CFD在地鐵站臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張 丹

(建研科技股份有限公司，北京100013)

隨著現(xiàn)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化步伐的加快，交通擁擠成為現(xiàn)代化城市的重點(diǎn)問(wèn)題，城市交通堵塞等現(xiàn)象在很大程度上限制了城市的可持續(xù)發(fā)展。與此同時(shí)，城市地下鐵道因其運(yùn)量大、快速便捷、安全準(zhǔn)點(diǎn)、相對(duì)環(huán)境污染程度低以及綜合經(jīng)濟(jì)效率高等特點(diǎn)成為解決城市交通擁擠與堵塞問(wèn)題的有效交通工具[1-3]。隨著對(duì)地鐵空調(diào)系統(tǒng)研究的不斷深入以及計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，地鐵空調(diào)數(shù)值模擬也得到發(fā)展。在地鐵系統(tǒng)氣流組織研究方面，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了一些隧道空氣動(dòng)力學(xué)軟件，用于較復(fù)雜的隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)[4～6]。

1 CFD技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 ANSYSCFX軟件簡(jiǎn)介

本次模擬計(jì)算采用的軟件CFX是英國(guó)AEA技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的CFD軟件，兼有先進(jìn)的求解器和強(qiáng)大的前處理和后處理功能。它同時(shí)包括結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和復(fù)合網(wǎng)格，用計(jì)算松弛技術(shù)和壓力修正技術(shù)，先進(jìn)的多方程聯(lián)解法，使得模擬計(jì)算更可靠、快速準(zhǔn)確;用了較完整的菜單交互操作和完整的模擬定義構(gòu)成、模擬計(jì)算與分析、結(jié)果處理系統(tǒng)，使其更直觀、更便捷;在線幫助體系比較完善，在收斂和模擬計(jì)算上也有新發(fā)展。

1.2 控制方程和定解條件

空氣流動(dòng)控制方程，實(shí)際是對(duì)流擴(kuò)散作用下的物理量(質(zhì)量、動(dòng)量和能量等)的守恒定律，可用統(tǒng)一的通用微分方程式(1)表示[7]:

式中，φ代表速度、溫度以及湍流參數(shù)等物理量，上式代表流體流動(dòng)的動(dòng)量方程、能量方程以及湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率方程。對(duì)于實(shí)際物理問(wèn)題，需有定解條件才能封閉煙氣流控制微分方程組組，得出問(wèn)題的解。本次模擬以列車進(jìn)出站臺(tái)一次間隔3分鐘內(nèi)的時(shí)均分布情況為計(jì)算目標(biāo)，故簡(jiǎn)化為定常流動(dòng)，所涉及定解條件只含邊界條件[8～9]。

2 典型地鐵站臺(tái)模型簡(jiǎn)介

2.1 幾何模型描述

北京建國(guó)門地鐵站位于建國(guó)門內(nèi)大街與東二環(huán)交點(diǎn)處，是北京地鐵一號(hào)與二號(hào)線的換乘車站，地鐵站共有:A、B、C三個(gè)出入口。車站形式為島式車站，站廳布置在站臺(tái)兩端，根據(jù)該車站的空調(diào)負(fù)荷確定空調(diào)系統(tǒng)的送回風(fēng)方案見(jiàn)圖1所示。

圖1 建國(guó)門站一號(hào)線與二號(hào)線站臺(tái)空調(diào)方案簡(jiǎn)圖

站廳層設(shè)置送風(fēng)口，尺寸為1 500mm×400mm，一號(hào)線有10個(gè)，二號(hào)線有15個(gè)，回風(fēng)口尺寸為400mm×500mm，布置于人行出入通道兩側(cè)，站臺(tái)層采用上部送風(fēng)，軌頂排風(fēng)以及軌底回/排風(fēng)的氣流組織形式，站臺(tái)送風(fēng)口尺寸為1 500 mm×400 mm，一號(hào)線與二號(hào)線各有42個(gè)，軌頂排風(fēng)口尺寸定為1 000 mm×400 mm，各40個(gè)，位于軌道上方，軌底回/排風(fēng)口尺寸為400mm×500 mm，各80個(gè)，均勻布置于站臺(tái)板下方。

