孟買地鐵3號線通風性能化設(shè)計SES模擬應(yīng)用

萬坡緒

（上海公路橋梁（集團）有限公司，上海 200433）

國內(nèi)新建地鐵區(qū)間隧道通風系統(tǒng)設(shè)計多采用指令性規(guī)范設(shè)計方法，根據(jù)規(guī)范［1］參數(shù)要求進行設(shè)計計算與設(shè)備選型.規(guī)范設(shè)計能夠提升設(shè)計效率，但無法根據(jù)具體工程情況進行性能化設(shè)計，往往造成通風防煙排煙系統(tǒng)設(shè)備選型容量過大或不能滿足工程使用要求，運營成本不經(jīng)濟.國內(nèi)也有部分學者使用數(shù)值模擬工具（SES，CFD，F(xiàn)DS等）針對隧道通風排煙某一特定專題進行模擬研究，師虹［2］借助數(shù)值模擬工具研究了雙洞單向雙向換氣通風隧道火災溫度場及逃生疏散；黃俊杰［3］采用SES程序建立了某市域鐵路兩段地下區(qū)間不同工況下的模型并模擬計算獲得相關(guān)通風參數(shù)間影響關(guān)系；馬江燕等［4］采用實測與一維數(shù)值模擬方法指導站臺門型式選擇和運行策略制定；榮建忠等［5］在驗證了SES數(shù)值模擬軟件在有效性基礎(chǔ)上采用SES和FDS數(shù)值模擬軟件對雙存車線區(qū)段的存車和正線火災進行混合數(shù)值模擬研究并得到了雙存車線最佳送風排煙氣流組織模式下的排煙系統(tǒng)配置方案；劉伊江［6］指出國內(nèi)防排煙設(shè)計由原指令性設(shè)計向性能化設(shè)計轉(zhuǎn)型，地鐵防排煙系統(tǒng)設(shè)計介于二者之間，尚未建立針對地鐵工程消防性能化設(shè)計的基礎(chǔ)理論體系及評價體系，文中指出了從性能化設(shè)計角度地鐵區(qū)間隧道防排煙原則、列車火災功率取值、排煙量計算等方面國內(nèi)存在的問題.以上研究表明，在國內(nèi)隧道通風排熱設(shè)計過程中已經(jīng)有部分學者開始嘗試使用數(shù)值模擬工具支持設(shè)計及方案選型，但國內(nèi)類似項目性能化設(shè)計還存在問題，同時，缺少整條區(qū)間隧道通風性能化設(shè)計SES模擬的工程應(yīng)用案例.

印度孟買地鐵3號線工程（mumbai metro line 3 project，MM3）參考日、美、歐等國規(guī)范［7］與類似工程設(shè)計經(jīng)驗，在項目招標規(guī)格說明書中提出MM3工程區(qū)間隧道通風系統(tǒng)方案采用性能化設(shè)計方法，對地下區(qū)間隧道（含車站軌行區(qū)）采用隧道模擬軟件（IDA EQUA simulation AB V1.2，IDA）進行地鐵環(huán)境模擬分析（subway environment simulation，SES），特殊區(qū)域結(jié)合3維數(shù)值模擬技術(shù)（fire dynamics simulator，F(xiàn)DS），并提供通過驗證的區(qū)間隧道通風方案和設(shè)計參數(shù).MM3項目SES數(shù)值模擬經(jīng)過多次迭代以驗證隧道通風方案在不同運行工況下區(qū)間隧道內(nèi)實現(xiàn)的風速、壓力變化、煙氣流動與控制，以及長期20 a運營后區(qū)間隧道墻壁溫度變化等關(guān)鍵參數(shù)，并指導優(yōu)化隧道、車站通風系統(tǒng)設(shè)備選型.本文MM3工程通風性能化設(shè)計SES數(shù)值模擬應(yīng)用探析為國內(nèi)同行承擔海內(nèi)外類似項目性能化設(shè)計提供參考.

