列車運行速度對安全門地鐵站臺熱環(huán)境的影響研究

朱培根 韋煒致 孔維同

陸軍工程大學(xué)國防工程學(xué)院

0 引言

地鐵車站和隧道密不可分，兩者之間的熱環(huán)境相互影響。地鐵車站熱環(huán)境主要受到列車牽引過程的產(chǎn)熱以及車站自身的產(chǎn)熱的影響，前者主要通過隧道活塞風(fēng)帶入地鐵車站，成為車站熱負荷的主要來源，影響人員的熱舒適感。

列車牽引過程影響著隧道產(chǎn)生的活塞風(fēng)量和列車產(chǎn)熱量，對于安裝了安全門系統(tǒng)的地鐵車站而言，在摻混作用的影響下車站得到的活塞風(fēng)量和熱量則有較大差別。地鐵列車牽引過程比較復(fù)雜，目前牽引過程的研究重點集中于對列牽引特性以及牽引過程中氣動效應(yīng)的研究[1-4]。此類研究則將列車牽引與隧道環(huán)境聯(lián)系起來，分析了列車牽引對隧道環(huán)境的作用，闡釋了活塞風(fēng)形成機理，列車牽引發(fā)熱原理。

清華大學(xué)鄧偉等[5]針對安全門系統(tǒng)地鐵站臺，提出了量化活塞作用強弱的摻混系數(shù)，為進一步的摻混作用研究工作打下了堅實基礎(chǔ)。國內(nèi)外研究人員雖然對列車牽引、活塞風(fēng)作用[6]取得了豐富的科研成果，但針對列車牽引對車站熱環(huán)境的具體作用規(guī)律卻并不多，需要進行深入的研究，探究列車牽引過程與活塞風(fēng)，車站得熱量的關(guān)系，得到車站速度場、溫度場的變化規(guī)律，為夏熱冬冷地區(qū)地鐵車站空調(diào)季熱環(huán)境的改善提供有力的參考依據(jù)。

1 建立模型

1.1 物理模型

選擇南京地鐵2號線苜蓿園——下馬坊區(qū)間為研究對象，并對下馬坊車站進行建模。區(qū)間隧道長為1140 m，結(jié)構(gòu)形式為圓形單線單洞，隧道截面積約為23.75 m2。物理模型基本參數(shù)如表1所示。

表1 物理模型參數(shù)表

因此，下馬坊站物理模型如圖2～4所示。圖2表明了島式地鐵站臺活塞風(fēng)分布情況。其中，能影響車站熱濕環(huán)境的活塞風(fēng)只有進入站臺和進入排風(fēng)口的那一部分[7]。

式中：Gi總活塞風(fēng)量，kg/s；Gs為進入迂回風(fēng)道的活塞風(fēng)量，kg/s；Gp為摻混入站臺的活塞風(fēng)量，kg/s；Gr為進入軌頂和站臺底排風(fēng)口的活塞風(fēng)量，kg/s；Go為進入下游隧道的活塞風(fēng)量，kg/s。

摻混系數(shù)ηmix是指影響站臺負荷的活塞風(fēng)在進入車站隧道活塞風(fēng)總量中的百分比，表達式如式（2）：

圖2 模型站臺層俯視圖

圖3 模型側(cè)視圖

圖4 車站三維模型圖

根據(jù)車站的實際參數(shù)，在CFD模擬軟件Airpak中建立車站的物理模型。原點位于列車進站側(cè)底邊與中軸對稱面的交點，X方向為隧道縱向，指向隧道下游。Y方向為車站高度方向，指向地上。Z方向為車站橫向，指向列車駛?cè)氲乃淼揽?。車站三維模型則如圖4所示。

1.2 模擬方案

該車站模型邊界條件眾多，主要涉及速度，壓力和溫度邊界條件。設(shè)定軌頂回排風(fēng)口和站臺底回排風(fēng)口為速度出口邊界，速度恒為1.0 m/s。車站站廳和站臺的空調(diào)送風(fēng)口為速度入口邊界，速度恒為1.7 m/s（空調(diào)總送風(fēng)量約為160000 m3/h）。車站人員出入口為壓力邊界，壓力值與室外大氣壓力相同。送風(fēng)溫度為24℃。

表2 數(shù)值模擬方案

對于車站與隧道相連的4個接口，列車行駛的隧道出口設(shè)定為速度邊界，其余三個接口均設(shè)定為壓力邊界，壓力值與外界大氣壓相同。隧道出口處速度邊界的差異，即列車牽引最大時速的差異影響著模擬方案的結(jié)果[8，9]，故設(shè)定具體方案如表2。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 活塞風(fēng)摻混系數(shù)