2.2 數(shù)值模型描述

本模擬設(shè)定車站候車站臺(tái)有效斷面尺寸為120 m×12 m;隧道尺寸為 150 m×4.1 m×4.3 m，列車尺寸為117 m×2.8 m×3.5 m。列車?yán)淠魑挥诹熊図敳?，制?dòng)電阻位于列車底部。人員站立于列車隧道邊界半米之外，模擬中簡(jiǎn)化為尺寸為100 m×1 m×1.7 m的長(zhǎng)方體。根據(jù)建國(guó)門站的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷，車站一號(hào)線站臺(tái)車站公共區(qū)總空調(diào)送風(fēng)量為22.7×104m3/h，其中補(bǔ)充新風(fēng)量為2.27×104 m3/h，二號(hào)線站臺(tái)公共區(qū)總空調(diào)送風(fēng)量為18.45×104 m3/h，其中補(bǔ)充新風(fēng)量為2.27×104 m3/h。根據(jù)站臺(tái)形式構(gòu)成及空調(diào)方案，建立的CFD模型如圖2所示。

圖2 建國(guó)門地鐵站CFD模擬物理模型

2.3 數(shù)值模擬定解條件

2.3.1 站臺(tái)各項(xiàng)發(fā)熱量設(shè)定

根據(jù)站臺(tái)各項(xiàng)熱源發(fā)熱量的計(jì)算方法計(jì)算出各項(xiàng)發(fā)熱量結(jié)果設(shè)定見(jiàn)表1。

2.3.2 有關(guān)溫度邊界設(shè)定

根據(jù)空調(diào)要求，設(shè)定典型時(shí)刻空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為32.1℃;空調(diào)工況下送風(fēng)溫度:21.336℃;隧道空氣溫度:35.779℃。

2.3.3 有關(guān)速度邊界設(shè)定

根據(jù)站臺(tái)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)回風(fēng)量及各風(fēng)口尺寸，各風(fēng)口速度設(shè)定見(jiàn)表2。

隧道口處活塞風(fēng)邊界條件根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)際測(cè)量，取典型模擬時(shí)刻活塞風(fēng)量的平均值，給定速度邊界條件見(jiàn)表3。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 速度場(chǎng)分析

圖3為站臺(tái)送風(fēng)口所在截面速度矢量分布圖;圖4為乘客候車平面呼吸高度線速度沿站臺(tái)長(zhǎng)度方向分布圖。圖中，速度單位均為m/s。

表1 模擬各熱源項(xiàng)邊界條件設(shè)置

表2 地鐵站各風(fēng)口速度設(shè)定

表3 本模擬隧道活塞風(fēng)邊界條件設(shè)置

由圖3、4分析可知，由于送風(fēng)口均勻布置，風(fēng)口間距相等，各送風(fēng)口的出風(fēng)速度也相等，一號(hào)線與二號(hào)線站臺(tái)送風(fēng)區(qū)域氣流混合較為均勻，不存在明顯的氣流“死區(qū)”，一號(hào)線站臺(tái)除了列車進(jìn)站端附近局部區(qū)域受列車進(jìn)站活塞風(fēng)影響空氣流速達(dá)到0.8 m/s之外，人體腳踝高度線沿站臺(tái)長(zhǎng)度方向速度分布波動(dòng)很小，在0.1 m/s～0.2 m/s之間波動(dòng)，由于列車發(fā)車頻率的不同，典型模擬時(shí)刻以內(nèi)一號(hào)線站臺(tái)候車區(qū)氣流速度受活塞風(fēng)影響相對(duì)二號(hào)線較大，二號(hào)線站臺(tái)大范圍區(qū)域人體腳踝高度線沿站臺(tái)長(zhǎng)度方向速度波動(dòng)在0.1 m/s～0.3 m/s范圍內(nèi)。

3.2 溫度場(chǎng)分析

圖5反映了站臺(tái)人員呼吸高度平面(即高出站臺(tái)地面1.65m平面)的溫度分布圖;圖6為站臺(tái)人員呼吸高度平面與站臺(tái)中部對(duì)稱面交線溫度分布沿站臺(tái)長(zhǎng)度方向的變化情況。圖中，溫度單位均為℃。

由圖5、6分析可知，建國(guó)門地鐵站調(diào)出站臺(tái)地面1.65m平面一號(hào)線與二號(hào)線站臺(tái)溫度分布均介于24.5～35.4℃之間。在乘客候車區(qū)的人員平均呼吸高度平面，大部分區(qū)域溫度可以維持在26-28℃范圍之內(nèi)，在列車進(jìn)站方向活塞風(fēng)對(duì)乘客候車區(qū)帶來(lái)的溫升較大，影響長(zhǎng)度為約20m。