1 項目介紹及SES數(shù)值模擬范圍

MM3地鐵是印度孟買第1條地下雙隧道地鐵，地下區(qū)間全長32.5 km，隧道截面積24.5 m2，共設(shè)置26站，26區(qū)間.線路走向及車站分布，如圖1所示.地下車站采用全高屏蔽門，地鐵設(shè)計運行速度80 km·h-1，行車間距120 s，站內(nèi)停靠30 s.

圖1 MM3地鐵線路圖及車站分布Fig.1 MM3 metro line&stations

MM3工程性能化設(shè)計要求使用SES數(shù)值模擬并獲得以下內(nèi)容或參數(shù)：1）整條32.5 km地下雙隧道20 a內(nèi)正常運行工況下隧道壁（內(nèi)壁深5 cm）溫度變化；2）正常工況：隧道內(nèi)環(huán)境溫度、屏蔽門空氣滲入和滲出量、作用于屏蔽門、旁通道聯(lián)絡(luò)門壓力波動、列車內(nèi)壓力脈動、隧道新風量需求；3）阻塞工況隧道內(nèi)環(huán)境溫度；4）緊急工況隧道不同送風量下的隧道風速.

2 SES數(shù)值模擬分析及應(yīng)用參數(shù)設(shè)置

2.1 隧道模型建立

根據(jù)隧道線路信息、折返線、車站布局、節(jié)點位置、線路海拔高程變化信息等在IDA軟件內(nèi)建立MM3工程隧道通風系統(tǒng)如圖2所示網(wǎng)絡(luò)模型.

圖2 IDA隧道模型Fig.2 IDA tunnel model

2.2 項目參數(shù)設(shè)置

MM3工程所在地［8］平均海拔高度14 m；標準大氣壓101 157 Pa；11～5月非雨季溫度干球溫度33.9℃，濕球溫度24.0℃，相對濕度60%，導熱系數(shù)0.026 7 W·（m·K）-1；6～10月雨季溫度干球溫度30.9℃，濕球溫度27.1℃，相對濕度74.73%，導熱系數(shù)0.026 5 W·（m·K）-1；表層土4米以下底層土壤物性［9-10］密度2 042 Kg·m-3，導熱系數(shù)0.29 W·（m·K）-1，比熱781 J·（Kg·K）-1，年溫度25.8～28.5℃，年平均溫度27.2℃.地鐵列車長度174.2 m，車頭面積10.55 m2，列車周長15.94 m，車頭阻力系數(shù)0.55，只與粘性阻力有關(guān)的表面摩擦系數(shù)0.012，列車最大載客量3 040人（平均每人體重65 kg），空車毛重329.195 t，AW3荷載列車載客6人·m-2總重量485.957 t，AW4荷載列車載客8人·m-2總重量529.525 t，剎車制動最大效率88%，對流換熱系數(shù)20 W·（m2·K）-1，列車火災強度15 MW中等火災發(fā)展速度［7］；正常工況車輛載荷AW3，阻塞工況車輛載荷AW4.計劃2 025年實現(xiàn)日客流量138 700人，2 031年實現(xiàn)日客流量169 900人.隧道通風噴嘴按面積1.6 m2，角度0°，效率100%簡化處理.

區(qū)間隧道坡度對隧道內(nèi)氣流組織的影響通過計算出的臨界速度乘以如圖3所示梯度系數(shù)進行修正.

圖3 確定臨界速度的梯度系數(shù)Fig.3 Critical velocity gradient coefficient

表1 摩擦系數(shù)計算表Tab.1 Friction coefficient calculation

臨界速度u根據(jù)規(guī)范［13-14］、文獻［15］按式（5） 計算獲得：

其中：ρa為環(huán)境空氣密度，Kg·m-3，從孟買當?shù)貧庀筚Y料獲得；Cp為熱容，KJ·（Kg·K）-1，從孟買當?shù)貧庀筚Y料獲得；Lb為煙氣羽流長度，當Lb=0時，計算風速為臨界速度；當Lb≠0時，計算風速為限制速度；g為孟買當?shù)刂亓铀俣?；H為隧道高度，m，從土建結(jié)構(gòu)資料中獲得；Q·為總熱負荷（HRR），KW，MM3工程資料提供15 000 kW；W為隧道寬度，m，從土建結(jié)構(gòu)資料中獲得；Ta為孟買當?shù)丨h(huán)境溫度，K；u為區(qū)間隧道軸向風速，m·s-1.

