基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)格技術(shù)和離散相模型的地鐵隧道活塞風(fēng)特性及通風(fēng)豎井井口污染物擴(kuò)散研究

燕成飛 鄭學(xué)林 臧建彬

(1.上海海事大學(xué)商船學(xué)院，201306，上海; 2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，201804，上海 ∥ 第一作者，碩士研究生)

通風(fēng)豎井作為地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)，是隧道內(nèi)外空氣的“重要通道”。其作用可以歸納為：正常運(yùn)行時(shí)，向地鐵隧道內(nèi)提供一定的新風(fēng)量，排除隧道內(nèi)的余熱余濕，創(chuàng)造合適的溫濕環(huán)境，維持設(shè)備的正常運(yùn)行；發(fā)生緊急事件時(shí)，提供必要的新風(fēng)量，誘導(dǎo)乘客疏散。目前，對(duì)于地鐵隧道的通風(fēng)研究主要集中在活塞風(fēng)特性，以及活塞風(fēng)對(duì)車(chē)站能耗影響的研究。文獻(xiàn)[1]運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式研究了區(qū)間隧道活塞風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)壓等規(guī)律，發(fā)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生活塞風(fēng)，列車(chē)進(jìn)站和出站兩個(gè)過(guò)程活塞風(fēng)在各個(gè)區(qū)域的分布有所不同。文獻(xiàn)[2-3]通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性，得到了無(wú)通風(fēng)豎井情況下隧道內(nèi)的空氣壓力和速度分布規(guī)律，研究表明，隧道內(nèi)的空氣壓力和速度分布受行車(chē)速度和列車(chē)位置的綜合影響。文獻(xiàn)[4]運(yùn)用CFD(計(jì)算流體運(yùn)動(dòng)學(xué))對(duì)耦合的多區(qū)域進(jìn)行了首次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)耦合計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合較好。文獻(xiàn)[5]利用CFD中的組份傳輸模型，模擬了毒氣在通風(fēng)管道中的擴(kuò)散傳播過(guò)程，并通過(guò)試驗(yàn)手段進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，組份傳輸模型能夠很好地應(yīng)用于毒氣傳播領(lǐng)域的研究。

本文研究?jī)?nèi)容包括地鐵活塞風(fēng)特性，以及在通風(fēng)豎井口釋放污染物的傳播規(guī)律等。重點(diǎn)研究列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，以面源的形式在豎井口持續(xù)性釋放污染物后，污染物在活塞作用下向隧道內(nèi)遷移的擴(kuò)散規(guī)律。

1 地鐵隧道活塞風(fēng)數(shù)值模型

1.1 物理模型

本文選取3節(jié)編組列車(chē)，其長(zhǎng)度為60 m，初始時(shí)刻列車(chē)車(chē)尾距隧道入口30 m。為縮短計(jì)算域，同時(shí)在顆粒物釋放前賦予隧道準(zhǔn)確的活塞風(fēng)速度場(chǎng)分布，選取長(zhǎng)780 m的單豎井隧道段。隧道截面尺寸為5.0 m(高度)×4.2 m(寬度)；豎井高度為14 m，其截面尺寸為4.0 m(長(zhǎng)度)×4.2 m(寬度)；豎井1中心距隧道入口的縱向長(zhǎng)度約為420 m。具體模型示意見(jiàn)圖1。

圖1 地鐵隧道豎井模型

1.2 邊界條件

1) 隧道入口：設(shè)定為壓力邊界，相對(duì)壓力值為0。

2) 隧道出口：設(shè)定為壓力邊界，相對(duì)壓力值為0。

3) 豎井口：設(shè)定為壓力邊界，相對(duì)壓力值為0。

4) 隧道壁面和地面：采用固定壁面邊界；隧道壁面設(shè)置為反射條件，反射系數(shù)為1。

5) 列車(chē)：列車(chē)運(yùn)行是隧道非穩(wěn)態(tài)速度場(chǎng)的根源，通過(guò)Proflie文件指導(dǎo)列車(chē)運(yùn)行。列車(chē)以1 m/s2的加速度加速至指定速度后，保持勻速行駛。

