地鐵運營初期關(guān)閉OTE/UPE風(fēng)機運行的可行性探討

胡浩明,趙　蕾,李德輝,郭永楨,鄧保順

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,西安　710055；

2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安　710043)

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地鐵運營初期關(guān)閉OTE/UPE風(fēng)機運行的可行性探討

胡浩明1,趙蕾1,李德輝2,郭永楨2,鄧保順2

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,西安710055；

2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安710043)

摘要：對全線采用屏蔽門系統(tǒng)的西安地鐵2號線某區(qū)間隧道及與之相連的站臺隧道溫度進行長期監(jiān)測,并建立其全尺寸CFD動態(tài)仿真模型,參考實測值設(shè)定隧道壁面溫度,對地鐵線路運營初期和遠(yuǎn)期軌頂和軌底(OTE/UPE)排熱風(fēng)機開啟及關(guān)閉4種工況下列車在其中行駛過程中隧道內(nèi)的氣流溫、速度和壓力場進行動態(tài)模擬。結(jié)果分析表明,地鐵線路運營初期,即使不開啟OTE/UPE風(fēng)機,在炎熱的夏季地鐵隧道內(nèi)也不會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象；而運營遠(yuǎn)期,若仍不開啟OTE/UPE風(fēng)機時,則隧道內(nèi)溫度較高；當(dāng)區(qū)間隧道壁溫升高到34℃,夏季站臺隧道超溫現(xiàn)象嚴(yán)重；當(dāng)區(qū)間隧道壁溫達(dá)到28℃,下游站臺隧道有可能超溫。運營初期采取不開啟OTE/UPE風(fēng)機的運行模式是可行的。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；屏蔽門系統(tǒng)； OTE/UPE風(fēng)機； CFD動態(tài)仿真；超溫現(xiàn)象

地鐵將逐漸成為國內(nèi)各大城市的主要公共交通工具之一[1]，但是其運營也帶來了巨大的能耗問題[2]，其中地鐵環(huán)控通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗占整個地鐵系統(tǒng)用電量的45%～60%[3]。因此，急需設(shè)法降低其運行能耗。

規(guī)范規(guī)定列車車廂設(shè)置空調(diào)、車站設(shè)置屏蔽門的地鐵隧道夏季的最高溫度應(yīng)不得高于40 ℃[4]。因此，為了揭示地鐵線路在運營最初一定時期內(nèi)采用站臺隧道關(guān)閉連接軌頂/軌底(OTE/UPE)排熱風(fēng)機隧道內(nèi)是否會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，就需要對開啟或關(guān)閉OTE/UPE風(fēng)機時列車運行過程中隧道內(nèi)的氣流溫、速度和壓力場進行研究。但是，大量實測研究受地鐵線路安全性和加裝傳感器費用高昂的制約而難以實施[5-7]，而CFD仿真技術(shù)在這一領(lǐng)域相關(guān)研究中的應(yīng)用卻越來越廣泛[8-10]。因此，基于對地鐵線路隧道內(nèi)溫度的實測數(shù)據(jù)，確定模擬用壁面邊界條件，采用CFD軟件及其動網(wǎng)格技術(shù)開展動態(tài)數(shù)值仿真研究。通過對模擬結(jié)果的對比分析來探討關(guān)閉排熱風(fēng)機實現(xiàn)地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能運行的可行性。