2.3 SES數(shù)值模擬

MM3項目SES模型中隧道與車站關(guān)鍵參數(shù)按照以上第1和第2.2章節(jié)參數(shù)配置后選定程序模型進行分項模擬工作.

圖4 臨界風速與阻塞率關(guān)系Fig.4 Critical velocity and blockage rate relationship

2.3.1 長期運行熱沉模擬

長期運行熱沉模擬目的是分析列車正常運行多年后隧道壁溫度變化，以驗證系統(tǒng)能否滿足項目設(shè)計要求，同時，穩(wěn)定的隧道壁溫度將被用作IDA模擬列車正常工況、阻塞工況、緊急工況隧道空氣溫度的初始邊界條件.輸入列車正常運行工況發(fā)車頻率及各系統(tǒng)設(shè)備散熱量等參數(shù)，在SES-MM3模型內(nèi)以AW3荷載，列車80 km·h-1運行速度，行車間距120 s，站內(nèi)停靠30 s參數(shù)設(shè)置.模擬地鐵20 a運行期限內(nèi)隧道壁溫度變化，模擬結(jié)果如圖5所示.

圖5 長期運行隧道墻壁溫度曲線Fig.5 Long term wall temperature under operation

2.3.2 正常工況模擬

正常運行工況模擬分析以下案例：1）隧道內(nèi)空氣環(huán)境溫度；2）通過屏蔽門的空氣滲入和滲出量；3）作用于屏蔽門、旁通道聯(lián)絡(luò)門的壓力波動；4）車廂內(nèi)壓力脈動分；5）隧道新風量需求.

同樣，在SES-MM3工程模型內(nèi)以AW3荷載，列車80 km·h-1運行速度，行車間距120 s，站內(nèi)?？?0 s參數(shù)設(shè)置，模擬隧道和軌行區(qū)空氣溫度，模擬結(jié)果如圖6所示.

圖6 正常工況運行隧道區(qū)間環(huán)境溫度Fig.6 Tunnel temperature in normal operation

屏蔽門空氣量滲入與滲出，基于秒為時間刻度模擬1 h內(nèi)各車站的數(shù)值，結(jié)果如圖7所示.

圖7 正常工況車站屏蔽門空氣滲透量Fig.7 PSD infiltration volume in normal operation

作用于屏蔽門、旁通道聯(lián)絡(luò)門的壓力波動基于隧道和軌行區(qū)空氣動力學，模擬列車以70 km·h-1速度不靠站快速過站對屏蔽門產(chǎn)生的瞬時壓力，以軌行區(qū)最大瞬時壓力區(qū)間作為最不利工況區(qū)間.分別模擬4種不同工況下列車快速過站時屏蔽門瞬時壓力波動值，結(jié)果如表2所列.作用于旁通道門壓力波動，以列車80 km·h-1運行速度正常工況作為模擬參數(shù)，選取作用于旁通道門最大壓力波動值作為整條線作用于旁通道門的壓力值.模擬結(jié)果表明作用于屏蔽門上的推力為負300 Pa，吸力為正150 Pa.

表2 列車快速過站作用于屏蔽門空氣壓力波動Tab.2 Train fast crossings act on screen door air pressure fluctuations

模擬分析正常運行工況下的區(qū)間隧道和軌行區(qū)內(nèi)部瞬態(tài)壓力脈沖對乘客舒適性的影響以評估與改進隧道通風系統(tǒng)設(shè)計方案.在IDA模擬模型中選取上下行線最大瞬時壓力進行分析，模擬結(jié)果如表3所列.