3.3 空調(diào)區(qū)域舒適性分析

由PD的計(jì)算公式[10]可知，根據(jù)前述計(jì)算所得典型位置的空氣溫度和空氣流速，可得出相應(yīng)位置的人員不滿意率。圖7給出了乘客候車平面人員呼吸高度處人員不滿意率隨站臺(tái)長(zhǎng)度變化的分布情況，圖8給出了站臺(tái)中心人員呼吸高度線上人員不滿意率隨站臺(tái)長(zhǎng)度變化的分布圖。

溫度相同時(shí)，由于冷吹風(fēng)引起的不滿意率隨平均風(fēng)速的增大而增加;平均風(fēng)速相同時(shí)，不滿意率隨溫度的增加而減少。由圖7、8分析可知，站臺(tái)對(duì)稱面及乘客候車平面呼吸高度線沒(méi)站臺(tái)長(zhǎng)度方向的人員不滿意率呈明顯的波動(dòng)形式。除送風(fēng)口下方部分區(qū)域外，人員的不滿意率都在可以接受的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)典型的建國(guó)門地鐵站進(jìn)行簡(jiǎn)化模型，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYSCFX建立三維數(shù)學(xué)物理模型，給出合理邊界條件，分析軌道交通樞紐內(nèi)采用通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的混合系統(tǒng)氣流溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布、人員舒適性問(wèn)題，得出如下結(jié)論:

(1)地鐵站內(nèi)氣流分布相互影響、相互作用，通過(guò)通道和地下?lián)Q乘廳及樓梯等氣流相作用，設(shè)計(jì)方案下采用通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的地下站臺(tái)溫度比設(shè)計(jì)溫度偏低，送風(fēng)溫度可在前述溫度的基礎(chǔ)上有所提高或相同送風(fēng)溫度的條件下適當(dāng)降低送風(fēng)量?？照{(diào)系統(tǒng)以犧牲能耗為代價(jià)可換取環(huán)境更低的溫度分布，總體而言溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)及人員的舒適性均在可接受范圍內(nèi)，可獲得比較滿意的速度和溫度場(chǎng)和滿足乘客的短暫的舒適性要求。

(2)地鐵進(jìn)站時(shí)隧道活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)都有擾動(dòng)，使在靠近列車進(jìn)站端乘客候車區(qū)域溫度及速度都有所增加，但總體而言，活塞風(fēng)對(duì)整個(gè)候車站臺(tái)乘客熱舒適性的影響不大。

(3)地鐵內(nèi)熱源的分布影響氣流的分布，列車?？颗c人員候車區(qū)域，溫度高于其他區(qū)域，越往非候車區(qū)域溫度呈降低，并在同一時(shí)間段具備相同的變化趨勢(shì)。

(4)采用數(shù)值模擬方法(CFD)可以很好地對(duì)復(fù)雜的軌道交通樞紐的通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析，起到對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而為設(shè)計(jì)出合理的氣流組織和提高人員的室內(nèi)舒適性提供參考。

[1]張慶賀，朱合華，莊榮等.編著地鐵與輕軌[M].北京:北京人民交通出版社，2002.

[2]潘海嘨等.城市交通方式和多模式間的轉(zhuǎn)換[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2003.

[3]王冬梅，姜帆.城市大型客運(yùn)交通樞紐國(guó)民經(jīng)濟(jì)效率分析[J].數(shù)量經(jīng)濟(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究，2003(7):40～43.

[4] Ming-Tsun Ke，Tsung-Che Cheng，Wen-Por Wang.Numerical Simulation for Optimizing The Design of Subway Environmental Control System[J].Building And Environmental，2002，37:1139-1152.

[5] Shih-cheng HU，Jen-Ho Lee.Influence of platform screen doors on energy consumption of the environment control system of a mass rapid transit system:case study of the TaipeiMRT system[J].Energy Conversion and Management.2004，45:639 ～650.

[6] Chan Young Yoo，Yong Hyun Chung，Jeong Hee Han.Asbestos exposure among Seoulmetropolitan subway workers during renovation of subway air-conditioning systems[J].Environment International，2003，29:931 ～ 934.

[7]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)(第二版)[M].西安交通大學(xué)出版社，2001.

[8]楊向勁，地鐵側(cè)式站臺(tái)空調(diào)方案CFD模擬[D].天津:天津大學(xué)，2003.

[9]王峰一，地鐵島式站臺(tái)通風(fēng)CFD模擬[D].天津:天津大學(xué)，2002.

[10]巨永平，馬九賢.氣流運(yùn)動(dòng)及其熱舒適關(guān)系研究的進(jìn)展與評(píng)述[J].暖通空調(diào)，1999，29，17-30.