地鐵聯(lián)絡線中空氣的流動和換熱特性分析

楊 準 何 磊 雷 波 鄧保順 郭永楨

地鐵聯(lián)絡線中空氣的流動和換熱特性分析

楊 準1何 磊2雷 波1鄧保順2郭永楨2

（1.西南交通大學機械工程學院 成都 610031；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 西安 710043）

采用SES軟件分析了地鐵聯(lián)絡線中空氣的流動和換熱特性，討論了聯(lián)絡線長度、斷面積以及距車站距離對聯(lián)絡線中空氣的流動和換熱特性的影響。結果表明：聯(lián)絡線中空氣的流向呈周期性正反交替變化，一個周期內兩正線通過聯(lián)絡線的空氣交換量為196m3；正線流入聯(lián)絡線的熱流量也呈周期性正反交替變化，一個周期內兩正線通過聯(lián)絡線的熱交換量為2579kJ；三種影響因素中聯(lián)絡線距車站距離的影響最大，聯(lián)絡線長度的影響次之，斷面積的影響最小。

地鐵聯(lián)絡線；空氣流動；熱量交換

0 引言

聯(lián)絡線是連接兩條獨立運營線的輔助線路，目前的地鐵隧道通風針對單線設計，沒有考慮聯(lián)絡線對運營線路空氣流動和換熱特性的影響。掌握聯(lián)絡線中空氣的流動和換熱特性，有助于深入分析地鐵線路之間通過聯(lián)絡線的空氣交換和熱交換規(guī)律，同時可以對聯(lián)絡線的工程設計提供參考。

許多學者采用數(shù)值模擬、模型實驗及現(xiàn)場實測等方法對地鐵隧道空氣流動和熱交換特性進行了研究，例如：黃鵬[1]應用CFdesign8.0對地鐵區(qū)間隧道和地鐵車站內空氣的流動特性進行了分析；胡浩明[2]利用CFD建立動態(tài)仿真模型分析了地鐵隧道內氣流的溫度、速度和壓力場動態(tài)變化特性；閆春利[3]采用數(shù)值模擬的方法討論了行車對數(shù)和風井位置對活塞風井通風特性的影響；JYKim和KYKim[4]建立1/20列車和隧道模型，通過實驗得出列車在加速、勻速和減速運行條件下隧道內氣流變化規(guī)律；齊江浩[5]和劉偉[6]分別對西安地鐵2號線和蘇州地鐵2號線某站上、下行線隧道及活塞風道中的風速和溫度進行監(jiān)測，分析了隧道與活塞風道內氣流的運動特性及其動態(tài)變化規(guī)律；王麗慧[7]綜合運用縮尺模型實驗、SES數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測三種研究方法分析地鐵區(qū)間隧道速度場和溫度場的特性。目前缺乏對聯(lián)絡線引起的正線間空氣交換和熱量交換的研究。

本文采用SES軟件對經聯(lián)絡線連通的兩線地鐵隧道進行模擬計算，分析聯(lián)絡線中空氣的流動和換熱規(guī)律，以及聯(lián)絡線的長度、斷面積和距車站距離等因素的影響。

1 地鐵模型與計算參數(shù)

本文以西安地鐵A、B兩條屏蔽門系統(tǒng)線路為例，建立計算模型。兩線各有9個有效長度為120m的地下島式站臺，區(qū)間隧道長度為1000m，隧道斷面積為20m2，線路長度為11220m，活塞風井長度為20m，活塞風井橫截面積為20m2，聯(lián)絡線均位于兩線第三站與第四站間區(qū)間隧道，正常工況列車最大車速均為80km/h。進出站端分別設有活塞風井，車站軌行區(qū)設置排風量為60m3/s的軌道排熱系統(tǒng)（TES），兩線行車對數(shù)均為30對/h，初始列車發(fā)車時間A線早于B線95s。以西安最熱月平均溫度26.7℃為計算溫度。

模擬計算的基準工況：聯(lián)絡線長度為400m，斷面積為20m2，聯(lián)絡線距車站距離均為第四站進站端前200m，聯(lián)絡線位置如圖1所示，圖1中A1-A9分別表示A線第1～9車站，B1-B9分別表示B線第1～9車站。

圖1 聯(lián)絡線位置示意圖

2 聯(lián)絡線中空氣的流動和換熱特性參數(shù)