1.3 數(shù)值模型驗(yàn)證

1) 動(dòng)網(wǎng)格驗(yàn)證。對(duì)文獻(xiàn)[2]中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真計(jì)算，再將模擬結(jié)果和文獻(xiàn)[2]中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，列車(chē)處于加速階段和減速階段速度的模擬值和試驗(yàn)值基本相等；勻速運(yùn)行階段存在一定的偏差，究其原因可能是由于本文的數(shù)值模型與文獻(xiàn)[2]的試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛嬖诩?xì)微區(qū)別，但整體而言模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

2) 離散相模型驗(yàn)證。選取文獻(xiàn)[6]中的三維全尺度房間模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并采用DPM(離散相模型)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)顆粒物實(shí)時(shí)濃度與初始濃度之比的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[6]的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果在整體上存在高度一致性。

1.4 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

網(wǎng)格的疏密程度對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度，其對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響很小甚至可以忽略不計(jì)時(shí)，被稱(chēng)之為網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。本文研究中涉及的模型除豎井?dāng)?shù)量、列車(chē)尺寸存在差異外，其余結(jié)構(gòu)均基本相同。因此，在進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)時(shí)，選取了單豎井模型作為驗(yàn)證對(duì)象。對(duì)單豎井模型分別劃分了530萬(wàn)和250萬(wàn)兩種數(shù)量的網(wǎng)格，通過(guò)計(jì)算得出兩種網(wǎng)格數(shù)量下的數(shù)值模擬結(jié)果基本相同。為保證數(shù)值模擬計(jì)算的精度，同時(shí)考慮到計(jì)算周期，最終選取網(wǎng)格數(shù)量為250萬(wàn)。

2 不同影響因素下隧道內(nèi)活塞風(fēng)速度場(chǎng)分析

2.1 不同車(chē)速下隧道內(nèi)活塞風(fēng)速度場(chǎng)分析

當(dāng)阻塞比為0.65，列車(chē)以不同速度在單豎井隧道內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中，活塞風(fēng)風(fēng)速沿隧道中心線(xiàn)均勻分布。列車(chē)運(yùn)行速度越大，由列車(chē)引起的活塞風(fēng)風(fēng)速越大。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度為60 km/h時(shí)，活塞風(fēng)速為9 m/s左右，而當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度為30 km/h時(shí)，活塞風(fēng)速僅為4 m/s左右(見(jiàn)圖2)。究其原因主要是隨著列車(chē)運(yùn)行速度增大，車(chē)頭前方正壓亦增大，而車(chē)尾后方負(fù)壓減小，導(dǎo)致隧道內(nèi)空氣流速加大。

圖2 不同車(chē)速下列車(chē)位于風(fēng)井1后隧道中心線(xiàn)風(fēng)速分布

2.2 不同阻塞比下隧道內(nèi)活塞風(fēng)速度場(chǎng)分析

當(dāng)列車(chē)以60 km/h的速度在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，不同阻塞比下，活塞風(fēng)風(fēng)速沿隧道內(nèi)中心線(xiàn)的分布如圖3所示。由圖3可知，阻塞比越大，列車(chē)運(yùn)行引起的隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速亦越大。當(dāng)阻塞比減小時(shí)，列車(chē)和隧道之間的間隙增大，這就意味著在列車(chē)運(yùn)行中，列車(chē)前方的氣流流向車(chē)尾的間隙面積增大了，這有利于列車(chē)前方空氣迅速地補(bǔ)充到車(chē)尾區(qū)域，使得車(chē)尾負(fù)壓和車(chē)頭正壓減小。

圖3 不同阻塞比下活塞風(fēng)風(fēng)速沿隧道中心線(xiàn)分布

2.3 不同豎井?dāng)?shù)量下隧道內(nèi)活塞風(fēng)速度場(chǎng)分析

當(dāng)阻塞比為0.65，列車(chē)以60 km/h的速度在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，不同豎井?dāng)?shù)量下，活塞風(fēng)風(fēng)速沿隧道內(nèi)中心線(xiàn)的分布如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)列車(chē)位于豎井1后方時(shí)，3種工況下豎井1前方隧道內(nèi)活塞風(fēng)速度分布基本一致；多豎井工況下，每經(jīng)過(guò)1個(gè)豎井，隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速就有所降低；雙豎井和三豎井工況下，當(dāng)列車(chē)駛出最后1個(gè)豎井后，隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速急劇下降，分別降至1 m/s和0.5 m/s以下，由此可見(jiàn)，豎井作為泄壓口的分流作用很強(qiáng)。