表3 列車正常運行壓力脈沖對舒適度影響分析Tab.3 Pressure pulse analysis for air comfort in normal operation

隧道通風系統(tǒng)方案需要評估新風量需求滿足程度，以符合乘客健康衛(wèi)生要求等.列車區(qū)間隧道內(nèi)運行由于活塞風效應(yīng)，會產(chǎn)生一部分新風量進入隧道，同時，排出一部分隧道內(nèi)污濁空氣.利用IDA軟件模擬列車正常運行工況下活塞風效應(yīng)產(chǎn)生的新風量，選取上下行線產(chǎn)生的最小新風量值作為全線新風量評估值.模擬結(jié)果表明MM3工程每列列車活塞效應(yīng)產(chǎn)生的最小新風量平均值為21.5 m3.

2.3.3 阻塞工況模擬

基于正常工況IDA軟件內(nèi)建立的MM3模型模擬阻塞工況，驗證不同送、排風量下各種阻塞工況下的隧道環(huán)境，確定MM3項目隧道設(shè)計送、排風量參數(shù).

MM3項目模擬3種阻塞工況：1）單線多車阻塞：模擬3列列車停在下行線.第1列車停留在車站軌行區(qū)下游區(qū)域，第2列車停留在車站下游隧道內(nèi)，第3列車停留在車站上游隧道內(nèi)；2）雙線多車阻塞：模擬6列列車分別停留在上下行線.第1＆2列車停留在車站1軌行區(qū)，第3＆4列車停留在車站2軌行區(qū)，第5＆6列停留在車站1與2之間的隧道內(nèi)（上、下行線）；3）2列列車阻塞在最長區(qū)間段隧道內(nèi)且每列都停留在隧道通風區(qū)域，此案例考慮了未來最壞情況下的阻塞情況.

同時，進一步模擬最短隧道區(qū)間和折返線區(qū)域，以尋求最不利阻塞情況.每一模擬案例都多次迭代模擬風機風量和運行點，直至模擬的隧道內(nèi)空氣溫度不大于45℃的設(shè)計標準截止.模擬結(jié)果如表4所列.

表4 列車阻塞工況隧道內(nèi)空氣溫度及通風量Tab.4 Air temperature and ventilation in the tunnel for train blockage conditions

2.3.4 緊急工況模擬

緊急工況模擬主要分析驗證緊急工況下區(qū)間隧道風速是否大于或等于此區(qū)間計算臨界風速，如果SES輸入送風量產(chǎn)生的區(qū)間隧道風速不小于區(qū)間計算臨界風速，進一步以SES模擬獲得的隧道實現(xiàn)風速作為CFD/FSD邊界條件［13-15］對軌行區(qū)、折返線區(qū)域進行三維模擬，以確認是否產(chǎn)生過度通風使煙氣進入下游區(qū)間隧道及區(qū)間隧道墻壁逃生通道區(qū)域環(huán)形最大風速不超過11 m·s-1.MM3項目設(shè)計3種緊急工況模擬案例：1）列車在普通隧道內(nèi)著火；2）列車在折返線區(qū)域著火；3）列車在車站軌行區(qū)著火.SES緊急工況模擬初始關(guān)鍵參數(shù)以列車阻塞工況模擬獲得的風量作為初始輸入?yún)?shù)，送風與排風策略同阻塞工況，SES區(qū)間隧道網(wǎng)絡(luò)模型采用列車阻塞工況相同模型.

首先，以阻塞工況模擬取得的通風風量、風機運行點、噴嘴推力關(guān)鍵參數(shù)作為初始輸入?yún)?shù)，模擬緊急工況下的隧道內(nèi)實現(xiàn)風速.基于每次模擬結(jié)果不斷迭代風機風量、風機運行點、噴嘴推力參數(shù)等，直到模擬實現(xiàn)風速滿足緊急工況設(shè)計要求.模擬結(jié)果表明，25～50 m3·s-1的送風量，80 m3·s-1的排風量能夠滿足列車典型隧道區(qū)間火災煙氣控制要求；25～50 m3·s-1的送風量，120 m3·s-1的排風量能夠滿足列車在折返線交叉口區(qū)域的煙霧控制要求.典型區(qū)域模擬結(jié)果如表5～6所列.