1地鐵隧道仿真模型的建立

1.1幾何模型和網(wǎng)格劃分

以全線采用屏蔽門系統(tǒng)的西安地鐵2號線為背景，選取該線路中最長的一段區(qū)間隧道和與之相連的2個車站為原型，建立了三維全尺寸仿真幾何模型，如圖1所示，包括上、下游2個站臺隧道及區(qū)間隧道3部分。視結(jié)構(gòu)對稱、形狀規(guī)整而分別將2個站臺隧道簡化為2個178 m×4.8 m×4.9 m的長方體，區(qū)間隧道為一個φ5.2 m、長1 433 m的圓柱，行車?yán)锍虖纳嫌握九_隧道端頭0點到下游站臺隧道的另一端頭共長1 789 m；因設(shè)有屏蔽門，故忽略站臺環(huán)境對軌行區(qū)的影響；隧道采用遠(yuǎn)端設(shè)置單活塞風(fēng)井的方案，活塞風(fēng)井與隧道接口的尺寸為5 m×4 m；整個站臺隧道設(shè)有24組OTE和UPE風(fēng)口，站臺隧道兩端分別設(shè)排熱風(fēng)機1臺，各分擔(dān)12組間距0.5 m尺寸為0.8 m×0.4 m的軌頂和軌底排熱風(fēng)口的排熱量；視該隧道區(qū)段內(nèi)只有單輛B型列車(尺寸為120 m×2.8 m×3.8 m)行駛。

圖1　地鐵隧道示意

由于列車運行過程中隧道內(nèi)的氣流運動空間隨列車位置的變化而不斷變化，列車的車速隨時間變化曲線如圖2所示。因此，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型計算空間進行劃分，生成270萬個初始非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并依據(jù)車速變化采用動網(wǎng)格技術(shù)不斷進行網(wǎng)格重構(gòu)。

圖2　列車運行速度和運行距離隨時間變化曲線

1.2數(shù)學(xué)模型及模擬工況邊界條件設(shè)定

為了模擬列車從上游站臺加速出站、勻速行駛直至勻減速駛?cè)胂掠握九_的100 s的整個過程中隧道內(nèi)動態(tài)氣流溫、速度以及壓力場的動態(tài)變化情況，選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε紊流模型和Novia-Stokes方程，采用有限體積法在所構(gòu)建的網(wǎng)格體系中對方程進行離散，采用SIMPLE算法進行流場數(shù)值求解[11]。方程定解的邊界條件和初始條件設(shè)定如下。

將列車頂部冷凝器的散熱量簡化設(shè)定為沿列車頂部整個表面的常熱流邊界條件，熱流密度為90 W/m2，而將列車的制動散熱量簡化為從80 s開始作用在列車下部整個表面上的常熱流邊界條件，熱流密度為135 W/m2。此外，隧道內(nèi)沒有其他熱源。

筆者在西安地鐵2號線開通運營近2年之后的2013年8月，在該線路某車站站臺和區(qū)間隧道內(nèi)布置了多個溫度傳感器，進行了動態(tài)溫度監(jiān)測，所得到的8月份站臺隧道和區(qū)間隧道內(nèi)的日平均溫度變化曲線如圖3所示?？梢?，8月份的室外氣溫日平均值為23～32 ℃，整個8月站臺隧道內(nèi)溫度處于22.5～23.5 ℃，區(qū)間隧道中的溫度略低。

圖3　2013年8月份隧道內(nèi)溫度逐日變化曲線

西安地鐵沿線地層地溫測試數(shù)據(jù)[12]表明測試站附近土壤地中溫度在19～20 ℃，隧道內(nèi)列車運行過程中的散熱量通過隧道壁面?zhèn)鬟f給土壤，并隨著列車運營年代的增加而會逐漸上升并達(dá)到熱平衡。因此，結(jié)合本次對隧道內(nèi)溫度的實測值，設(shè)定地鐵運營初期和遠(yuǎn)期隧道壁面溫度分別為20 ℃和34 ℃，即采用第一類邊界條件，對地鐵線路運營初期和遠(yuǎn)期最熱月列車行駛過程中隧道內(nèi)的溫濕度狀況進行模擬，以判斷是否會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，未關(guān)注隧道壁面與周圍土壤間的傳熱。