將聯(lián)絡線作為研究對象，規(guī)定聯(lián)絡線中空氣由A線流向B線為正向，B線流向A線為負向。

2.1 聯(lián)絡線中空氣流動特性參數(shù)

本文用CL代指聯(lián)絡線，聯(lián)絡線中空氣流速v（m/s）可由SES計算得到，規(guī)定空氣由A線流向B線時v為正值，反之v為負值。

一個周期（s）聯(lián)絡線空氣凈風量V（m3）、正向流動風量+（m3）和負向流動風量-（m3）可以按（1）計算。

式中：為聯(lián)絡線斷面積，m2；v為聯(lián)絡線中空氣流速，m/s；為周期時間，s；+為周期內空氣正向流動時間，s；-為周期內空氣負向流動時間，s。

2.2 聯(lián)絡線中空氣換熱特性參數(shù)

聯(lián)絡線中空氣與A、B線換熱熱流量如圖2所示。

圖2 熱流量計算示意圖

從A線流入聯(lián)絡線的熱流量q（kJ/s）和從聯(lián)絡線流入B線的熱流量q（kJ/s）可分別按（2）、（3）計算。根據聯(lián)絡線中空氣的流動方向規(guī)定：空氣由A線流入聯(lián)絡線時q為正值，聯(lián)絡線流入A線時q為負值，聯(lián)絡線流入B線時q為正值，B線流入聯(lián)絡線時q為負值。

式中：為空氣比熱容，kJ/kg×℃；為空氣密度，kg/m3；為聯(lián)絡線斷面積，m2；v為聯(lián)絡線中空氣流速，m/s；t為A線流入聯(lián)絡線的空氣溫度，℃；t為B線流入聯(lián)絡線的空氣溫度，℃；t為聯(lián)絡線流入A線或者B線的空氣溫度，℃。

一個周期從A線流入聯(lián)絡線的凈熱量Q（kJ）和從聯(lián)絡線流入B線的凈熱量Q（kJ）可以按（4）計算。

式中：為熱流量，kJ/s，包括q和q；為周期時間，s。

一個周期聯(lián)絡線隧道壁面與空氣的換熱量Q（kJ）可按（5）計算。

3 計算結果與分析

SES軟件計算可得v、+、-、t、t和t。由公式（1）計算可得V，公式（2）、（3）計算可得q和q，公式（4）、（5）計算可得Q、Q和Q。本文列車行車對數(shù)為30對/h，對應一個周期時間為120s。

3.1 聯(lián)絡線的空氣流動和換熱基本特性

本文從基準工況一個周期內v的變化分析聯(lián)絡線中空氣流動基本特性；從一個周期內q和q的變化分析聯(lián)絡線中空氣換熱基本特性。

3.1.1 空氣流動基本特性

一個周期內v的變化如圖3所示。

圖3 一個周期內聯(lián)絡線空氣流速變化

由圖3可見，一個周期內v正負交替變化，正、負流動各兩次，正向流速最大為2m/s，反向流速最大為1.5m/s。計算得+為1130m3，-為-934m3，V為A線流向B線196m3。這一現(xiàn)象的原因是一個周期內兩線各有一輛列車經過聯(lián)絡線與正線連接處，聯(lián)絡線與A線、B線的聯(lián)絡點處各有兩次正負壓過程。

3.1.2 換熱基本特性

一個周期q和q的變化如圖4所示。

圖4 一個周期內聯(lián)絡線熱流量變化

由圖4可見，q、q均在一個周期內正負交替變化，q始終大于q，故空氣流經聯(lián)絡線失熱，即聯(lián)絡線吸熱。對比圖3發(fā)現(xiàn)熱流量變化與空氣流速變化同步，計算得Q為8925kJ，Q為2579kJ，Q為6346kJ。這一現(xiàn)象的原因是正常工況下聯(lián)絡線內無列車通過，聯(lián)絡線隧道壁溫低于正線隧道，空氣流經聯(lián)絡線被冷卻。

3.2 不同因素對聯(lián)絡線中空氣的流動和換熱特性的影響

聯(lián)絡線中空氣的流動和換熱特性受多個因素的綜合影響，本文主要對聯(lián)絡線長度、斷面積以及距車站距離3種因素進行分析和討論，除需分析的影響因素外，其他參數(shù)與基準工況相同。

