基于FLUENT的地鐵屏蔽門通風數(shù)值模擬研究

陳薈多，周東一*

(1.邵陽學(xué)院機械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽 422000；2.邵陽學(xué)院高效動力系統(tǒng)智能制造湖南省重點實驗室，湖南 邵陽 422000)

地鐵列車運行時，隧道內(nèi)由于受列車運行活塞效應(yīng)的影響，會產(chǎn)生大量氣流。過大的活塞風會對隧道內(nèi)設(shè)備以及列車上的乘客產(chǎn)生不利影響，這是現(xiàn)代城市軌道交通運營中不可忽視的問題。應(yīng)用地鐵環(huán)控系統(tǒng)可有效解決上述問題。屏蔽門系統(tǒng)是地鐵環(huán)控系統(tǒng)的重要組成部分，因此對地鐵屏蔽門通風進行研究具有重要意義。

當前，國內(nèi)外學(xué)者主要針對地鐵環(huán)控系統(tǒng)及節(jié)能優(yōu)化展開了研究[1-3]。趙西平等人基于西安地鐵站臺屏蔽門測試了地鐵隧道內(nèi)風速及溫度變化，提出了調(diào)控通風量的變頻技術(shù)策略[4]；袁中原等人對復(fù)合式屏蔽門系統(tǒng)通風展開研究，提出了兩種通風方案并進行了仿真分析，得到了“進站端活塞風井通風模式”優(yōu)于“出站端活塞風井通風模式”的結(jié)論[5]。上述研究都沒有針對列車停站時的工況進行相應(yīng)分析。

綜合上述文獻分析，筆者首先建立一個前方列車在站內(nèi)停車、屏蔽門開啟且后方列車在隧道內(nèi)行駛的仿真模型；然后進行相應(yīng)的計算網(wǎng)格劃分，確定好邊界條件；最后利用FLUENT進行流場仿真并對屏蔽門系統(tǒng)仿真時的通風進行研究分析，為進一步開展在實際工況下地鐵屏蔽門通風的研究奠定基礎(chǔ)。

1 模型建立及理論基礎(chǔ)

1.1 模型建立

為對地鐵運營時地鐵屏蔽門系統(tǒng)通風量變化進行研究,建立了一個前方列車在站內(nèi)停車、屏蔽門開啟且后方列車在隧道勻速行駛的仿真模型?？紤]到三維仿真方法建模復(fù)雜且對計算機要求較高，在保證數(shù)值模擬準確性的基礎(chǔ)上采用二維仿真模型進行仿真，所建仿真模型如圖1所示。

圖1 仿真模型示意圖

1.2 理論方程

流場數(shù)值模擬中控制方程為流場流體的數(shù)學(xué)表達，筆者所建模型的控制方程表達如下。

連續(xù)性方程

式中：ρ為密度，t為時間，u為速度矢量。

能量方程

式中：T為溫度，c為比熱容，k為導(dǎo)熱系數(shù)。

動量方程：

式中：μ為動力粘度，S為廣義源項，θ為速度變量。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

為了對地鐵屏蔽門系統(tǒng)開門狀態(tài)下的通風狀況進行研究[6-7]，采用FLUNET對所建模型進行流場仿真。

2.1 計算網(wǎng)格劃分

在流體力學(xué)計算中，計算網(wǎng)格的劃分對流場計算有著至關(guān)重要的影響。合理劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格可以使得CFD計算更加準確?？紤]到地鐵隧道模型建模復(fù)雜且模型內(nèi)部存在動邊界問題，筆者基于ICEM的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分，所劃分網(wǎng)格最小尺寸為500mm。劃分后的計算網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 計算網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件及求解器設(shè)置

將ICEM中劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到FLUENT中。為了實現(xiàn)仿真模型中列車行駛工況，采用動網(wǎng)格來實現(xiàn)列車與隧道之間的相對運動。在FLUENT仿真中進行任意仿真都需設(shè)置好邊界條件，邊界條件的設(shè)置對求解結(jié)果的準確性有較大的影響。將所建地鐵屏蔽門通風模型邊界條件設(shè)置如下：

(1)隧道出入口分別為壓力入流、壓力出流，且存在一定壓力差。

(2)井和屏蔽門處為壓力出流，壓力設(shè)置與大氣壓一致。

(3)其余部分均設(shè)置為靜止壁面。

2.3 仿真結(jié)果分析

各項參數(shù)設(shè)置完成后，開始進行仿真?？紤]到計算精度與計算時長，設(shè)置時間步長為0.01s，計算500步長，總計算時間為5.0s。仿真結(jié)束時，仿真模型車站處速度云圖如圖3所示。

圖3 停站列車處速度云圖

由圖3可以看出，仿真結(jié)束時，隧道內(nèi)氣流進入車站內(nèi)時分別沿著停站列車向兩端隧道間隙流入；由于車站站廳與車站隧道存在壓力差且車站隧道內(nèi)氣壓高于站廳氣壓，因此，靠站廳測氣流速度更大，部分氣流通過屏蔽門流入站廳，仿真模型中車站屏蔽門處存在速度極小區(qū)域。

針對車站屏蔽門整體[8-10]進行分析研究。通過CFD-POST將所研究車站的屏蔽門系統(tǒng)中每一扇屏蔽門處的氣流速度變化圖分別提取出，并求得其通風量。仿真模型中站臺屏蔽門處速度變化如圖4所示，各屏蔽門的通風量如圖5所示。

圖4 站臺屏蔽門處速度變化圖

圖5 各屏蔽門通風量

由圖4可以看出，在仿真過程中，1號至7號屏蔽門處的風速變化較大，8號至24號屏蔽門處的風速變化相對平穩(wěn)。由圖5可看出，各屏蔽門的通風量變化總體呈現(xiàn)先下降再上升最后趨于穩(wěn)定的趨勢，其中1號至7號屏蔽門的通風量變化相對較大。1號屏蔽門的通風量最大，為6.85m3/s；隨著通風量的逐漸降低，最低值出現(xiàn)在3號屏蔽門處，為3.97m3/s；4號至7號屏蔽門的通風量逐漸上升；從8號屏蔽門開始，通風量趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

為對地鐵屏蔽門通風進行研究，筆者建立了一個前方列車在站內(nèi)停車、屏蔽門開啟且后方列車在隧道勻速行駛的仿真模型，進行了數(shù)值仿真，并對仿真時同一站臺各屏蔽門的通風量變化進行了研究。研究結(jié)果表明，各屏蔽門的通風量變化總體呈現(xiàn)先下降再上升最后趨于穩(wěn)定的趨勢，其中1號屏蔽門的通風量最大，3號屏蔽門的通風量最小。