對于OTE/UPE風(fēng)機關(guān)閉的情況，設(shè)定排熱風(fēng)口與隧道內(nèi)部不存在壓差，設(shè)定相對壓力為0 Pa；對于OTE/UPE風(fēng)機開啟的情況，依次設(shè)置由站臺隧道兩端至其中部的各12組OTE和12組UPE風(fēng)口的相對壓力分別為-60、-55、-50、-45、-40、-35、-30、-25、-20、-15、-10 Pa和-5 Pa，均為壓力入口邊界條件。模擬了初期和遠(yuǎn)期分別關(guān)閉、開啟OTE/UPE風(fēng)機4種工況下的氣流溫、速度和壓力場，相應(yīng)的邊界條件設(shè)置情況如表1所示。

表1　隧道壁面邊界條件及風(fēng)機運行狀態(tài)設(shè)置情況

將活塞風(fēng)井口及站臺與區(qū)間隧道交界面設(shè)定為自由出入邊界條件，活塞風(fēng)口外部的氣溫參照西安8月氣溫值設(shè)為35 ℃。隧道內(nèi)初壓為西安夏季大氣壓95.92 kPa，初溫為288.16 K，初速為0 m/s。

2模擬結(jié)果分析

下面，對4種工況的模擬結(jié)果分別按列車在隧道中的勻加速、勻速和勻減速行駛的3個階段的狀況加以分析。

2.1列車勻加速出站階段

列車勻加速啟動運行10 s時，列車沿行駛方向處于上游車站100～220 m，圖4對比給出了該時刻4種工況下上游車站隧道內(nèi)各斷面內(nèi)氣流最高溫度的沿程分布狀況。

圖4　第10 s時刻上游車站隧道斷面最高溫度變化曲線

可見，地鐵運營初期，若開啟OTE/UPE風(fēng)機，則車站隧道內(nèi)的氣流溫度明顯比關(guān)閉時低。這是因為當(dāng)風(fēng)機開啟時，車頂冷凝器散發(fā)的熱量會被軌頂排熱風(fēng)口有效捕集并排至室外，而若不開啟排熱風(fēng)機，則散熱量會不均勻地分布在隧道內(nèi)或聚集在排熱風(fēng)口附近。圖4顯示100～110 m處溫度顯著升高。這是因為此時列車車尾處于此區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)形成氣流負(fù)壓區(qū)，使列車頂部冷凝器散發(fā)的熱量隨活塞風(fēng)向后擴散，在110 m處的軌頂排熱風(fēng)口處聚集，從而使這一斷面上溫度較隧道其他區(qū)域溫度顯著升高，因地鐵運營初期開啟和關(guān)閉OTE/UPE風(fēng)機時上游車站隧道斷面溫度變化趨勢相同，故截取其中關(guān)閉排熱風(fēng)機工況下車尾后部區(qū)域隧道斷面氣流壓力和溫度分布圖，如圖5所示。

圖5　第10 s時刻車尾后方氣流參數(shù)分布

圖4表明風(fēng)機關(guān)閉時，地鐵線路運營初期隧道內(nèi)的最高溫度值為303.9 K，風(fēng)機開啟時，最高溫度值為301 K，即開啟OTE/UPE風(fēng)機則隧道溫度將會降低2 ℃左右，但隧道內(nèi)氣流溫度均遠(yuǎn)低于地鐵設(shè)計規(guī)范規(guī)定的極限值。而若運營遠(yuǎn)期仍關(guān)閉OTE/UPE風(fēng)機，則上游車站隧道中的最高溫度值將達(dá)314.1 K，比運營初期升高10.2 K。表明若地鐵運營遠(yuǎn)期仍不開啟排熱風(fēng)機且隧道壁面溫度達(dá)到34 ℃時，上游車站隧道內(nèi)就會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，而若開啟排熱風(fēng)機，則上游隧道內(nèi)溫度可降低至規(guī)范的極限值以下。

