地鐵列車活塞效應(yīng)對車站排熱風(fēng)量的影響

吳經(jīng)偉，臧建彬

(同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

0 引言

隨著時代的發(fā)展，地鐵已成為人們出行最重要的交通工具之一。地鐵列車在運行過程中，車輪與鐵軌的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，在正常運行階段，無論是惰性運行、加速運行還是減速運行，車輪與鐵軌摩擦生熱都是必不可免的，其中以列車減速進站的制動行為的產(chǎn)熱量最大。據(jù)統(tǒng)計，列車產(chǎn)熱的67%都分布在車站隧道。此外，除了車輪與鐵軌的摩擦生熱外，地鐵列車中的空調(diào)冷凝器熱量通過空調(diào)排熱風(fēng)扇直接散發(fā)至車外。摩擦熱與空調(diào)冷凝熱直接進入地鐵隧道，由于地鐵隧道的“自恢復(fù)”能力有限，若未對多余的熱量進行排除，不僅會導(dǎo)致隧道內(nèi)的空氣溫度升高，還會導(dǎo)致隧道內(nèi)土壤溫度升高，當(dāng)空氣溫度超過40℃時，空調(diào)系統(tǒng)將啟動自保護，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)停止運行。因此，在當(dāng)今地鐵設(shè)計中，為排除列車的排熱，在列車停靠在車站時的發(fā)熱部位設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng)和活塞風(fēng)道，通過機械排風(fēng)和自然排風(fēng)的方式來保證地鐵隧道環(huán)境的穩(wěn)定。列車在隧道內(nèi)運行時，受隧道壁面的限制，會產(chǎn)生“活塞”效應(yīng)，活塞效應(yīng)的出現(xiàn)會對隧道內(nèi)部的壓力場產(chǎn)生重大的影響，尤其是在運行列車附近，表現(xiàn)得尤為明顯。隧道內(nèi)部的壓力變化，必然會對車站機械排熱系統(tǒng)的排風(fēng)量自然通風(fēng)量產(chǎn)生影響，為此，本文針對活塞效應(yīng)對地鐵車站隧道通風(fēng)換氣的影響展開研究。

圖1.1 計算模型(上游隧道+站臺+下游隧道)示意圖

1 研究方法

1.1 數(shù)值方法

本模擬計算采用RNG k-ε模型。與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，RNG k-ε模型具有更好的精度，能夠充分考慮湍流渦旋，提高旋流求解精度；此外RNG理論為湍流Prandtl數(shù)提供了一個解析公式，而標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型使用的是用戶提供的常數(shù)，并且RNG k-ε模型提供了一個考慮低雷諾數(shù)流動粘性的解析公式。這些特點使得RNG k-ε模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在更廣泛的流動中有更高的可信度和精度。此外該模型在工程應(yīng)用上的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到了大量的試驗驗證，精度可靠，相對于大渦模擬等，計算量要小很多。因此在本例中，湍流模型采用RNG k-ε兩方程模型展開計算。

1.2 幾何

為消除邊界對計算結(jié)果的影響，建立計算模型時，將計算域稍加擴大，車站隧道長200m，前后各連接盾構(gòu)隧道長200m。計算域總長600m。站臺、軌頂風(fēng)道、軌底風(fēng)道、排熱風(fēng)室及活塞風(fēng)道的尺寸均來自于某地鐵站結(jié)構(gòu)圖紙。具體模型見圖1.1至圖1.3。

2 動態(tài)運行分析

計算中將列車運行狀況分為三個部分：進站段由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。

全過程中上下游風(fēng)機排風(fēng)量及上下游活塞風(fēng)井風(fēng)量列于圖2.1至圖2.8中。其中正值風(fēng)量表示隧道內(nèi)有流體流入，負值表示該風(fēng)口壓力大于外界大氣壓情況，并有氣體流出計算域，下同。

圖1.2 列車停于站內(nèi)模型示意圖

圖1.3 站臺段模型示意圖

圖2.1 列車運行時上下游風(fēng)機風(fēng)量示意圖[1]

