平入式地鐵出入口風(fēng)壓作用CFD模擬研究

胡玉祥 胡小平 曾 臻 唐云輝 肖益民

（1.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400044；2.遼寧省電力有限公司大連供電公司 大連 116001；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610031；4.重慶市氣象科學(xué)研究所 重慶 401147）

0 引言

地鐵出入口是地鐵車站空間內(nèi)部與地面環(huán)境之間的過渡和聯(lián)系的空間，對(duì)于維持地鐵站內(nèi)部的環(huán)境有著極其重要的作用，出入口外部有一定秩序的人造公共環(huán)境。隨著地鐵建設(shè)的發(fā)展，地鐵出入口形式也在不停地變化，其形式的變化對(duì)整個(gè)地鐵的通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的影響。

Hazim B Awbi等[1-4]介紹了風(fēng)壓的計(jì)算方法等，并提出了影響風(fēng)壓系數(shù)Cp的關(guān)鍵因素。國內(nèi)，李紅祥等[5-7]介紹了自然通風(fēng)應(yīng)用與研究的主要方面，并采用“矩形房間”模型，通過改變開口尺寸及開口位置分別模擬了不同的組合方式下模型房間內(nèi)及周邊風(fēng)壓的變化。

但是以上研究都是針對(duì)地上建筑，未曾研究類似于地鐵站通道的地下建筑的風(fēng)壓作用。本研究針對(duì)平入式地鐵出入口形式，采用數(shù)值模擬的方法分析了地鐵出入口處風(fēng)壓的分布情況。

1 物理模型

1.1 物理模型的建立

地鐵出入口形式有多種，主要有獨(dú)立式出入口、與建筑共建的共用出入口以及與地下廣場相結(jié)合的下沉式出入口[8-10]。根據(jù)出入口的具體形式，又可將獨(dú)立式出入口分為平入式和棚入式兩種。平入式（見圖1）的入口面基本與地面等高，無多余的結(jié)構(gòu)；棚入式（見圖2）的入口處設(shè)有專門的短暫通道連接至內(nèi)部通道。

圖1 平入式地鐵出入口Fig.1 The level subway entrance

圖2 棚入式地鐵出入口Fig.2 The subway entrance with shed

本研究選取重慶市地鐵1號(hào)線沙坪壩站1號(hào)出入口（如圖3）建立1:1的平入式物理模型，經(jīng)過實(shí)地測量獲得物理模型的參數(shù)后，建立模型如圖5所示。由圖4可以看出入口處有一個(gè)玻璃棚（起到捕風(fēng)器的作用）；所以，雖然入口只有一個(gè)，但在模型中設(shè)有兩個(gè)入口面，入口面1尺寸為5m×3m（長×寬），此面為水平面，入口面2為玻璃棚對(duì)應(yīng)的入口面，尺寸為3m×0.9m（長×寬），此面為垂直面；內(nèi)部通道尺寸為3m×2.4m（長×寬）。為了得到較好的模擬結(jié)果，本次模擬將物理模型置于較大的流場計(jì)算域中，通過實(shí)地測量得出地鐵出入口與周邊建筑的距離，并以此作為該計(jì)算域的邊界，如圖6所示。

圖3 沙坪壩站1號(hào)出入口（正視圖）Fig.3 The 1st entrance of Shapingba subway station(the front view)

圖4 沙坪壩站1號(hào)出入口（側(cè)視圖）Fig.4 The 1st entrance of Shapingba subway station(the side view)

圖5 物理模型圖Fig.5 Physical model diagram

圖6 計(jì)算域模型圖Fig.6 Computational domain model diagram

1.2 數(shù)學(xué)模型

整個(gè)計(jì)算域內(nèi)的氣流實(shí)際上屬于非穩(wěn)態(tài)的三維不可壓縮紊流流動(dòng)，本次研究只關(guān)注風(fēng)壓的作用，不考慮熱源的作用，故不需要開啟能量方程，且將密度ρ視為常數(shù)。在紊流粘性模型中，氣流流動(dòng)用質(zhì)量、動(dòng)量的時(shí)均N-S方程來描述：

1.3 邊界條件

進(jìn)口邊界條件：根據(jù)重慶地區(qū)的全年平均風(fēng)速，初給定入口邊界的速度為恒定風(fēng)速，分別為U=1m/s、2m/s、3m/s。