2.2勻速運行階段

圖6對比給出了4種工況下列車勻速運行階段第56 s時刻區(qū)間隧道內(nèi)氣流最高溫度沿車行方向變化曲線。可見，地鐵運營初期和遠(yuǎn)期，開啟與關(guān)閉OTE/UPE風(fēng)機狀態(tài)下，區(qū)間隧道溫度沿列車運行方向的變化趨勢相同。開啟排熱風(fēng)機的情況下，區(qū)間隧道200～400 m的范圍內(nèi)，各斷面的最高溫度比關(guān)閉風(fēng)機時有所降低，而且在線路運行初期開啟排熱風(fēng)機時溫度的降低程度更明顯。這是因為在上游車站隧道內(nèi)，OTE/UPE風(fēng)機開啟時，排熱風(fēng)口可有效捕集和排出列車?yán)淠魃l(fā)的熱量而使涌入?yún)^(qū)間隧道的熱量減少的緣故。運營初期，活塞風(fēng)對隧道內(nèi)溫度的作用距離可達(dá)近300 m；但是，在地鐵線路運營遠(yuǎn)期，由于隧道壁面溫度已經(jīng)很高，隨活塞風(fēng)帶入隧道的熱量對隧道中溫度的影響相對變?nèi)?，活塞風(fēng)產(chǎn)生影響的距離有所減小，大約為200 m左右。深入隧道后沿著車行方向，隧道內(nèi)溫度曲線變化平緩，且OTE/UPE風(fēng)機開啟與否的影響很弱。在列車所處的964～1 084 m位置，2種工況下隧道斷面最高溫度的變化趨勢也相同。

圖6　第56 s時刻區(qū)間隧道各斷面最高溫度沿程變化曲線

圖6表明地鐵線路運營初期車行該時刻區(qū)間隧道中最高溫度出現(xiàn)在入口端，即180 m附近。這是室外高溫空氣通過活塞風(fēng)井進入隧道所產(chǎn)生的影響，溫度可達(dá)305.4 K；而運營遠(yuǎn)期隧道內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在區(qū)間隧道內(nèi)車身上部空間內(nèi)，這主要由列車車頂冷凝器散熱所致，溫度可達(dá)310.7 K。兩者相差5.2 K，但均低于地鐵設(shè)計規(guī)范規(guī)定的極限值。

圖7表明，列車運行前10 s，區(qū)間隧道入口斷面溫度由于受車頂冷凝器散熱的影響，呈升高趨勢，隨后在列車通過此斷面過程中保持穩(wěn)定，在列車運行20 s后，列車活塞風(fēng)卷吸室外高溫空氣涌入隧道內(nèi)，該斷面溫度顯著升高達(dá)到最大值并保持穩(wěn)定，隨著列車逐漸駛離區(qū)間隧道入口斷面，活塞風(fēng)效應(yīng)減弱運行第45 s后，該斷面溫度呈下降趨勢。開啟排熱風(fēng)機的情況下，會使上游站臺隧道處于負(fù)壓狀態(tài)，因而室外空氣活塞風(fēng)效應(yīng)消失后仍會涌入隧道內(nèi)，故此時該斷面的溫度較關(guān)閉排熱風(fēng)機的情況下高。

圖7　運營初期區(qū)間隧道入口端溫度動態(tài)變化曲線

2.3勻減速進站階段

圖8對比給出了4種工況下列車勻減速運行階段第92 s時刻下游車站隧道內(nèi)氣流最高溫度的沿程變化曲線，此刻車尾已進入下游站臺隧道。

圖8　第92 s時刻下游車站隧道斷面最高溫度變化曲線

可見，地鐵運營初期和遠(yuǎn)期，若開啟OTE/UPE風(fēng)機，則下游車站隧道內(nèi)的氣流溫度均比關(guān)閉時低，且2種風(fēng)機狀態(tài)下，下游車站隧道入口端1610～1630 m之間斷面最高溫度顯著升高。這是因為該區(qū)段處于沒有設(shè)置OTE/UPE排熱風(fēng)口的站臺隧道端部、列車頂部和制動散熱量均不能有效排出，而列車在區(qū)間隧道中所散發(fā)出的熱量又會隨活塞風(fēng)涌入而影響到下游站臺這一區(qū)段的緣故。因此，排熱風(fēng)機開啟與否對該區(qū)段站臺隧道內(nèi)的最高溫度影響不大。

