屏蔽門地鐵車站系統(tǒng)排熱數(shù)值模擬研究

葉晨輝，曹艷華，臧建彬（同濟(jì)大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海201804）

屏蔽門地鐵車站系統(tǒng)排熱數(shù)值模擬研究

葉晨輝，曹艷華，臧建彬
（同濟(jì)大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海201804）

地鐵車站屏蔽門系統(tǒng)會阻礙隧道內(nèi)熱量的擴(kuò)散，不同的隧道排熱方式對隧道溫度分布有不同影響。本文通過數(shù)值模擬，計算分析了軌頂軌底風(fēng)口對排熱的影響。結(jié)果表明軌底風(fēng)口的打開會增大排熱風(fēng)機的排風(fēng)量，且有利于隧道內(nèi)整體溫度的降低；同時通過觀察各風(fēng)口的風(fēng)量溫度，建議增大上游風(fēng)口面積以及軌底風(fēng)口面積，能更有效的提高排熱效率。

隧道溫度；軌頂軌底風(fēng)口；排熱；風(fēng)量

0　前言

近年來隨著城市化進(jìn)程的加快，為了緩解過多人口造成的城市交通壓力，城市軌道交通系統(tǒng)發(fā)展越加迅速。截至2014年低，中國內(nèi)地共有22座城市擁有城市軌道交通運營線路，總長3155km，新增運營里程409km［1］。而其中大部分城市軌道交通系統(tǒng)都是采用地下軌道運行形式。地鐵系統(tǒng)承載著極大的客流量，為了提供乘客舒適的乘車環(huán)境，地鐵系統(tǒng)的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)起了最主要作用。而地鐵車站的排熱對整個列車空調(diào)正常運行起了很大的作用，直接影響到列車空調(diào)的機組性能。本文研究的地鐵車站采用屏蔽門系統(tǒng)，即隧道內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)與站廳空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)單獨分離開來。

地鐵列車在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱，尤其是在進(jìn)站前減速過程以及出站后的加速過程，這些熱直接排放在隧道中。據(jù)統(tǒng)計，列車產(chǎn)熱的67%都分布在車站隧道［2］，隨著地鐵運行時間的推移，必然有部分熱量堆積在隧道中，造成隧道內(nèi)溫度升高。

隧道余熱一方面會影響列車空調(diào)冷凝器的正常運行，造成制冷量下降，影響車內(nèi)環(huán)境舒適度；另一方面會影響地鐵襯砌結(jié)構(gòu)壽命，造成安全隱患［3］；同時隨著列車停站屏蔽門打開，余熱進(jìn)入站廳影響空氣品質(zhì)。

由于地鐵系統(tǒng)運營安全要求很高，且地鐵車站范圍太大，不利于現(xiàn)場實測。采用商用CFD軟件模擬地鐵車站排熱系統(tǒng)內(nèi)部流場更有利于研究過程的進(jìn)行和優(yōu)化。屏蔽門系統(tǒng)中，在車站設(shè)計時設(shè)置了軌頂排風(fēng)口和軌底排風(fēng)口，用于排出列車空調(diào)冷凝器散熱和車輪、設(shè)備艙散熱以及屏蔽門內(nèi)部地鐵隧道中的照明散熱等。

郝盛［4］通過CFD數(shù)值模擬分析得到車站軌行區(qū)上排熱采用小風(fēng)口并位于列車?yán)淠魃戏綍r排熱效果更好，能夠有效降低車站隧道溫度；曾甫海［5］通過SES數(shù)值模擬分析了提升地鐵車站排熱系統(tǒng)效率的措施；王峰［6］通過SES數(shù)值模擬分析了車站活塞風(fēng)井風(fēng)量與軌行區(qū)排熱風(fēng)量之間的關(guān)系；華正博［7］通過SES數(shù)值模擬得出沒有軌道排熱系統(tǒng)的隧道最高溫度比有軌道排熱系統(tǒng)時隧道最高溫度高2.9℃，說明軌頂軌底排熱風(fēng)道對降低隧道內(nèi)溫度起到很好的效果；王麗慧［8］通過SES軟件研究了活塞風(fēng)與地鐵通風(fēng)和能耗關(guān)系，區(qū)間隧道氣溫隨時間和列車位置的不同而變化，各斷面溫度最大值在車尾剛剛通過后出現(xiàn)。在上述模擬中，均采用靜態(tài)方式或SES軟件進(jìn)行模擬，無法給出地鐵車站隧道在列車進(jìn)站、停站以及出站的過程中各個工況點的風(fēng)速溫度情況，與實際存在較大偏差，無法從整體給出排熱優(yōu)化建議。