圖2.2 列車運行時上下活塞風(fēng)井風(fēng)量示意圖[1]

觀察圖2.1可以發(fā)現(xiàn)，在列車運行全過程內(nèi)，下游排熱風(fēng)機排風(fēng)量大于上游風(fēng)機排風(fēng)量，且在列車進站過程中，風(fēng)機排風(fēng)量先減小，后增大；停在站內(nèi)時風(fēng)機風(fēng)量稍稍增加；出站過程中風(fēng)機排風(fēng)量則逐漸減小。

活塞風(fēng)井排風(fēng)規(guī)律則與排熱風(fēng)機相異，在列車進站過程中，上下游活塞風(fēng)井均從向外排風(fēng)變?yōu)橄騼?nèi)進風(fēng)，但由于下游活塞風(fēng)口位置靠后，出現(xiàn)明顯延時效應(yīng)，即為活塞風(fēng)作用。停站時下游活塞風(fēng)口一直保持進風(fēng)狀態(tài)，而上游活塞風(fēng)口則向外排風(fēng)，這是因為停站時車頭前依然受到強烈活塞風(fēng)影響，隧道內(nèi)風(fēng)速大，壓力低，活塞風(fēng)口壓力大而向內(nèi)進風(fēng)，車尾處活塞風(fēng)效應(yīng)降低，風(fēng)速小壓力大通過活塞風(fēng)口向外排風(fēng)；加速出站時車尾出現(xiàn)負壓，上游活塞風(fēng)口向內(nèi)進風(fēng)，而下游活塞風(fēng)口則由于空氣擠壓作用向外排風(fēng)?；钊L(fēng)井風(fēng)量變化較大，對隧道內(nèi)的壓力穩(wěn)定起到重要作用，同時活塞風(fēng)井排出的空氣可以帶走部分熱量，有利于隧道的降溫。

以下將對列車進站——停站——出站三個過程依次展開詳細分析。

2.1 進站

圖2.3 列車減速進站時上下游風(fēng)機風(fēng)量示意圖

圖2.4 列車減速進站時上下游風(fēng)井風(fēng)量示意圖

在列車減速進站過程中，上下游風(fēng)機排風(fēng)量均呈現(xiàn)減小后保持不變的趨勢，從0s到8s，車速從18m/s減到8.4m/s，上下游排熱風(fēng)機排風(fēng)量受活塞風(fēng)的減弱而減小，8s到15s時由于列車位置已經(jīng)在站內(nèi)靠近停車位置，活塞風(fēng)對各個風(fēng)口的影響更小，故上下游排熱風(fēng)機的風(fēng)量保持恒定而稍有增加。對比上下游風(fēng)機排風(fēng)量，下游風(fēng)機的排風(fēng)量比上游風(fēng)機排風(fēng)量大，主要是上游排風(fēng)口距離列車較近，風(fēng)口風(fēng)速大而靜壓小，與排熱風(fēng)室的壓差小故排風(fēng)量小，加上隨著列車由上游隧道深入車站，大量氣體隨列車運動被推向下游方向，這不僅增加了下游風(fēng)機的排風(fēng)量，也使得下游活塞風(fēng)井排風(fēng)量大幅上升。

圖2.5 列車停站時上下游風(fēng)機風(fēng)量示意圖

圖2.6 列車停站時上下游活塞風(fēng)井風(fēng)量示意圖

受列車進站過程活塞效應(yīng)變化的影響，上游活塞風(fēng)從開始的排風(fēng)到進風(fēng)又變?yōu)榕棚L(fēng)。運動到2s時，上游風(fēng)井處隧道內(nèi)風(fēng)速大而靜壓小，在外界大氣壓的作用下風(fēng)井開始進風(fēng)，運動到13s時，車速降低，活塞效應(yīng)減弱，隧道風(fēng)速和風(fēng)井風(fēng)速降低，隨后隧道內(nèi)氣壓大于外界大氣壓，該風(fēng)口又恢復(fù)排風(fēng)狀態(tài)。下游風(fēng)井從0～5s是排風(fēng)狀態(tài)，5s以后隨著列車進站的深入，下游活塞風(fēng)速增大，隧道內(nèi)壓強減小，風(fēng)井進風(fēng)。對比兩種排風(fēng)方式，在列車減速過程中，風(fēng)井排風(fēng)量要大于風(fēng)機排風(fēng)量，二者共同排出隧道內(nèi)熱量。