將+、-和V作為聯(lián)絡線中空氣流動特性的評價指標，將Q、Q和Q作為聯(lián)絡線中空氣換熱特性的評價指標。規(guī)定下文圖表+和-均以正值表示，聯(lián)絡線內凈風量A線流向B線時V為正值，反之V為負值，Q和Q正負值規(guī)定與前文q和q一致。聯(lián)絡線吸熱時Q正值，放熱時Q為負值。

3.2.1 聯(lián)絡線長度

為分析聯(lián)絡線長度對聯(lián)絡線中空氣的流動和換熱特性的影響，長度分別取200m、300m、400m和500m進行計算。

不同長度聯(lián)絡線對風量的影響如圖5所示。

圖5 不同長度聯(lián)絡線對風量的影響

由圖5可見，+、-和V均隨聯(lián)絡線長度的增加而減小。聯(lián)絡線長度由200m增加到500m，+減小了24.3%，-減小了24.4%，V減小了24.1%。這是由于聯(lián)絡線長度增加，聯(lián)絡線沿程阻力增加導致風量減小。

不同長度聯(lián)絡線對換熱量的影響如圖6所示。

2.3 SAP10-2檢測異常的區(qū)域與位點 表3示21位10-2SAP異常的PPG患者視野缺損主要出現(xiàn)在上半側和上方區(qū)域（分區(qū)方法見圖1［2］），與健康對照組差異有統(tǒng)計學意義，其他區(qū)域差異無統(tǒng)計學意義。

圖6 不同長度聯(lián)絡線對換熱量的影響

由圖6可見，Q和Q均隨著聯(lián)絡線長度增加而減小，Q減小幅度更大，Q隨著聯(lián)絡線長度增加而增大。聯(lián)絡線長度由200m增加到500m，Q減小了22.7%，Q減小了76.5%，Q增大了47.6%。Q減小是聯(lián)絡線風量降低造成，Q增大是長度增加，空氣與聯(lián)絡線隧道壁面換熱面積增大造成，由公式（5）知Q是Q與Q之差，故Q降幅大于Q。

3.2.2 聯(lián)絡線斷面積

為分析聯(lián)絡線斷面積對聯(lián)絡線中空氣的流動和換熱特性的影響，斷面積分別取20m2、25m2、30m2和35m2進行計算。

不同斷面積聯(lián)絡線對風量的影響如圖7所示。

圖7 不同斷面積聯(lián)絡線對風量的影響

由圖7可見，+、-和V均隨聯(lián)絡線斷面積的增加而增大。聯(lián)絡線斷面積由20m2增加到35m2，+增大了19.1%，-增大了18.2%，V增大了23.4%。這是由于聯(lián)絡線斷面積增加，聯(lián)絡線沿程阻力減小導致風量增加。

不同斷面積聯(lián)絡線對換熱量的影響如圖8所示。

由圖8可見，Q、Q和Q均隨著聯(lián)絡線斷面積增加而增大。聯(lián)絡線斷面積由20m2增加到35m2，Q增大了21.4%，Q增大了30.8%，Q增大了17.6%。Q增大是聯(lián)絡線風量增大造成，Q增大是斷面積增加，空氣與聯(lián)絡線隧道壁面換熱面積增大造成，Q增幅大于Q，根據公式（5）知Q為Q與Q之差，故Q隨聯(lián)絡線斷面積的增加而增大。

圖8 不同斷面積聯(lián)絡線對換熱量的影響

為分析聯(lián)絡線距車站距離對聯(lián)絡線中空氣的流動和換熱特性的影響，聯(lián)絡線距車站距離分別取100m、200m、300m、400m和500m進行計算。

聯(lián)絡線距車站不同距離對風量的影響如圖9所示。

圖9 聯(lián)絡線距車站不同距離對風量的影響

由圖9可見，隨聯(lián)絡線距車站距離的增加，+和-增加，V先減少后反向增大。聯(lián)絡線距車站距離由100m增加到500m，+增大了59.6%，-增大了190.1%，V減少了233.1%。+和-增大主要是由于活塞風壓隨列車速度的增加而增大，隨著聯(lián)絡線遠離車站，聯(lián)絡線所在處列車速度越來越大，風壓越來越大，故聯(lián)絡線風量增大。V先減少后反向增大是因為聯(lián)絡線位置改變，兩線初始列車發(fā)車時間和行車對數(shù)保持不變，列車通過聯(lián)絡點的時間發(fā)生變化，當A線列車通過聯(lián)絡點時，B線列車與聯(lián)絡點的相對位置發(fā)生改變，造成+和-增幅不同。