本文考慮了列車運行進(jìn)站、停站以及出站的整個過程，通過CFD動網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行模擬，比較了只打開軌底風(fēng)口和軌頂軌底風(fēng)口均打開兩個工況隧道內(nèi)的溫度分布情況，探究軌底風(fēng)口對降溫的作用，以及探究通過增大排熱風(fēng)機壓頭來達(dá)到更好的排熱效果的可行性。

1　研究對象及模型

本次研究的地鐵車站為屏蔽門制式，標(biāo)準(zhǔn)島式站臺車站。上下游行車隧道各長200m，直徑5.6m，隧道頂部距離地面高度為5.34m。停站隧道與行車隧道不同，是長171m，寬4.15m，高4.81m的長方體隧道，見圖1。

車型為B型車6節(jié)編組，車輛長度為117.2m，寬度為2.8m，高度為3.8m。車輛定員總重277 t。

軌頂排風(fēng)口設(shè)置在圖1站臺區(qū)域的頂部，分散布置在列車停站位置各節(jié)車廂冷凝器風(fēng)扇的正上方，一個冷凝器上方對應(yīng)5個軌頂風(fēng)口，每節(jié)車廂頂部前后各一個冷凝器，6節(jié)編組12個冷凝器對應(yīng)60個軌頂風(fēng)口。因考慮到風(fēng)口位置與排熱風(fēng)室距離不同而導(dǎo)致各風(fēng)口風(fēng)壓不一致，為了保證排風(fēng)量相同采用插板閥控制開度，軌頂風(fēng)口原始尺寸為1000mm×500mm。具體風(fēng)口開度見表1。軌底風(fēng)口布置于屏蔽門一側(cè)下方隧道，與停站時轉(zhuǎn)向架位置對應(yīng)，分布類似軌頂風(fēng)口，共有60個，每個風(fēng)口尺寸均為720mm×200mm。

圖1　地鐵站軌行區(qū)結(jié)構(gòu)圖（列車行進(jìn)方向是從上游位置開往下游位置）

表1　地鐵車站軌頂風(fēng)口開度

為探究軌底風(fēng)口對地鐵隧道溫度的影響，確定以下三個工況進(jìn)行模擬分析。

工況一:軌頂軌底風(fēng)口均打開，排熱風(fēng)室的風(fēng)機頻率為30Hz，研究列車進(jìn)站停站出站整個過程58s的隧道溫度分布情況；

工況二:關(guān)閉軌底風(fēng)口（通過關(guān)閉排熱風(fēng)室內(nèi)的軌底總風(fēng)口來實現(xiàn)），打開軌頂風(fēng)口，排熱風(fēng)室的風(fēng)機頻率依然為30Hz，研究58s隧道溫度分布情況；

工況三:關(guān)閉軌底風(fēng)口，打開軌頂風(fēng)口，排熱風(fēng)室風(fēng)機頻率增加到50Hz，研究58s隧道溫度分布情況。

2　數(shù)值方法

模擬中，紊流效應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型，因為基于雷諾平均（RANS）的CFD模擬在研究列車?yán)@流和壓力分布時，已有不少成功的算例。標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程湍流模型，基本控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程和狀態(tài)方程。

連續(xù)性方程:

動量方程:

式中:

式中:

式中:

湍流動能耗散率ε方程:

式中:

計算中總網(wǎng)格數(shù)量約為550萬，網(wǎng)格已經(jīng)足夠密，數(shù)值計算已經(jīng)實現(xiàn)了網(wǎng)格獨立性。

3　邊界條件

根據(jù)實際運行情況，列車運行分為3段，即減速階段，停站階段以及加速出站階段。不考慮屏蔽門打開，冷凝器采用體熱源邊界條件，根據(jù)負(fù)荷算得體熱源大小為305.45kW；轉(zhuǎn)向架和設(shè)備艙采用面熱源邊界條件。轉(zhuǎn)向架熱源強度因制動或者加速熱源大小不一樣，簡化為3個不同面熱源強度，根據(jù)列車不同運行階段散熱量大小計算公式［9］算得減速階段熱源大小為2094.12 kW，停站階段熱源大小為418.82 kW，加速離站階段熱源大小為1047.06 kW；設(shè)備艙散熱簡化3個階段均為為98 kW。考慮墻體和車體之間的熱輻射。

