué)模型得到了很好的驗(yàn)證，說明標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程適用于高雷諾數(shù)的地鐵氣流非穩(wěn)態(tài)動(dòng)網(wǎng)格模擬．

3.2 活塞風(fēng)的分流比率和吸風(fēng)比率

3.2.1 開式系統(tǒng)中的分流比率和吸風(fēng)比率

當(dāng)?shù)罔F運(yùn)行時(shí)，活塞效應(yīng)產(chǎn)生的壓力波會(huì)將活塞風(fēng)沿著隧道吹向站臺(tái)，對(duì)站臺(tái)空氣造成很大的影響，如圖4所示．

圖4 活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)氣流的影響Fig.4 Influence of piston effect on platform

圖4 顯示，在列車進(jìn)站時(shí)(t=9,s)，由安全門上方進(jìn)入站臺(tái)的風(fēng)速最高可以達(dá)到5.4,m/s，這將會(huì)造成人們的不舒適．所以在開式系統(tǒng)中，車站兩頭的活塞豎井和迂回風(fēng)道承擔(dān)了分流的作用．在開式系統(tǒng)中，活塞風(fēng)在隧道聯(lián)接處分流，流向豎井、迂回風(fēng)道和站臺(tái)方向．圖5(a)為活塞風(fēng)在聯(lián)接1處的分流情況(t=5.4,s)．通往站臺(tái)方向的風(fēng)會(huì)分流到站臺(tái)或留在站臺(tái)隧道．與此相反，當(dāng)列車離站的時(shí)候，列車尾部的負(fù)壓會(huì)從豎井、迂回風(fēng)道和車后隧道吸風(fēng)．圖5(b)為活塞風(fēng)在聯(lián)接2處的吸風(fēng)情況(t=105,s)．圖中列車沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)．

圖5 聯(lián)接處的物理模型Fig.5 Geometrical model of links in tunnel

將圖5中標(biāo)示出的各截面氣體質(zhì)量流量進(jìn)行對(duì)比分析可得活塞風(fēng)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)在聯(lián)接處的分流比率和吸風(fēng)比率．各面流量結(jié)果如圖6所示，其中流量以x軸和y軸的正方向?yàn)檎?/p>

如圖6所示，整個(gè)地鐵運(yùn)行過程被分為7個(gè)時(shí)間段．需要說明的是，在停站時(shí)段4(23～86,s)中氣流趨于穩(wěn)態(tài)，用于分析分流比率的數(shù)據(jù)顯示在圖中前23,s，分析吸風(fēng)比率的數(shù)據(jù)顯示于后24,s．而由于氣流的緩沖作用，流向站臺(tái)的氣流流量不能用出口的流量簡(jiǎn)單疊加，而是由流經(jīng)Tu1和Tu2的流量進(jìn)行計(jì)算，即

式中：,pmq為流向站臺(tái)的氣流質(zhì)量流量，kg/s；,t1mq為聯(lián)接1處流經(jīng)Tu1面的質(zhì)量流量，kg/s；,t2mq為聯(lián)接2處流經(jīng)Tu2面的質(zhì)量流量，kg/s．

在時(shí)段1(0,s＜t＜6,s)中，列車向聯(lián)接1處行駛，每個(gè)面的流量相關(guān)性很高．經(jīng)過計(jì)算，在聯(lián)接1處的活塞風(fēng)量與分流比率見表1．圖6中的點(diǎn)Ⅰ是列車頭經(jīng)過聯(lián)接1的時(shí)間點(diǎn)，流向發(fā)生變化是因?yàn)檐嚭退淼乐g的間隙被反方向的氣流占據(jù)．在時(shí)段2(6,s＜t＜17,s)中，列車通過聯(lián)接1，由于列車減速和流體的黏性，活塞效應(yīng)減小，車身表面的風(fēng)速與列車同向，截面的氣流方向也逐漸變?yōu)檎颍c(diǎn)Ⅱ是列車尾部駛離聯(lián)接1的時(shí)間點(diǎn)，列車尾部的負(fù)壓區(qū)作用立刻體現(xiàn)出來．在時(shí)段3(17,s＜t＜23,s)中，列車駛過聯(lián)接1并進(jìn)站停車，隨著列車減速，吸風(fēng)作用隨之下降．

圖6 開式系統(tǒng)各截面的空氣質(zhì)量流量Fig.6 Mass flow rate of the each channel in open system

表1 時(shí)段1中聯(lián)接1處的風(fēng)量與分流比率Tab.1 Mass flow rate and diversion ratio of each channel in period 1

