地鐵站軌行區(qū)排風(fēng)均勻性模擬研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

高軍 曾令杰

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

地鐵站軌行區(qū)排風(fēng)均勻性模擬研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

高軍 曾令杰

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

為了解決地鐵站軌行區(qū)均勻排熱問題，研究出一種新型等截面長風(fēng)管局部阻力構(gòu)件。為驗(yàn)證該構(gòu)件是否具有優(yōu)化排風(fēng)均勻性的作用，本文采用CFD方法模擬已有排風(fēng)管道流場及風(fēng)管阻力特性，模擬結(jié)果說明該局部阻力構(gòu)件具有優(yōu)化管道內(nèi)氣流組織，各風(fēng)口排風(fēng)均勻性好，降低風(fēng)機(jī)能耗的特點(diǎn)。針對已有排風(fēng)管各排風(fēng)口的風(fēng)量、風(fēng)速進(jìn)行了實(shí)測，實(shí)測加裝該局部阻力構(gòu)件的排風(fēng)管各風(fēng)口風(fēng)量結(jié)果與模擬計(jì)算的結(jié)果能較好地吻合，證明采用CFD方法可以較好地預(yù)測風(fēng)管道內(nèi)的流場分布，具有較高的可靠性。

均勻排風(fēng) 節(jié)能 局部阻力構(gòu)件

0 引言

目前我國各主要城市都在興建地鐵以緩解中心城區(qū)的交通壓力[1]。而地鐵在駛?cè)氲罔F站的過程中，因地鐵制動(dòng)散發(fā)的熱量較大，工程上通常在地鐵站臺(tái)區(qū)的軌頂和軌底設(shè)置等截面長風(fēng)管，以排風(fēng)形式帶走地鐵制動(dòng)所產(chǎn)生的熱量[2]。

由于地鐵站軌行區(qū)的排熱均勻性很大程度上依賴于排風(fēng)均勻性[3]，本文將均勻排熱問題簡化為均勻排風(fēng)問題。為克服常規(guī)排風(fēng)管道的不足，保證各風(fēng)口實(shí)現(xiàn)均勻排風(fēng)，研究出一種新型等截面長風(fēng)管局部阻力構(gòu)件，本文針對無/有該局部阻力構(gòu)件的排風(fēng)管道進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，分析該局部阻力構(gòu)件是否具有優(yōu)化排風(fēng)均勻性的作用，并通過實(shí)測已有排風(fēng)管道各風(fēng)口風(fēng)量，對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 均勻排風(fēng)原理

傳統(tǒng)地鐵站軌行區(qū)排熱系統(tǒng)采用等截面長風(fēng)管進(jìn)行排風(fēng)，其利用的是靜壓排風(fēng)原理[4]，對于排風(fēng)管道，靜壓絕對值由風(fēng)機(jī)側(cè)至末端沿程降低，根據(jù)條縫型孔口出流公式[5]：式中：μ(x)為流量系數(shù)，用于對流量進(jìn)行修正；δ(x)為風(fēng)口出流截面積；P(x)為x斷面處相對靜壓。

在風(fēng)口面積δ(x)相等，流量系數(shù)μ(x)為定值的前提下，各個(gè)風(fēng)口風(fēng)量必然不同，傳統(tǒng)排風(fēng)管構(gòu)造如圖1所示，其中圖的左側(cè)為風(fēng)機(jī)側(cè)。

圖1 傳統(tǒng)排風(fēng)管構(gòu)造簡圖

對于在風(fēng)口處加裝新型局部阻力構(gòu)件的排風(fēng)管，構(gòu)件處的風(fēng)管斷面如圖2，其利用全壓排風(fēng)原理[6]，局部阻力構(gòu)件的設(shè)置可將風(fēng)機(jī)動(dòng)力比較均勻地分配到風(fēng)管中每一個(gè)排風(fēng)口流動(dòng)支路上，使得每個(gè)排風(fēng)口保持較為理想的風(fēng)量均勻度；同時(shí)局部阻力構(gòu)件的開口面積由風(fēng)機(jī)側(cè)至風(fēng)管末端沿程增大，根據(jù)風(fēng)量與孔口出流面積成正比，在靜壓絕對值沿程降低的同時(shí)增大出流面積可以使各風(fēng)口處流量趨于一致，在傳統(tǒng)排風(fēng)管的基礎(chǔ)上顯著提升了排風(fēng)均勻性。