活塞風(fēng)通過隧道之后主要有四個去向，分別為經(jīng)過迂回風(fēng)道進入對面隧道，通過安全門孔隙進入站臺，進入軌排風(fēng)口以及進入下游隧道。安全門上的孔隙包括上方的孔隙和下方的百葉，不同區(qū)域孔隙的風(fēng)速不同，要計算進入站臺的活塞風(fēng)量以及進入軌排風(fēng)管的活塞風(fēng)量非常復(fù)雜，因此，本文通過計算進入迂回風(fēng)道的風(fēng)量以及進入下游隧道的風(fēng)量，來反推出進入站臺的風(fēng)量和進入軌排風(fēng)管的風(fēng)量，進而得到摻混系數(shù)。五種方案的迂回風(fēng)道斷面與下游隧道斷面平均風(fēng)速分布如圖5所示。

圖5 五種方案迂回風(fēng)道斷面與下游隧道斷面活塞風(fēng)速分布

從圖5可知，下游隧道的風(fēng)速先平緩上升，在列車進入車站時風(fēng)速迅速增大，然后隨著列車的減速運行，風(fēng)量逐漸衰減。迂回風(fēng)道風(fēng)速主要分兩個階段，前期活塞風(fēng)速呈現(xiàn)先增大后逐漸減小，最后降為0的趨勢。后期由于氣流逆轉(zhuǎn)，風(fēng)速變?yōu)樨撝挡⒅饾u增大，最后逐漸衰減到0。早期活塞風(fēng)速慢而且壓力小，未能到達下游隧道就被排風(fēng)系統(tǒng)吸收，此時小部分活塞風(fēng)進入迂回風(fēng)道，導(dǎo)致其風(fēng)速開始增大。隨著活塞風(fēng)速的逐漸增大，活塞風(fēng)壓力和迂回風(fēng)道的風(fēng)速越大，并有部分活塞風(fēng)進入站臺，但仍不足以影響到下游隧道。直到列車勻速即活塞風(fēng)穩(wěn)定，壓力和風(fēng)量均足夠大時，下游隧道活塞風(fēng)速開始逐漸增大，迂回風(fēng)道內(nèi)開始產(chǎn)生渦流，即在靠近隧道出口一側(cè)產(chǎn)生負壓，且活塞風(fēng)速越大，渦流效益越明顯，這一情況直到列車減速進站時才有所改變。列車開始進站后，車頭會將大量的活塞風(fēng)推動向前，其中小部分進入站臺以及排風(fēng)系統(tǒng)，大部分進入下游隧道，直到列車減速，下游隧道風(fēng)速才開始逐漸衰減。此時迂回風(fēng)道由于受到列車尾部的負壓作用，風(fēng)向開始反轉(zhuǎn)，大量空氣由對面隧道經(jīng)迂回風(fēng)道進入行車隧道并逐漸增強，之后由于負壓的減弱，風(fēng)速再次衰減。列車完全停止后，下游隧道的風(fēng)速迅速衰減，在停車的20 s內(nèi)幾乎衰減為0。

分析得，迂回風(fēng)道內(nèi)正向氣流是活塞風(fēng)，負向氣流僅是對面隧道的空氣且難以進入下游隧道，因而在計算進入迂回風(fēng)道的活塞風(fēng)時只計算其正向風(fēng)量。通過計算可得到五種方案迂回風(fēng)道，下游隧道，總體的活塞風(fēng)量以及摻混系數(shù)值，如表3所示。從表3可知，五種方案迂回風(fēng)道風(fēng)量相差不大，說明列車速度的高低對迂回風(fēng)道的分流作用影響較小，然而下游隧道的風(fēng)量隨列車最高時速的增大而減小，主要是因為列車最高車速越大，活塞風(fēng)速風(fēng)壓越大，越容易進入車站區(qū)域，對車站的流場造成顯著的影響，因此其摻混系數(shù)也隨著增大。

表3 五種方案摻混系數(shù)值

2.2 站臺熱環(huán)境

活塞風(fēng)進入車站后會造成車站氣流的紊亂，改變車站的溫度分布，影響人員的舒適性。故選取離站臺地面1.65 m處代表人員頭部區(qū)域，分析五種列車牽引方案下，該區(qū)域溫度場和速度場的變化情況。以方案1為例進行分析，站臺人員頭部區(qū)域的溫度分布和速度分布如圖6和圖7所示。