2.2 停站

列車停止運行后，隧道內(nèi)活塞風(fēng)減小，風(fēng)口擾動減小，風(fēng)機排風(fēng)能力增強，上下游排風(fēng)機風(fēng)量逐漸增加。上、下游風(fēng)機最大排風(fēng)量分別為9.4m3/s、13.7m3/s，總風(fēng)量依舊是下游風(fēng)機大于上游風(fēng)機。

從圖2.6可以看出列車停站時，上游活塞風(fēng)口一直處于排風(fēng)狀態(tài)，而下游活塞風(fēng)口則處于進風(fēng)狀態(tài)，進風(fēng)量隨時間減小。這也可以解釋上游排熱風(fēng)機排風(fēng)量小于下游排熱風(fēng)機排風(fēng)量，因為上游活塞風(fēng)口也起到了排風(fēng)的作用，故上游排熱風(fēng)機排風(fēng)量會少于下游排熱風(fēng)機風(fēng)量。

2.3 出站

圖2.7 列車出站時上下游風(fēng)機風(fēng)量示意圖

圖2.8 列車出站時上下游活塞風(fēng)井風(fēng)量示意圖

列車加速出站過程中上下游風(fēng)機風(fēng)量均先減小后增加。運動的列車使得隧道內(nèi)風(fēng)速增大，靜壓減小風(fēng)機排風(fēng)減小，下游風(fēng)機風(fēng)量減小的速率更快，是因為列車加速的比較快的時候車尾正好在下游風(fēng)口處，車尾負壓使得下游風(fēng)口更難排出空氣。

列車出站過程風(fēng)井風(fēng)量變化明顯，上游風(fēng)井從排風(fēng)變?yōu)檫M風(fēng)，下游風(fēng)井從進風(fēng)變?yōu)榕棚L(fēng)進而又進風(fēng)。在列車行駛過程中，列車尾部產(chǎn)生負壓，造成上游風(fēng)井處內(nèi)部壓力降低，成為進風(fēng)口；隨著車速增大，車頭擠壓空氣，下游風(fēng)井處排出了被擠壓的空氣，當(dāng)車身經(jīng)過下游風(fēng)井后，擠壓作用減弱，風(fēng)井外隧道風(fēng)速變大，靜壓減小進而變?yōu)檫M風(fēng)口。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)列車進站時隧道內(nèi)風(fēng)速波動很大?？傮w而言，上游風(fēng)速要比下游風(fēng)速大，下游風(fēng)速與上游風(fēng)速的變化趨勢相近，但時間上有一些延遲。

(2)列車加速出站過程中上下游風(fēng)機風(fēng)量均先減小后增加，上游活塞風(fēng)口從排風(fēng)變?yōu)檫M風(fēng)，下游活塞風(fēng)口從進風(fēng)變?yōu)榕棚L(fēng)進而又進風(fēng)。

(3)列車停站后，隧道內(nèi)活塞效應(yīng)減弱，上下游風(fēng)機風(fēng)量均有所增加，上游活塞風(fēng)口一直處于排風(fēng)狀態(tài)，而下游活塞風(fēng)口則處于進風(fēng)狀態(tài)，進風(fēng)量隨時間減小。

(4)在列車運行全過程內(nèi)，下游排熱風(fēng)機排風(fēng)量大于上游風(fēng)機排風(fēng)量，且在列車進站過程中，風(fēng)機排風(fēng)量先減小，在到達某個位置后，又開始增大；停在站內(nèi)時風(fēng)機風(fēng)量稍稍增加；出站過程中風(fēng)機排風(fēng)量則逐漸減小。