圖2 風(fēng)口處加裝局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管構(gòu)造簡圖

2 排風(fēng)均勻性模擬

為驗(yàn)證該局部阻力構(gòu)件是否具有優(yōu)化排風(fēng)性能的作用，利用計(jì)算流體力學(xué)工具，對無/有局部阻力構(gòu)件的地鐵站軌行區(qū)排風(fēng)系統(tǒng)的速度、壓力分布分別進(jìn)行數(shù)值模擬。已有排風(fēng)管道長103.2m，管道為3000mm×800mm的等截面管道，并且分別在38.4m和53.8m處設(shè)有兩個(gè)彎頭，排風(fēng)口有40個(gè)，均位于管道的下表面，從風(fēng)機(jī)側(cè)至管道末端依次給各風(fēng)口編號：風(fēng)口1、風(fēng)口2、風(fēng)口3等，風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為45000m3/h，為了對無局部阻力構(gòu)件的排風(fēng)管道與有局部阻力構(gòu)件的排風(fēng)管道性能做出比較，分別對兩者進(jìn)行建模。兩種風(fēng)管的尺寸、長度、風(fēng)口尺寸及總風(fēng)量相同，區(qū)別僅在于是否在風(fēng)口處加裝該局部阻力構(gòu)件。如圖3為已有排風(fēng)管平面圖。

圖3 已有排風(fēng)管平面示意圖

2.1 數(shù)值模型

采用CFD模擬軟件Fluent對地鐵站軌行區(qū)均勻排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬。利用Gambit建模，對與排風(fēng)口緊鄰的主風(fēng)管劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸50mm，對于無排風(fēng)口的直管段劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸100mm；各排風(fēng)口設(shè)為壓力入口邊界，壓力取相對大氣壓力0Pa；風(fēng)機(jī)入口處采用速度邊界條件，風(fēng)速根據(jù)給定風(fēng)量進(jìn)行返算。從風(fēng)機(jī)側(cè)至管道末端依次給各風(fēng)口編號：風(fēng)口1、風(fēng)口2、風(fēng)口3等；風(fēng)機(jī)和各風(fēng)口處均取水力直徑及湍流強(qiáng)度計(jì)算條件。管道設(shè)置為“Wall”邊界，管壁粗糙度取薄鋼板風(fēng)管粗糙度0.16，局部網(wǎng)格劃分如圖4。

圖4 風(fēng)管局部Gambit網(wǎng)格圖

計(jì)算求解采用分離式求解器，壓力速度藕合采用SIMPLE算法，二階迎風(fēng)離散格式，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，近壁面采用Enhanced Wall Treatment[7]。各流動(dòng)項(xiàng)殘差均小于10-5，網(wǎng)格獨(dú)立性經(jīng)過了檢驗(yàn)。

2.2 排風(fēng)均勻性模擬結(jié)果

根據(jù)上述物理模型，建立穩(wěn)態(tài)N-S方程進(jìn)行數(shù)值模擬，有局部阻力構(gòu)件的排風(fēng)管模型在迭代3000步左右時(shí)收斂，無局部阻力構(gòu)件的排風(fēng)管模型在迭代3500步左右時(shí)收斂。

圖5為兩種排風(fēng)管40個(gè)排風(fēng)口的風(fēng)量模擬結(jié)果，理論上各風(fēng)口的均勻排風(fēng)量為1125m3/h。模擬結(jié)果顯示，無局部阻力構(gòu)件的傳統(tǒng)排風(fēng)管各風(fēng)口排風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)差為2684.98m3/h，有局部阻力構(gòu)件的排風(fēng)管各風(fēng)口排風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)差為71.28m3/h，由此可見有局部阻力構(gòu)件的排風(fēng)管相較傳統(tǒng)排風(fēng)管在排風(fēng)均勻度改善上有了大幅度的改善。