圖8表明未開啟OTE/UPE風(fēng)機的情況下，沿行車方向隧道各斷面的最高溫度波動較明顯，且列車車頭前方隧道內(nèi)的溫度有所下降。這是因為若不開啟排熱風(fēng)機，則列車所散發(fā)的熱量隨活塞風(fēng)運動而會聚集在OTE/UPE風(fēng)口中無法排出。地鐵線路運行初期，OTE/UPE風(fēng)機關(guān)閉和開啟狀態(tài)下，下游車站隧道斷面最高溫度值分別為310.5 K和308.2 K，比列車加速出站時段上游站臺隧道內(nèi)的溫度高。這主要是由于列車減速進站過程中制動散熱量會釋放出來。但均低于地鐵設(shè)計規(guī)范規(guī)定的極限值。而地鐵運營遠(yuǎn)期，關(guān)閉排熱風(fēng)機的情況下，下游站臺隧道斷面上最高溫度可高達(dá)317.7 K，比運營初期不開啟排熱風(fēng)機時升高了7.2 K，且高于地鐵設(shè)計規(guī)范規(guī)定的極限值。可見，當(dāng)隧道壁面溫度上升至34 ℃時，關(guān)閉OTE/UPE風(fēng)機列車將無法正常運行，必須開啟排熱風(fēng)機。

3下游車站活塞風(fēng)井排熱作用分析

由于下游站臺隧道中的最高溫度明顯高于上游站臺隧道，因此下游車站的活塞風(fēng)井在列車進站中的排熱作用會比較顯著。圖9顯示出4種工況中下游車站活塞風(fēng)井底部斷面溫度最高值隨列車運行時間的變化曲線。

圖9　下游車站活塞風(fēng)井底部斷面最高溫度動態(tài)變化曲線

可見，列車運行0～50 s時，列車距離下游車站較遠(yuǎn)，下游活塞風(fēng)井?dāng)嗝鏈囟然痉€(wěn)定，表明該活塞風(fēng)井尚未發(fā)揮排熱作用。地鐵線路運營初期，在開啟OTE/UPE風(fēng)機的情況下，下游車站在這一時間段處于負(fù)壓狀態(tài)，室外高溫空氣會通過活塞風(fēng)井流入隧道，故活塞風(fēng)井底部斷面溫度高于隧道內(nèi)部溫度；隨著列車逐漸駛近，活塞風(fēng)涌入而使下游站臺隧道變?yōu)檎龎籂顟B(tài)，隧道內(nèi)氣流將會通過活塞風(fēng)井排向室外。由于隧道內(nèi)溫度較室外溫度低，所以在50～60 s時活塞風(fēng)井底部斷面溫度會下降。OTE/UPE風(fēng)機未開啟的情況下，0～50 s活塞風(fēng)井亦尚未發(fā)揮作用，下游車站活塞風(fēng)井底部斷面處于0壓狀態(tài)，其溫度為其附近隧道內(nèi)空氣溫度，溫度較低，而隨列車的逐漸駛近，活塞氣流攜帶著熱量開始影響下游車站，在50～60 s活塞風(fēng)井底部斷面溫度升高，活塞風(fēng)攜帶的熱能會通過活塞風(fēng)井向室外排出。2種工況下，風(fēng)井底部斷面最高溫度在60～90 s時段內(nèi)保持穩(wěn)定，但開啟OTE/UPE風(fēng)機時的溫度較未開啟時低。90～100 s時間段，列車進入下游車站，受列車制動散熱的影響，開啟或關(guān)閉OTE/UPE風(fēng)機2種情況下，活塞風(fēng)井底部斷面溫度均先升高，直到列車靠站5 s后，活塞風(fēng)井底部斷面溫度才有所下降。開啟OTE/UPE風(fēng)機情況下，50～110 s時段活塞風(fēng)井?dāng)嗝娴淖罡邷囟让黠@比OTE/UPE風(fēng)機關(guān)閉時低，也就是說排熱風(fēng)機開啟會削弱活塞風(fēng)井的排熱作用。