與此相似，在時(shí)段5(86,s＜t＜94,s)中，列車啟動(dòng)并駛向聯(lián)接2，隨著列車加速，吸風(fēng)作用隨之增加．點(diǎn)Ⅲ是列車頭經(jīng)過聯(lián)接2的時(shí)間點(diǎn)，與點(diǎn)Ⅰ相同，流向發(fā)生了改變．在時(shí)段6(94,s＜t＜105,s)中，列車通過聯(lián)接2，隨著列車速度的增加，活塞效應(yīng)變大，流量也越來越大．點(diǎn)Ⅳ是車尾駛離聯(lián)接2的時(shí)間點(diǎn)，活塞效應(yīng)的吸風(fēng)作用充分表現(xiàn)出來，在此之后的時(shí)段7(105,s＜t＜110,s)中，列車駛離聯(lián)接2并駛向下一站，隨著車速的提高，吸風(fēng)作用增加．經(jīng)過計(jì)算，聯(lián)接2處在此時(shí)間段中的吸風(fēng)比率見表2．

3.2.2 閉式系統(tǒng)中的分流比率和吸風(fēng)比率

我國(guó)北方地鐵系統(tǒng)在冬季會(huì)采取閉式運(yùn)行，這時(shí)活塞風(fēng)閥全部關(guān)閉，起不到分流和通風(fēng)的作用．閉式運(yùn)行時(shí)各個(gè)截面的氣體流量如圖7所示，列車運(yùn)行狀態(tài)和開式系統(tǒng)相同．

由圖7得知，在閉式運(yùn)行時(shí)，迂回風(fēng)道和進(jìn)入站臺(tái)的風(fēng)量同時(shí)增加，趨勢(shì)一致．在時(shí)段1中，活塞風(fēng)量與分流比率見表1．在時(shí)段7中，活塞風(fēng)量與吸風(fēng)比率見表2.

由表2可以看出，閉式運(yùn)行時(shí)各截面風(fēng)量和吸風(fēng)比率均有增加，但是分流通道之間的流量比例卻相對(duì)穩(wěn)定．其中分流時(shí)，迂回風(fēng)道的風(fēng)量始終是去站臺(tái)方向風(fēng)量的1.5～1.6倍，進(jìn)入站臺(tái)的風(fēng)量是留在站臺(tái)隧道風(fēng)量的1.3～1.4倍；吸風(fēng)時(shí)，從車后隧道吸入的風(fēng)量是從迂回風(fēng)道吸入風(fēng)量的5.3～5.4倍，其中從站臺(tái)隧道吸入的風(fēng)量是從站臺(tái)吸入風(fēng)量的2.0～2.1倍．

圖7 閉式運(yùn)行和開式運(yùn)行時(shí)各截面流量對(duì)比Fig.7 Comparison of mass flow rate of each channel in open and close systems

表2 時(shí)段7中聯(lián)接2處的風(fēng)量與吸風(fēng)比率Tab.2 Mass flow rate and suction ratio of each channel in period 7

4 結(jié) 論

(1) 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型適用于由地鐵活塞效應(yīng)引起的高雷諾數(shù)非穩(wěn)態(tài)氣流動(dòng)網(wǎng)格模擬．

(2) 在開式系統(tǒng)中，活塞風(fēng)在站臺(tái)前后2個(gè)聯(lián)接處(迂回風(fēng)道和活塞豎井)表現(xiàn)出比較穩(wěn)定的分流比率和吸風(fēng)比率．其中站臺(tái)與隧道之間的換氣量約為活塞效應(yīng)引起通風(fēng)量的20%．

(3) 在閉式系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，活塞風(fēng)閥關(guān)閉，其他通道的流量和比率較開式系統(tǒng)均有所增加．但通道之間的流量比例相對(duì)穩(wěn)定．

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(責(zé)任編輯：趙艷靜)

Numerical Simulation of Unsteady Airflow in Subway Influenced by Piston Effect Based on Dynamic Mesh

You Shijun，Xue Peng，Zhang Huan
(School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Piston effect has great influence on unsteady airflow in the subway station and tunnel. In this paper，in-situ measurement data and computational fluid dynamics(CFD)method are used to analyze the three-dimensional unsteady air flow in the subway station and tunnel. The experimental analysis of train-induced unsteady flow was conducted in a real station with platform bailout doors(PBD)and air velocity variations with time were recorded. Dynamic mesh method is used for the full-scale model in the unsteady numerical analysis. The results indicate that standard k-ε equation is appropriate for the simulation of the high Reynolds number airflow in tunnel and station as it agrees well with the experimental data. There exist specific diversion and suction ratios in each channel of the airflow for piston wind. And the proportion between bypass duct and platform is stable in either open system or close system. The results of this study can be utilized as basic data for operating tunnel ventilation systems.

standard k-ε equation；draught relief shaft；bypass duct；full-scale model；diversion ratio

TU834

A

0493-2137(2014)02-0168-06

10.11784/tdxbz201207062

2012-07-23；

2012-10-19.

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAJ08B08-2).

由世?。?955— ），男，教授.

由世俊，yousj@tju.edu.cn.