隧道入口為壓力入口邊界條件，入口空氣溫度為27℃，其表壓值確定為0；隧道出口以及兩個活塞風(fēng)口為壓力出口邊界條件，表壓值為0。排熱風(fēng)室的排熱風(fēng)機設(shè)為fan邊界條件，其速度—壓力性能曲線為

隧道壁面為靜壁面無滑移墻體，常壁溫為17.2℃*。

4　計算結(jié)果及分析

計算中將列車運行狀況分為三個部分:進(jìn)站段由18m/s減速至0m/s，耗時15s，減速度為1.19m/s2；而后列車停于站內(nèi)供人員上下車輛，停站時間為30s；最后列車加速出站，由0m/s加速至18m/s，歷時13s，加速度為1.31m/s2。詳細(xì)列車速度曲線如圖2所示。

4.1軌頂軌底風(fēng)口均打開

圖3顯示了軌頂軌底風(fēng)口均打開工況的上下游風(fēng)機風(fēng)量變化和上下游活塞風(fēng)道風(fēng)量變化。其中活塞風(fēng)量負(fù)值表示由隧道向外界排風(fēng)，正值表示外界向隧道內(nèi)進(jìn)風(fēng)?？梢悦黠@的看出下游風(fēng)機的排風(fēng)量大于上游風(fēng)機的排風(fēng)量，變化規(guī)律都是從剛進(jìn)站時較大風(fēng)量慢慢減小，到停站后隧道內(nèi)氣流變緩，壓差變大風(fēng)量逐漸變大，出站時上下游風(fēng)機風(fēng)量均減小，但下游風(fēng)機較上游風(fēng)機變化過程要延遲幾秒，是車尾負(fù)壓造成的結(jié)果。下游活塞風(fēng)出現(xiàn)明顯的延遲效應(yīng)，停站期間甚至出現(xiàn)進(jìn)風(fēng)，出站時上游活塞風(fēng)也出現(xiàn)進(jìn)風(fēng)，同是車尾負(fù)壓作用出現(xiàn)活塞風(fēng)倒灌現(xiàn)象。

圖2　列車運行速度曲線

圖3　軌頂軌底均打開工況風(fēng)機風(fēng)量及活塞風(fēng)量變化

圖4顯示的是列車進(jìn)站-停站-出站過程軌底風(fēng)口和軌頂風(fēng)口處平均溫度變化曲線。其中風(fēng)口1為站臺下游靠近車頭處，風(fēng)口6為站廳上游靠近車尾處。風(fēng)口1-6的平均溫度為每節(jié)車廂對應(yīng)的10個風(fēng)口表面的空氣平均溫度。從圖中可以看出軌底風(fēng)口溫度變化呈現(xiàn)增大-減小-增大的趨勢，即列車減速過程風(fēng)口風(fēng)溫逐漸增大，停站時由于車底產(chǎn)熱減小而風(fēng)溫降低，加速離站時風(fēng)溫繼續(xù)增大；由于氣流運動的延遲效應(yīng)，風(fēng)口1的溫度變化最滯后，但其最終溫度也最高，各風(fēng)口平均溫度從風(fēng)口6到1逐漸減小。軌頂風(fēng)口溫度變化與軌底不同，除剛開始加速時溫度有所降低之外，其他時間溫度都是逐漸升高，主要原因是軌頂風(fēng)口距離冷凝器較近，而冷凝器散熱量不隨車體運動過程變化而變化，故停站后軌頂風(fēng)口溫度隨熱量堆積繼續(xù)升高。軌底風(fēng)口最高溫度出現(xiàn)在56s的風(fēng)口1處為35.06℃，軌頂風(fēng)口最高溫度出現(xiàn)在56s的風(fēng)口1處為33.21℃。軌頂風(fēng)口平均溫度要高于軌底風(fēng)口平均溫度。雖然軌底轉(zhuǎn)向架和設(shè)備艙散熱量遠(yuǎn)大于軌頂冷凝器，但由于軌頂風(fēng)口總面積要大于軌底風(fēng)口；且冷凝器有冷凝風(fēng)機將熱量快速排到上方空間從而從軌頂風(fēng)口排出；又因熱空氣密度較小，在浮力作用下向上運動使得軌底大量熱量也通過浮升運動通過軌頂風(fēng)口排出。這幾個方面原因造成軌頂風(fēng)口溫高于軌底風(fēng)口溫度。