在地鐵線路運營遠(yuǎn)期，活塞風(fēng)井底部斷面溫度明顯比運營初期高，且在列車運行過程中溫度波動較小。這是因為地鐵運營遠(yuǎn)期，隧道內(nèi)壁溫度較高，與室外溫度接近，所以列車運行產(chǎn)生的活塞風(fēng)通過活塞風(fēng)井?dāng)嗝鏁r，氣流溫度較高，且溫度變化幅度較運營初期小。在50 s前后的時段內(nèi)，開啟或關(guān)閉排熱風(fēng)機時，下游車站隧道活塞風(fēng)井底部斷面溫度的變化規(guī)律與地鐵線路運營初期類似，只是變化幅度很小。

4結(jié)論

以西安某地鐵車站的隧道溫度實測為邊界條件設(shè)置的依據(jù)，應(yīng)用CFD仿真技術(shù)對該地鐵隧道進行了動態(tài)數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論。

(1)列車勻減速進站過程中下游站臺隧道內(nèi)的最高溫度比列車勻加速出站過程中上游站臺隧道內(nèi)的最高溫度高。

(2)地鐵運營初期OTE/UPE風(fēng)機無論處于開啟還是關(guān)閉狀態(tài)，車站隧道比區(qū)間隧道的溫度高，但即使室外氣溫較高，隧道內(nèi)均不會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。因此，地鐵運營初期，可關(guān)閉OTE/UPE風(fēng)機進行地鐵運營。

(3)開啟OTE/UPE風(fēng)機會削弱下游站臺活塞風(fēng)井的排熱作用。

(4)地鐵運營遠(yuǎn)期隧道溫度遠(yuǎn)高于運營初期，若不開啟OTE/UPE風(fēng)機，在當(dāng)室外氣溫較高且壁溫達(dá)到34 ℃時，隧道內(nèi)將出現(xiàn)嚴(yán)重超溫現(xiàn)象。當(dāng)隧道壁面溫度達(dá)到28 ℃時[13]，在下游臺站隧道內(nèi)有可能出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

(5)地鐵隧道內(nèi)的溫度受到其壁面溫度高低的影響，十分有必要進一步探索室外高溫情況下必須開啟OTE/UPE風(fēng)機的臨界壁面溫度條件。

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Approach to the Potential of Turn-off of OTE/UPE Fans During Initial Operation Period of Metro LineHU Hao-ming1, ZHAO Lei1, LI De-hui2, GUO Yong-zhen2, DENG Bao-shun2

(1.Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China;

2.China Railway Fist Survey and Design Institute Group Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：After a long-term monitoring of the temperature of the tunnel and connecting platform on No. 2 Xi’an Metro Line to which Platform Screen Door System is applied, a full-scale CFD simulation model is established. The tunnel wall temperature is set with reference to measured values. Four cases representing OTE/UPE fan turn-on and turn-off during initial and long-term operational periods are dynamically simulated to obtain temperature, velocity and pressure of the air flow in the tunnel when a train runs through. Results indicate that overheat never happens in the tunnel in hot summer even if OTE/UPE fans are turned off during the initial operational period. However, after a long-term operation, the temperature in the tunnel will be quite high if OTE/UPE fans are still turned off. Serious overheat occurs in hot summer in the tunnel of metro platform when the tunnel wall temperature reaches 34°C. When the tunnel wall temperature reaches 28°C, the down platform tunnel may suffer overheat. Therefore, turn-off of OTE/UPE fans during initial period is feasible.

Key words：Subway tunnel; Platform Screen door system; OTE/UPE fan; CFD dynamic simulation; Overheat

中圖分類號：U231+.5

文獻標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.031

文章編號：1004-2954(2015)01-0122-05

作者簡介：胡浩明(1987—)，男，碩士研究生，E-mail：657203566@qq.com。

收稿日期：2014-04-22； 修回日期：2014-05-10