圖5 無/有局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管排風(fēng)均勻性對比

2.3 風(fēng)管內(nèi)流場對比分析

風(fēng)管內(nèi)流場分析包括速度場和靜壓場分析。

速度場分析：圖8與圖9分別為無局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管與有局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管在截取流動(dòng)平穩(wěn)段即風(fēng)口6～10的速度分布云圖。對比速度分布云圖可以看出，相同位置處無局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管的風(fēng)速明顯低于有局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管，同時(shí)沿長度方向無局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管內(nèi)相鄰兩風(fēng)口風(fēng)速下降更快，而在有局部阻力構(gòu)件的風(fēng)管內(nèi)各處速度分布較為均勻，靠近局部阻力構(gòu)件尾部近壁面風(fēng)速較低，這是因?yàn)榭諝庥赏獠靠臻g進(jìn)入排風(fēng)管內(nèi)方向發(fā)生改變而產(chǎn)生的離心力作用。各排風(fēng)口風(fēng)速沿程略有降低，由于各局部阻力構(gòu)件的開口面積沿程增大，根據(jù)風(fēng)量與風(fēng)速、風(fēng)口面積成正比關(guān)系，故該排風(fēng)管能夠?qū)崿F(xiàn)均勻排風(fēng)，從圖中也可看出，除局部阻力構(gòu)件尾部有少量渦流外，該局部阻力構(gòu)件對管內(nèi)氣流干擾較小。

圖6 無局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管風(fēng)口6～10速度分布云圖

圖7 有局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管風(fēng)口6～10速度分布云圖

圖8 無局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管風(fēng)口6～10靜壓分布云圖

圖9 有局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管風(fēng)口6～10靜壓分布云圖

靜壓場分析：圖10與圖11分別為無局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管與有局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管在截取風(fēng)口6～10處的靜壓分布云圖。對比靜壓分布云圖可以看出，無局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管內(nèi)各處靜壓絕對值很小，且各排風(fēng)口之間靜壓差別較大，由于該風(fēng)管利用的是靜壓排風(fēng)原理，故各排風(fēng)口風(fēng)量較小且不均勻；對于有局部阻力構(gòu)件的排風(fēng)管，管內(nèi)各處靜壓絕對值較傳統(tǒng)排風(fēng)管大幅上升，說明該風(fēng)管各排風(fēng)口風(fēng)量明顯高于無局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管，靜壓絕對值沿長度方向逐漸降低。由于局部阻力構(gòu)件有效利用了管內(nèi)動(dòng)壓頭，故由風(fēng)口進(jìn)入管道內(nèi)相同的風(fēng)量所需的靜壓頭下降，同時(shí)由于局部阻力構(gòu)件具有導(dǎo)流作用，使直流三通阻力降低，有利于實(shí)現(xiàn)各排風(fēng)口均勻排風(fēng)。

3 風(fēng)管阻力特性模擬

3.1 數(shù)值模型建立及邊界條件設(shè)置

風(fēng)管阻力特性模擬采用的物理模型與之前一節(jié)所述相同，僅是將風(fēng)機(jī)入口的速度邊界條件變?yōu)閴毫Τ隹谶吔鐥l件，給定風(fēng)機(jī)壓頭從-1500Pa到-100Pa變化，中間間隔為100Pa，共15個(gè)工況，根據(jù)排風(fēng)機(jī)總壓返算的每一個(gè)工況下的排風(fēng)管風(fēng)量以及計(jì)算所得的管道壓力損失，再根據(jù)△P=SQ2擬合出無局部阻力構(gòu)件的傳統(tǒng)排風(fēng)管與有局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管的管路特性曲線如圖12。該結(jié)果說明，在排風(fēng)機(jī)工作效率不變且無/有局部阻力構(gòu)件的排風(fēng)管總排風(fēng)量相等時(shí)，有局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管能大幅降低風(fēng)機(jī)能耗，降低的能耗可根據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線與管路特性曲線相交的風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)位置算出。