表5 緊急工況下行線通風風速模擬結(jié)果Tab.5 Simulation results for ventilation air velocity under down line emergency condition

表6 緊急工況上行線通風風速模擬結(jié)果Tab.6 Simulation results for ventilation air velocity under up line emergency condition

2.4 模擬結(jié)果應(yīng)用

MM3項目隧道通風系統(tǒng)設(shè)計要求如表7所列.

表7 MM3工程設(shè)計要求Tab.7 MM3 project design requirement

2.4.1 隧道墻壁溫度

地鐵長期運行隧道壁溫度模擬結(jié)果圖5表明，依靠正常運行工況下列車產(chǎn)生的活塞風，在列車正常運行7年后隧道壁溫度穩(wěn)定在35.4℃，小于項目要求溫度38℃.基于此模擬結(jié)果優(yōu)化MM3工程隧道通風設(shè)計方案及正常運行工況隧道通風系統(tǒng)運行策略：正常運行工況，MM3工程隧道通風方案不需要提供其他降溫措施（如制冷或夜間通風等），也不需要開啟隧道通風設(shè)備可以維持隧道墻壁溫度滿足 工程要求.

2.4.2 正常運行隧道內(nèi)空氣溫度

正常工況，隧道區(qū)間及軌行區(qū)空氣溫度模擬結(jié)果圖6表明，依靠列車運行產(chǎn)生的活塞風能夠維持隧道內(nèi)環(huán)境溫度不超過項目設(shè)計要求溫度40℃；軌行區(qū)環(huán)境溫度不超列車空調(diào)冷凝器要求溫度50℃.基于SES模擬結(jié)果，正常工況MM3工程隧道、軌行區(qū)通風設(shè)計方案不需額外提供機械通風措施可以滿足此項工程技術(shù)要求，從而可以節(jié)約正常工況下通風系統(tǒng)的運營費用.

2.4.3 屏蔽門滲透空氣冷負荷

車站屏蔽門的滲入與滲出空氣量模擬值作為車站空調(diào)系統(tǒng)冷負荷計算參數(shù)，合理計算車站冷負荷，實現(xiàn)車站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計、選型經(jīng)濟合理，以節(jié)約初始投資與系統(tǒng)運營費用.

2.4.4 作用于屏蔽門、旁通道門空氣壓力

SES模擬獲得的作用于屏蔽門、旁通道門壓力參數(shù)，將作為CFD/FSD模擬邊界條件，進一步分析驗證隧道阻塞工況、緊急工況（火災）下特殊區(qū)域、地下折返線區(qū)域、車站軌行區(qū)通風系統(tǒng)對工程要求的滿足情況，并指導隧道通風方案設(shè)計.

2.4.5 列車運行中空氣壓力波動

表3模擬結(jié)果與手冊［11］比較，MM3正常運行工況下壓力脈沖值在可接受舒適度范圍內(nèi)，因此，MM3工程無需為控制列車運行中的空氣壓力波動額外增加其他投資或壓力波動控制措施.

2.4.6 列車運行活塞風量

MM3工程列車正常運行每列車產(chǎn)生的最小活塞風新風量平均值為21.5 m3.在進行軌底通風系統(tǒng)、隧道通風系統(tǒng)運行策略設(shè)計時應(yīng)考慮此活塞風新風量，優(yōu)化設(shè)備選型與設(shè)備運行策略，減少投資與運行費用.