4.2軌底風(fēng)口關(guān)閉，軌頂風(fēng)口打開

圖5顯示了軌底風(fēng)口關(guān)閉，軌頂風(fēng)口打開工況的上下游風(fēng)機風(fēng)量變化和上下游活塞風(fēng)道風(fēng)量變化。二者的變化規(guī)律和上一工況類似，不同的是上下游風(fēng)機的風(fēng)量均小于上一工況，下游風(fēng)機風(fēng)量稍大于上游風(fēng)機，但差別較小，造成這一現(xiàn)象的原因是由于軌底風(fēng)口關(guān)閉，風(fēng)口數(shù)量減少一半，風(fēng)速對風(fēng)口內(nèi)外壓力的影響減弱，風(fēng)量基本一致，但總體風(fēng)量要小于上一工況。上下游活塞風(fēng)變化與上一工況完全一致。

圖6顯示的是列車進(jìn)站-停站-出站過程軌底風(fēng)口和軌頂風(fēng)口處平均溫度變化曲線。此時軌底風(fēng)口不進(jìn)風(fēng)?？梢钥闯鲈摴r下軌頂軌底風(fēng)口溫度要低于上一工況軌頂軌底風(fēng)口溫度，且風(fēng)量也小于上一工況，根據(jù)排熱量知軌底關(guān)閉后通過排熱風(fēng)機排出的熱量會減少。而根據(jù)模擬溫度云圖來看，軌底關(guān)閉工況中隧道內(nèi)最高溫度超過40℃，這樣的高溫對列車空調(diào)機組是極為不利的，會造成壓縮機的停機，而且該計算是在沒有考慮長時間運行熱量堆積，故實際情況比該工況中的溫度還要高。所以不應(yīng)該關(guān)閉軌底風(fēng)口。

圖4　軌底軌頂各風(fēng)口平均溫度變化

5　結(jié)論與建議

本文通過建立幾何模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，分析了地鐵屏蔽門系統(tǒng)車站排熱，分別對軌頂軌底風(fēng)口均打開工況和軌底風(fēng)口關(guān)閉工況進(jìn)行研究，得出不同風(fēng)口打開方式對隧道內(nèi)部溫度場的影響。結(jié)果表明關(guān)閉軌底風(fēng)口后風(fēng)機總體排風(fēng)量會降低，軌頂軌底風(fēng)口處的溫度也會降低，說明風(fēng)口排熱能力的降低，造成熱量堆積而使得隧道溫度升高，最高溫度高于40℃，不利于列車空調(diào)冷凝器的正常工作，故建議軌頂風(fēng)口和軌底風(fēng)口均打開。且根據(jù)各個風(fēng)口的排風(fēng)量和溫度分布圖，下游風(fēng)口的排風(fēng)量和溫度都高于上游風(fēng)口。為了能更好的發(fā)揮風(fēng)口的排熱能力，建議增大上游風(fēng)口面積，提高上游風(fēng)口的排風(fēng)量進(jìn)而增大排熱量；軌底轉(zhuǎn)向架和設(shè)備艙的散熱量遠(yuǎn)大于軌頂冷凝器散熱量，但軌頂風(fēng)口排熱能力卻高于軌底風(fēng)口，故建議增大軌底風(fēng)口的面積，提高軌底風(fēng)口的排熱能力。

圖5　軌底關(guān)閉工況風(fēng)機風(fēng)量及活塞風(fēng)量變化

圖6　軌底軌頂各風(fēng)口平均溫度變化

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Heat Exhaust Numerical Simulation of PSD System in Metro Station

YE Chenhui，CAO Yanhua，ZANG Jianbin*
（School of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai201804，China）

The PSD system of ametro station would hinder the diffusion of tunnel heat，and different heat exhaust ways has differenteffecton tunnel temperature.The impactof OTE and UPE to heatexhaustof tunnel has been calculated by numerical simulation.The simulation results indicate that open UPE will increase volume of exhaust fan，as well as decrease the average temperature of tunnel；at the same time，by analysing the air volume and temperature of each vent，it is suggested that the upstream and bottom vents should be bigger for amore effective heat exhaust efficiency.

tunnel temperature；OTE and UPE；heat exhaust；air volume

TU834；TB494 文獻(xiàn)標(biāo)示碼:A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.003

ISSN1005-9180（2016）02-012-06

2016-2-21

葉晨輝（1991-），男，碩士研究生。研究方向:制冷及低溫工程。Email:ycheart@foxmail.com