從圖6得，當即t=10 s時，隧道的活塞風(fēng)沒有進入車站，其影響范圍非常有限，車站溫度場相對穩(wěn)定，基本維持在設(shè)定溫度29℃左右。隨著活塞風(fēng)速增大即t=30 s時，已有部分活塞風(fēng)進入車站，但此時活塞風(fēng)作用有限，只能對車站靠近隧道出口的小部分區(qū)域產(chǎn)生影響，導(dǎo)致溫度上升到30℃左右。活塞風(fēng)穩(wěn)定作用一段時間即t=60 s時，活塞風(fēng)對站臺的影響效果十分明顯，此時站臺中部大部分區(qū)域溫度都有所上升，而靠近隧道出口區(qū)域活塞風(fēng)作用反而降低，溫度低至29℃左右。隨著活塞作用的減弱即t=90 s時，隧道出口活塞風(fēng)速非常小，已無足夠壓力進入車站，因而站臺溫度又恢復(fù)到29℃左右。

圖6 方案1不同時刻站臺人員頭部區(qū)域溫度分布

圖7 方案1不同時刻站臺人員頭部區(qū)域速度分布

從圖7可知，人員頭部區(qū)域速度變化情況與溫度變化情況規(guī)律一致，活塞風(fēng)對車站的作用效果是從弱到強，再由強變?nèi)醯倪^程，作用范圍也與溫度變化范圍基本保持一致，即說明活塞風(fēng)對車站溫度場的影響是伴隨活塞風(fēng)對車站速度場的影響而同時作用的。同樣的，其他四種方案車站的熱環(huán)境變化規(guī)律也與方案1相似，最終得到五種方案站臺人員頭部區(qū)域平均溫度變化情況如圖8所示。

圖8 五種方案站臺人員頭部區(qū)域平均溫度變化情況

從圖8可知，每個方案在t=10 s以前車站平均溫度都維持在29℃左右，表明此時活塞風(fēng)還未進入車站，且車站空調(diào)送風(fēng)未影響到人員頭部區(qū)域。之后該區(qū)域溫度稍有下降，因為活塞風(fēng)雖未仍未影響到車站，但空調(diào)送風(fēng)已改變了該區(qū)域的溫度場，該過程持續(xù)15 s左右。然后隨著活塞風(fēng)的進入，車站溫度開始升高且各方案的差異開始凸顯，隨著列車最大牽引速度增大，活塞風(fēng)作用時間縮短，車站升溫速率加快、幅度增強。以方案5為例，最高溫度已經(jīng)達到31℃，表明高速列車對車站產(chǎn)生的熱效應(yīng)較為明顯。而方案1最高溫度在29.5℃左右，說明活塞風(fēng)的熱作用較小或其大多被空調(diào)送風(fēng)稀釋。最后，由于隧道出口處活塞風(fēng)的衰減，活塞風(fēng)對車站的影響迅速減弱，并且列車最高牽引速度越大，衰減速率越快。以方案5為例，因為活塞風(fēng)衰減后隧道壓力迅速降低，再加上軌排風(fēng)機的作用，空調(diào)送風(fēng)氣流迅速擴散，50 s之后該區(qū)域溫度迅速下降，在20 s內(nèi)下降了近2.5℃。而方案1下降時間長且緩慢，且在整個列車牽引過程中站臺溫度變化不大。

3 結(jié)論

1）列車牽引速度的高低對迂回風(fēng)道的分流作用影響較小，然而下游隧道的風(fēng)量隨列車最高時速的增大而減小，同時活塞風(fēng)速風(fēng)壓增大，對車站的流場造成顯著的影響，摻混系數(shù)隨之增大。

2）活塞風(fēng)對車站溫度場的影響是伴隨活塞風(fēng)對車站速度場的影響而同時作用的，活塞風(fēng)對車站的作用效果均是從弱到強，再由強變?nèi)醯倪^程，且在列車發(fā)車后20 s至50 s內(nèi)，站臺人員頭部區(qū)域溫度變化劇烈，流速增快明顯，人員的熱不舒適感增強。

3）本文建立的車站活塞風(fēng)CFD模型為探究不同列車牽引速度對安全門車站熱環(huán)境的影響，為夏熱冬冷地區(qū)地鐵車站熱環(huán)境的改善有一定的借鑒意義。