固體壁面條件：上空面：W=0；側(cè)空面：V=0。

當(dāng)入口面全開時(shí)，風(fēng)流經(jīng)入口面會(huì)有一部分氣流進(jìn)入地下通道；但是假設(shè)當(dāng)入口面為實(shí)體墻（即全封閉的狀態(tài)）時(shí)，氣流只能沿入口面流動(dòng)，并不能進(jìn)入通道。為了比較入口封閉和入口全開的同一面上的風(fēng)壓作用，故采用兩種不同的出口邊界條件：

（1）計(jì)算域outlet出口邊界設(shè)為壓力出口，將入口面1、入口面2、內(nèi)部通道面設(shè)為wall邊界，此種情況，氣流不能流進(jìn)通道，入口全封閉；

（2）計(jì)算域outlet出口邊界及地鐵內(nèi)部通道口部均設(shè)為壓力出口，入口面1、入口面2設(shè)為interior，此種情況下，部分氣流流進(jìn)通道。

2 結(jié)果分析及討論

本研究不考慮熱源的作用，即不考慮浮升力的影響，只考慮風(fēng)壓的作用，根據(jù)建立的計(jì)算域可知，風(fēng)從inlet吹入經(jīng)過充分發(fā)展后，在第一種出口邊界條件下，氣流經(jīng)過入口面后，從計(jì)算域outlet邊界流出；在第二種出口邊界條件下，一部分氣流經(jīng)過入口面1及入口面2進(jìn)入地鐵通道內(nèi)部，另一部分從計(jì)算域outlet邊界流出。

建筑的風(fēng)壓分布除了建筑體型的影響外，還受風(fēng)速的影響，相同的建筑體型，在不同的風(fēng)速條件下，風(fēng)壓在建筑物表面上的分布是不同的。本次研究只針對(duì)平入式地鐵出入口形式，通過改變風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)壓對(duì)比分析。

一般而言，建筑物表面各點(diǎn)的壓力值，都必須與遠(yuǎn)處前方上游或離建筑物一定距離（如遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過邊界層外某一點(diǎn)）的自由氣流的平均動(dòng)壓進(jìn)行對(duì)比，因此可定義一個(gè)無量綱的風(fēng)壓系數(shù)

其中：U為參考風(fēng)速（一般可用無窮遠(yuǎn)處建筑物高度處的風(fēng)速）；P為建筑物表面的壓力；P0為遠(yuǎn)處未受擾動(dòng)氣流的壓力；為ρ自由流的空氣密度。

決定風(fēng)壓系數(shù)Cp值的因素主要有以下幾點(diǎn)[1]：

（1）建筑的幾何形體；

（2）相對(duì)于建筑的風(fēng)速（速度大小與風(fēng)向）；

（3）建筑物的暴露情況，如相對(duì)于其他建筑的位置、來流風(fēng)向上的地勢形態(tài)及粗糙度情況。

本次研究只關(guān)注風(fēng)速大小對(duì)風(fēng)壓系數(shù)Cp的影響，通過改變計(jì)算域入口處的空氣速度，研究入口面1及入口面2上的風(fēng)壓系數(shù)Cp的變化情況，針對(duì)風(fēng)速U=1m/s、2m/s、3m/s分別計(jì)算Cp值。

2.1 第一種出口邊界條件

入口面1及入口面2為wall面，封閉，內(nèi)部接口面為wall面，計(jì)算結(jié)果見表1、表2所示。

表1 入口面1上的壓力值Table 1 Wind pressure of the 1st surface of entrance

表2 入口面2上的壓力值Table 2 Wind pressure of the 2nd surface of entrance

由表1及表2可知，計(jì)算域入口風(fēng)速的變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)壓系數(shù)Cp也隨之而變。具體來說，隨著風(fēng)速的增加，入口面1及入口面2上的面平均壓力值都增大了，且風(fēng)壓系數(shù)Cp值也隨著風(fēng)速的增大而變大。比較入口面1及入口面2的風(fēng)壓系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，入口面2上的Cp值明顯較大，且隨著風(fēng)速的增大，Cp值的增幅也更大，這種差別的原因在于入口面1平行于風(fēng)速來流方向，屬于剪切通風(fēng)形式，此種形式下風(fēng)速對(duì)風(fēng)壓的影響較小，Chia-Ren Y H Chiu[12]等人在研究中也證明了此現(xiàn)象。