圖4 不同豎井?dāng)?shù)量下活塞風(fēng)風(fēng)速沿隧道中心線(xiàn)分布

當(dāng)列車(chē)位于豎井1前方時(shí)，豎井處于合流狀態(tài)，受豎井分布的影響，單豎井工況下隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速最大，三豎井隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速最??；觀察多豎井工況，發(fā)現(xiàn)豎井距列車(chē)距離越遠(yuǎn)，其合流作用越弱。

3 不同影響因素下通風(fēng)豎井風(fēng)量分析

3.1 不同車(chē)速對(duì)豎井風(fēng)量的影響

當(dāng)阻塞比為0.65，列車(chē)在單豎井隧道內(nèi)以不同速度運(yùn)行時(shí)，活塞風(fēng)風(fēng)速隨列車(chē)位置變化如圖5所示。由圖5可知，豎井風(fēng)量均呈現(xiàn)從排風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)的規(guī)律；列車(chē)運(yùn)行速度越大，列車(chē)對(duì)隧道內(nèi)活塞風(fēng)速度場(chǎng)的活塞作用越強(qiáng)，其豎井的風(fēng)量亦越大。

圖5 不同豎井?dāng)?shù)量下豎井總風(fēng)量對(duì)比圖

3.2 不同阻塞比對(duì)豎井風(fēng)量的影響

列車(chē)以60 km/h的速度在單豎井隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，對(duì)比3種工況下的豎井風(fēng)量發(fā)現(xiàn)，阻塞比越大，豎井口風(fēng)量就越大。究其原因主要是阻塞比越大，活塞作用越明顯，從而車(chē)頭前方的正壓越大，而車(chē)尾的負(fù)壓越小。

3.3 豎井?dāng)?shù)量對(duì)其風(fēng)量的影響

1) 單豎井工況。豎井排風(fēng)階段，豎井位于列車(chē)前方，初始時(shí)刻列車(chē)車(chē)頭靠近豎井時(shí)，豎井排風(fēng)量達(dá)到120 m3/s；隨著列車(chē)的不斷行進(jìn)，豎井的排風(fēng)量不斷減小。在豎井送風(fēng)階段，列車(chē)行駛至豎井并越過(guò)后，豎井進(jìn)風(fēng)量隨列車(chē)與豎井間距離的增大而增大，但其風(fēng)量的增速越來(lái)越慢。

2) 雙豎井工況。當(dāng)列車(chē)中心未到達(dá)豎井1時(shí)，豎井1和豎井2均處于排風(fēng)狀態(tài)；隨著列車(chē)的運(yùn)行，豎井1排風(fēng)量逐漸減小，而豎井2的排風(fēng)量逐漸增大，且增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩。當(dāng)列車(chē)中心位于豎井1和豎井2之間時(shí)，豎井1開(kāi)始向隧道進(jìn)風(fēng)，且進(jìn)風(fēng)量逐漸增大，隨后豎井1進(jìn)風(fēng)量慢慢減小。

3) 三豎井工況。在列車(chē)運(yùn)行期間，豎井1和豎井2的整體氣流方向共經(jīng)歷了3次轉(zhuǎn)變：先由排風(fēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)狀態(tài)，進(jìn)風(fēng)量呈“山峰”狀；然后由進(jìn)風(fēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕棚L(fēng)狀態(tài)，其排風(fēng)量先增大再減??；最后由排風(fēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)狀態(tài)，進(jìn)風(fēng)量增長(zhǎng)緩慢但總體大于風(fēng)井3的進(jìn)風(fēng)量增長(zhǎng)率。豎井3的整體氣流狀態(tài)變化較為簡(jiǎn)單，當(dāng)其處于排風(fēng)狀態(tài)時(shí)，其排風(fēng)量隨時(shí)間呈“幾字型”變化。