聯(lián)絡線距車站不同距離對換熱量的影響如圖10所示。

圖10 聯(lián)絡線距車站不同距離對換熱量的影響

由圖10可見，隨著聯(lián)絡線距車站距離的增加，Q、Q均先減少后反向增大，與V的變化情況相似，Q增大。聯(lián)絡線距車站距離由100m增加到500m，Q減少170.8%，Q減少384.4%，Q增大了35.2%。Q增大是因為單向風量增大，聯(lián)絡線中空氣與隧道壁面換熱增大，由公式（1）～（4）可知Q、Q與聯(lián)絡線中流動風量和溫度相關，所以Q、Q與V的變化相似，均為先減少后反向增大，但因為溫度不同，Q、Q和V的變化不同步。

通過上述分析可以看出兩正線通過聯(lián)絡線的空氣交換量和熱交換量受聯(lián)絡線距車站距離的影響最大，聯(lián)絡線長度的影響次之，斷面積的影響最小。

4 結論

本文對線路參數(shù)、最大行車速度和行車對數(shù)相同的兩條地鐵線路之間聯(lián)絡線中空氣的流動和換熱特性進行了分析，探討了聯(lián)絡線長度、斷面積和距車站距離對聯(lián)絡線中空氣流動和換熱特性的影響，得出以下結論：

（1）聯(lián)絡線中空氣流向呈周期性正反交替變化，基準工況一個周期內兩正線通過聯(lián)絡線的空氣交換量為196m3；正線流入聯(lián)絡線的熱流量也呈周期性正反交替變化，基準工況一個周期內兩正線通過聯(lián)絡線的熱交換量為2579kJ，同時聯(lián)絡線吸熱量為6346kJ。

（2）兩正線通過聯(lián)絡線的空氣交換量和熱交換量隨聯(lián)絡線長度的增加而減少，隨聯(lián)絡線斷面積的增加而增大，隨聯(lián)絡線距車站距離的增加先減少后增大。三種影響因素中聯(lián)絡線距車站距離的影響最大，聯(lián)絡線長度的影響次之，斷面積的影響最小。

[1] 黃鵬.地鐵隧道及車站內流動特性的數(shù)值模擬研究[D].北京:北京交通大學,2007.

[2] 閆春利,雷波.行車對數(shù)和位置對活塞風井通風特性的影響[J].制冷與空調,2018,32(1):1-6.

[3] 胡浩明.不同排熱模式下地鐵隧道內氣流分布特征的研究[C].2014鐵路暖通年會,2014:49-56.

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[7] 王麗慧,吳喜平,宋潔,等.地鐵區(qū)間隧道速度場溫度場特性研究[J].制冷學報,2010,31(3):55-62.

Study on the Air Flow and Heat Transfer Characteristics of Subway Connecting Line

Yang Zhun1He Lei2Lei Bo1Deng Baoshun2Guo Yongzhen2

( 1.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031;2.China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd, Xi’an, 710043 )

In this paper, the Subway Environment Simulation(SES) computer program is used to calculate the air flow and heat transfer characteristics in the subway connecting line. The effects of the length, cross-sectional area and distance from the station of the connecting line on the air flow and heat transfer characteristics of the line are discussed. The results show that: the direction of air flow in the connecting line alternate between positive and negativeperiodically, and the air exchange volume of the two main lines through the connecting line in a cycle is 196m3; the heat fluxes of the two main lines through the connecting line also alternate between positive and negative periodically, and the heat transfer capacity of the two main lines through the connecting line in a cycle is 2579kJ; Among the three influencing factors, the distance between the connecting line and the station has the largest effect, the second is the length of the connecting line, and the smallest influence is the cross-sectional area of the connecting line.

Subway connecting line; Air flow; Heat exchange

TU834

B

1671-6612（2020）02-170-05

陜西省重點研發(fā)計劃2018SF-393

楊 準（1996.8-），男，在讀碩士研究生，E-mail：yangzhun96@163.com

何 磊（1987.8-），男，博士，高級工程師，E-mail：swjtuhl822@126.com

2019-12-31