2.2 第二種出口邊界條件

入口面1及入口面2為交界面，開口，設(shè)為interior，內(nèi)部接口面設(shè)為pressure-outlet，計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。

表3 入口面1上的壓力值Table 3 Wind pressure of the 1st surface of entrance

表4 入口面2上的壓力值Table 4 Wind pressure of the 2nd surface of entrance

由表3可知，入口面1上的風(fēng)壓值均為負(fù)值，且隨著風(fēng)速的增大，入口面1上的風(fēng)壓系數(shù)Cp的絕對(duì)值越來越小，且越接近零。而由表4可知，隨著風(fēng)速的增大，入口面2上的風(fēng)壓系數(shù)Cp值反而減小，入口面2的風(fēng)壓值均為正值，因風(fēng)速垂直于入口面，風(fēng)經(jīng)過入口面2四周的銳邊緣時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壓力值的急劇變化，故壓力值存在上升的趨勢。但由兩表可知，隨著風(fēng)速的增大，兩個(gè)入口面上的風(fēng)壓值是增大的，說明入口面1及入口面2上的靜壓增值相對(duì)于動(dòng)壓的增值小，故導(dǎo)致風(fēng)壓系數(shù)Cp值隨著風(fēng)速的增大反而減小。

由表3可知，入口面1上的風(fēng)壓值為負(fù)值，但是這并不意味著風(fēng)不能進(jìn)入通道內(nèi)部，由于入口面2與入口面1垂直相交，在交界處會(huì)出現(xiàn)氣流的卷吸作用，進(jìn)而導(dǎo)致氣流進(jìn)入內(nèi)部通道。

3 結(jié)論

本文利用CFD方法對(duì)平入式地鐵出入口的壓力場進(jìn)行了研究，并充分考慮了計(jì)算域的影響，考察了風(fēng)速對(duì)于地鐵出入口風(fēng)壓的影響。

（1）在工程計(jì)算中，一般先假設(shè)出入口為封閉狀態(tài)，模擬計(jì)算得到出入口面的壓力值，然后將得到的壓力值作為新的邊界條件計(jì)算通道內(nèi)部的氣流組織及壓力值分布情況。而實(shí)際地鐵出入口并不是封閉的，有氣流進(jìn)入出入口通道。本次研究比較了兩種不同邊界條件下的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)同一流速下，全開的入口面上的風(fēng)壓值及風(fēng)壓系數(shù)都比封閉入口面上的小，且差別較大，甚至在入口面1上風(fēng)壓值會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，故實(shí)際工程上將封閉建筑上的風(fēng)壓值作為開口建筑的邊界條件進(jìn)行計(jì)算的做法是不準(zhǔn)確的，應(yīng)該進(jìn)行修正。

（2）本文研究了不同風(fēng)速下的同一個(gè)地鐵出入口的風(fēng)壓變化情況，當(dāng)假設(shè)入口處于封閉狀態(tài)時(shí)，風(fēng)速增大時(shí)，入口面上的風(fēng)壓值及風(fēng)壓系數(shù)都隨之增加；當(dāng)入口不封閉時(shí)（現(xiàn)實(shí)中的狀態(tài)），風(fēng)速增大時(shí)，入口面上的風(fēng)壓值隨之增加，但當(dāng)采用風(fēng)壓系數(shù)Cp作為衡量指標(biāo)時(shí)，Cp值隨著風(fēng)速的增大而減小。

（3）地鐵出入口一般建在縱向的街道中，由于風(fēng)的流動(dòng)受到周邊障礙物的影響，風(fēng)向具有不穩(wěn)定性，故實(shí)際能進(jìn)入地鐵通道內(nèi)部的風(fēng)量是不定的，故將計(jì)算域擴(kuò)至整個(gè)街道，這樣得出的兩個(gè)入口面的壓力值更準(zhǔn)確，也可得出實(shí)際進(jìn)入通道的風(fēng)量。本次研究改變了入口風(fēng)速，其他條件均不改變，故進(jìn)入地鐵通道內(nèi)部的風(fēng)量也隨之改變，風(fēng)壓系數(shù)Cp也隨著風(fēng)速的改變而變化，故風(fēng)壓系數(shù)與進(jìn)入通道的流量并不是獨(dú)立的。