圖5為不同豎井?dāng)?shù)量下豎井總風(fēng)量對(duì)比圖。由圖5可知，受列車(chē)和豎井的影響，單豎井工況下豎井總風(fēng)量由排風(fēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為進(jìn)風(fēng)狀態(tài)的時(shí)間要明顯早于多豎井工況，雙豎井工況和三豎井工況的轉(zhuǎn)換時(shí)間則基本相同；在3種工況都處于排風(fēng)狀態(tài)時(shí)，單豎井工況排風(fēng)量最小，雙豎井工況次之，三豎井工況最大，但雙豎井工況和三豎井工況排風(fēng)量差別不大；當(dāng)列車(chē)運(yùn)行至距豎井105 m左右時(shí)，雙豎井工況和三豎井工況的豎井總風(fēng)量變化趨于一致，且兩者的風(fēng)量增速高于單豎井工況。由此可以推斷，隨著列車(chē)的運(yùn)行，雙豎井工況和三豎井工況的豎井總風(fēng)量大于單豎井工況。因此，從隧道排熱以及通風(fēng)換氣的角度而言，綜合考慮建設(shè)成本，建議優(yōu)先選用雙豎井工況。

4 隧道內(nèi)污染物擴(kuò)散分析

4.1 豎井?dāng)?shù)量對(duì)顆粒物擴(kuò)散的影響

通過(guò)前述分析可知，不同豎井?dāng)?shù)量下地鐵隧道內(nèi)的活塞風(fēng)速度場(chǎng)變化最為復(fù)雜。本文對(duì)典型工況下不同豎井?dāng)?shù)量對(duì)顆粒物擴(kuò)散的影響進(jìn)行研究。

圖6為不同豎井?dāng)?shù)量下，隧道內(nèi)顆粒物有效污染量隨時(shí)間的變化情況。由圖6可知，在3種工況下，顆粒物初始釋放時(shí)，豎井1均處于排風(fēng)狀態(tài)，空氣對(duì)顆粒物的耦合作用占主導(dǎo)，使得部分顆粒被排出豎井外部。相較初始時(shí)刻3種工況下的顆粒物有效污染量，可以發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)呜Q井工況<雙豎井工況<三豎井工況。究其原因主要是豎井1的排風(fēng)量隨豎井?dāng)?shù)量的增加而減小，顆粒物與空氣的耦合作用減小，導(dǎo)致初始釋放時(shí)，單豎井工況下從豎井1排出的顆粒物量最大。此外，豎井1處于排風(fēng)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間隨著豎井?dāng)?shù)量的增加而減小，故單豎井工況下顆粒物向外排出時(shí)間最長(zhǎng)。

圖6 隧道內(nèi)顆粒物有效污染量隨時(shí)間變化圖

進(jìn)一步觀察圖6發(fā)現(xiàn)，雙豎井工況和三豎井工況都存在一個(gè)“急變區(qū)”，在該“急變區(qū)”中，隨著顆粒物繼續(xù)釋放，隧道內(nèi)的顆粒物有效污染量卻出現(xiàn)了減小的現(xiàn)象。結(jié)合豎井風(fēng)量和顆粒擴(kuò)散位置進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雙豎井和三豎井工況下，在“急變區(qū)”出現(xiàn)前，豎井2處于排風(fēng)狀態(tài)，使得顆粒物向豎井2的井口擴(kuò)散，造成之后的一段時(shí)間內(nèi)因部分顆粒物被排出隧道而導(dǎo)致其有效污染量降低的現(xiàn)象。

4.2 顆粒物遷移分析

圖7～9展示了不同豎井?dāng)?shù)量下，列車(chē)運(yùn)行10 s后隧道內(nèi)污染物濃度的分布情況。由圖7～9可知，在豎井口污染物釋放不久，顆粒物沿豎井向隧道內(nèi)擴(kuò)散的過(guò)程中，三豎井工況下顆粒物的擴(kuò)散速度明顯高于其他兩個(gè)工況；三豎井工況和雙豎井工況下由于顆粒物擴(kuò)散速度較快，列車(chē)在未駛離豎井1時(shí)，就有部分顆粒物傳播至列車(chē)周?chē)?。從列?chē)通風(fēng)換氣的角度看，微細(xì)顆粒物會(huì)通過(guò)列車(chē)新風(fēng)口擴(kuò)散至客室內(nèi)，由于地鐵列車(chē)人員密度大、生化防護(hù)能力弱的特點(diǎn)，勢(shì)必會(huì)造成較大的人員傷亡。由上述分析可知，3種工況下顆粒物濃度分布相似，受豎井內(nèi)渦流的影響，靠近豎井左側(cè)壁面的顆粒物濃度高于右側(cè)壁面。