2.4.7 列車阻塞工況隧道內(nèi)空氣溫度

表4表明，為滿足阻塞工況隧道內(nèi)環(huán)境溫度，單線單車或多車阻塞需要40 m3·s-1通風量，雙線多車阻塞需要80 m3·s-1通風量，中間通風井區(qū)間雙車阻塞需要100 m3·s-1通風量.阻塞工況SES模擬參數(shù)為緊急工況模擬提供初始參數(shù)，進一步驗證緊急工況下隧道通風設(shè)計方案對設(shè)計要求的滿足情況.

2.4.8 列車緊急工況隧道內(nèi)風速、風量

隧道內(nèi)列車各種火災工況在選定的參數(shù)下，SES數(shù)值模擬的隧道實現(xiàn)風速都達到了煙氣控制臨界速度的要求.由于不同區(qū)段所需風速不同，因此，各個隧道區(qū)段風量需求也不相同.綜合考慮各區(qū)間段風量需求設(shè)計隧道通風系統(tǒng)緊急工況通風方案及運營策略.

2.4.9 隧道通風系統(tǒng)設(shè)計與設(shè)備選型

綜合以上各工況下MM3隧道通風模擬結(jié)果對項目技術(shù)要求的滿足情況，特別是阻塞和緊急工況所需風機容量、噴嘴推力，迭代不同系統(tǒng)設(shè)備參數(shù).最終確定MM3項目隧道通風系統(tǒng)風機額定值和噴嘴推力，MM3工程隧道通風系統(tǒng)設(shè)備選型如表8所列.

表8 隧道通風設(shè)備選型及通風策略Tab.8 Tunnel ventilation equipment selection and ventilation strategy

3 結(jié)論

MM3工程基于SES數(shù)值模擬通風設(shè)計工作已經(jīng)完成，并且獲得業(yè)主高度認可.SES數(shù)值模擬方案及模擬結(jié)果滿足MM3工程要求.借助SES數(shù)值模擬工具與方法驗證了孟買地鐵3號線通風性能化設(shè)計方案的可行性，獲得了工程正常工況運營區(qū)間隧道附近土壤溫度從第7 a開始將穩(wěn)定在35.4℃；正常運行工況僅依靠列車運行產(chǎn)生的活塞風即可滿足工程要求的隧道環(huán)境溫度；列車迅速通過后作用于旁通道、屏蔽門的壓力在模擬通風方案下能夠控制在工程要求范圍內(nèi)；正常運行工況列車內(nèi)的壓力波動小于工程規(guī)范要求，無需增加其他減壓措施即可滿足乘客對壓力波動的舒適度要求；阻塞與緊急工況下獲得的通風策略及通風量要求較好的優(yōu)化了通風機的選型，使工程投資保持經(jīng)濟性；屏蔽門的滲漏空氣冷負荷參數(shù)為車站空調(diào)負荷計算提供了較準確的計算參數(shù)，使空調(diào)設(shè)備選型更加精準.

MM3工程隧道通風方案性能化設(shè)計SES模擬迭代過程，一方面對區(qū)間隧道通風排煙方案進行了滿足工程精度情況下的有效性驗證，同時，MM3項目的SES最終數(shù)值模擬結(jié)果，指導隧道通風系統(tǒng)、車站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選型，體現(xiàn)了性能化設(shè)計在滿足系統(tǒng)使用、安全功能前提下降低系統(tǒng)投資費用的優(yōu)勢，與按照傳統(tǒng)規(guī)范標準設(shè)計方法相比，根據(jù)SES數(shù)據(jù)模擬結(jié)果的通風空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選型方案能夠節(jié)約系統(tǒng)初始投資額和保持系統(tǒng)設(shè)備高效運行降低運營費用，不會造成系統(tǒng)容量過剩，產(chǎn)生投資或運營浪費.

MM3工程投入運營后將進一步收集系統(tǒng)運營數(shù)據(jù)與SES模擬值進行比較，進一步完善模擬初始參數(shù)與模擬方法設(shè)計.同時，也為國內(nèi)同行類似項目通風系統(tǒng)性能化設(shè)計數(shù)值模擬提供參考.