圖10 無/有局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管管路特性曲線對比

4 模擬結(jié)果與實(shí)測對比驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對已有均勻排風(fēng)管（已加裝局部阻力構(gòu)件）典型風(fēng)口風(fēng)量，風(fēng)速及靜壓進(jìn)行了實(shí)測，各風(fēng)口排風(fēng)量測試采用精度較高的風(fēng)量罩（型號ACH-1，測量范圍150～3600m3/h，測量精度±3%），并用熱球風(fēng)速儀（型號QDF-3，測量范圍0.05～10m/s，測量精度5%）所測風(fēng)速與實(shí)測局部阻力構(gòu)件開口面積對風(fēng)量罩所測風(fēng)量進(jìn)行校準(zhǔn)，根據(jù)對該排風(fēng)管道系統(tǒng)的測試分析，在風(fēng)機(jī)排風(fēng)量為45000m3/h的條件下，將實(shí)測的典型風(fēng)口排風(fēng)量與數(shù)值模擬所計(jì)算的各個(gè)風(fēng)口處的排風(fēng)量進(jìn)行對比。如圖11，從該圖可以看出，通過數(shù)值模擬得出的各風(fēng)口的風(fēng)量值與各風(fēng)口的實(shí)測值能夠較好吻合。從而證明用CFD數(shù)值模擬可以較好地預(yù)測風(fēng)管道內(nèi)的流場分布，具有較高的可靠性。

圖11 各風(fēng)口排風(fēng)量的模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比圖

5 結(jié)論

為保證地鐵站軌行區(qū)實(shí)現(xiàn)均勻排風(fēng)，以便有效排出地鐵制動(dòng)過程中散發(fā)的熱量，研究出一種新型等截面長風(fēng)管局部阻力構(gòu)件，本文對其排風(fēng)性能做了數(shù)值模擬，與傳統(tǒng)等截面排風(fēng)管進(jìn)行對比并與已有排風(fēng)管實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1）對于有局部阻力構(gòu)件的排風(fēng)管，其排風(fēng)均勻性明顯優(yōu)于無局部阻力構(gòu)件的傳統(tǒng)排風(fēng)管。

2）通過速度場與壓力場對比分析可知，有局部阻力構(gòu)件的排風(fēng)管內(nèi)流場分布較為均勻，且相同位置處的速度和靜壓絕對值比無局部阻力構(gòu)件的排風(fēng)管高，有利于實(shí)現(xiàn)均勻排風(fēng)。

3）風(fēng)管阻力特性模擬可知，對于相同排風(fēng)管（其區(qū)別只是有無局部阻力構(gòu)件）在排風(fēng)機(jī)工作效率相等的前提下，有局部阻力構(gòu)件排風(fēng)管能降低一部分風(fēng)機(jī)能耗。

4）已有排風(fēng)管實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，數(shù)值模擬得出的各風(fēng)口風(fēng)量值與各風(fēng)口實(shí)測值能夠較好地吻合，證明用CFD數(shù)值模擬可以較好地預(yù)測風(fēng)管道內(nèi)流場分布，具有較高可靠性。

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Sim ula tion Study a nd Expe rim e nta l Ve rific a tion of Exha us t Uniform ity in the Subw a y Sta tion

GAO Jun,ZENG Ling-jie
College of Mechanical Engineering,Tongji University

In order to solve the problem of exhaust uniformity in the subway station,this paper proposes a new local resistance device.To verify whether this device has optimized exhaust uniformity,the whole flow field and the resistance in the duct is simulated by using the CFD.The simulation results introduce that the new local resistance device has the characteristics of the optimization of air distribution,the good uniformity of each outlet,the low energy consumption of fan.The air volume,wind speed of each outlet are measured,and the measured results and the numerical simulation results can better match.It verifies that using the CFD technique can accurately predict the flow field in the pipe.

exhaust uniformity,energy conservation,local resistance device

1003-0344（2015）05-030-4

2014-6-11

高軍（1977～），男，副教授，博士；上海市同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院（200092）；E-mail:gaojun-hvac@#edu.cn

國家自然科學(xué)基金（51278370）