圖7 單豎井工況下顆粒物擴(kuò)散仿真云圖

圖8 雙豎井工況下顆粒物擴(kuò)散仿真云圖

圖9 三豎井工況下顆粒物擴(kuò)散仿真云圖

顆粒物的傳播在區(qū)間隧道內(nèi)主要是通過(guò)垂直于豎井口向內(nèi)擴(kuò)散和沿列車(chē)行駛方向的縱向擴(kuò)散。3種工況下顆粒物在區(qū)間隧道縱向擴(kuò)散存在兩個(gè)共同特點(diǎn)：

1) 列車(chē)速度大于顆粒物縱向擴(kuò)散速度，使得距列車(chē)尾部較近顆粒物的濃度隨著時(shí)間推移越來(lái)越低；

2) 受隧道整體氣流的作用，在豎井1附近的區(qū)間隧道內(nèi)，靠隧道上壁面顆粒物的濃度會(huì)明顯高于靠近隧道地面，即顆粒物出現(xiàn)向上揚(yáng)的情況，且顆粒物在該區(qū)域呈現(xiàn)繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)。

三豎井工況出現(xiàn)一個(gè)獨(dú)特的現(xiàn)象，即：顆粒物受隧道氣流作用力和布朗擴(kuò)散的影響，出現(xiàn)了部分顆粒物向豎井2出口擴(kuò)散并通過(guò)豎井2排出，這就是造成三豎井工況出現(xiàn)顆粒物有效污染量急變現(xiàn)象的原因所在。

5 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

依據(jù)相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)主要由隧道和豎井、軌道、列車(chē)、行車(chē)控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)以及燈光系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)臺(tái)的組成部分如圖10～11所示。

圖10 模型試驗(yàn)臺(tái)示意圖

圖11 控制臺(tái)示意圖

1) 隧道和豎井。隧道和豎井必須為透明介質(zhì)，且兩者連接處將設(shè)有活動(dòng)板，可以通過(guò)手動(dòng)控制來(lái)調(diào)節(jié)豎井?dāng)?shù)量。

2) 軌道。本試驗(yàn)臺(tái)將采取安裝行車(chē)軌道的方式來(lái)控制列車(chē)直線(xiàn)運(yùn)行。

3) 列車(chē)。列車(chē)的核心是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，本試驗(yàn)臺(tái)列車(chē)的最高行車(chē)速度為5 m/s，且速度較低。

4) 行車(chē)控制系統(tǒng)。列車(chē)速度調(diào)節(jié)采用PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)速方法，在隧道兩端設(shè)置傳感裝置，通過(guò)中控控制臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)列車(chē)起停、速度檔位控制以及行車(chē)速度的數(shù)值顯示。

5) 測(cè)試系統(tǒng)。沿隧道和豎井壁面設(shè)置多個(gè)速度測(cè)點(diǎn)和靜壓測(cè)點(diǎn)。

6) 燈光系統(tǒng)。試驗(yàn)選擇在夜間進(jìn)行，在模型隧道墻壁投影位置貼黑色墻紙，防止壁面白色背景弱化拍攝效果。

6 結(jié)論

1) 自然通風(fēng)條件下，通風(fēng)豎井風(fēng)口氣流的整體流動(dòng)狀態(tài)受列車(chē)位置的影響。當(dāng)列車(chē)處于豎井后方時(shí)，豎井為“分流豎井”，豎井向外排風(fēng)，且隨著列車(chē)向豎井逐步靠近，豎井排風(fēng)量減?。划?dāng)列車(chē)運(yùn)行至豎井底部時(shí)，豎井的氣流變化較為復(fù)雜，豎井由排風(fēng)狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)狀態(tài)，且隨著列車(chē)遠(yuǎn)離豎井，豎井的進(jìn)風(fēng)量也不斷增大。

2) 列車(chē)從豎井上游運(yùn)行至豎井下游的過(guò)程中，通風(fēng)豎井遭受突發(fā)的持續(xù)性污染時(shí)，隧道內(nèi)污染物濃度沿列車(chē)行駛方向逐漸降低，且污染物濃度出現(xiàn)垂直分層狀況；豎井?dāng)?shù)量越多，顆粒物進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道的時(shí)間越早；三豎井工況和雙豎井工況出現(xiàn)了污染物擴(kuò)散至車(chē)體周?chē)那闆r，且污染物極有可能進(jìn)入車(chē)內(nèi)，導(dǎo)致大量人員受害。