地鐵隧道活塞風(fēng)演化規(guī)律及其對(duì)通風(fēng)安全的影響

安偉光,孔維浩,廣大慶,盧勇成,王 喆,安偉彬

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省城市地下空間火災(zāi)防護(hù)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116;2.徐州市高新區(qū)安全應(yīng)急裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,江蘇 徐州 221100;3.天津市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,天津 300202)

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,“地下新基建”已成為發(fā)展戰(zhàn)略趨勢(shì),截止2020年底,我國(guó)城市地下空間累計(jì)建設(shè)面積達(dá)24億m2,其中以地鐵為主導(dǎo)的地下軌道交通發(fā)展迅速[1]。地鐵不僅具有安全、舒適、快捷等特性,而且大大緩解了地上交通的壓力,如今已成為我國(guó)各大城市交通中必不可少的交通工具[2]。地鐵逐漸成為人們?nèi)粘３鲂械氖滓x擇,人們?cè)絹碓疥P(guān)注地鐵車站的環(huán)境,包括溫度、濕度、壓力、通風(fēng)和噪聲等,這些很大程度上受到由列車行駛形成的活塞風(fēng)的影響[3],并且當(dāng)?shù)罔F列車發(fā)生火災(zāi)時(shí),由于地鐵隧道相對(duì)封閉的環(huán)境,隧道內(nèi)活塞風(fēng)會(huì)對(duì)地鐵隧道火災(zāi)的煙氣擴(kuò)散和蔓延產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響[4],從而影響地鐵隧道的通風(fēng)安全。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)地鐵隧道活塞風(fēng)的研究方法主要采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法。風(fēng)洞試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地要求較高,組織和實(shí)施開展試驗(yàn)工作量巨大、成本較高,且易受到各種因素的影響,很難精準(zhǔn)得到整個(gè)試驗(yàn)空間內(nèi)各測(cè)量點(diǎn)參數(shù)的變化情況。隨著數(shù)值模擬軟件的出現(xiàn)和算法的不斷完善,通過合理設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)可以得到較為準(zhǔn)確的數(shù)值模擬結(jié)果,具有較高的參考價(jià)值[5-8]。如:甘甜等[9]利用Fluent動(dòng)網(wǎng)格方法模擬了列車以某一運(yùn)動(dòng)規(guī)律經(jīng)過隧道后,隧道內(nèi)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律;黃文昕等[10]利用Fluent動(dòng)網(wǎng)格方法對(duì)無防火門的類矩形地鐵隧道在列車不同車速、不同聯(lián)絡(luò)通道布置下的活塞效應(yīng)進(jìn)行了模擬分析;龍開天等[11]利用Fluent重疊網(wǎng)格方法對(duì)影響地鐵區(qū)間隧道內(nèi)污染物分布的活塞風(fēng)進(jìn)行了模擬分析;由世俊等[12]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)地鐵隧道內(nèi)活塞效應(yīng)非穩(wěn)態(tài)氣流進(jìn)行了模擬分析;賴曉龍等[13]利用CFD軟件研究了冬季一側(cè)列車靠站屏蔽門開啟另一側(cè)列車越行時(shí)所引起的地鐵隧道內(nèi)活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)內(nèi)氣流分布的影響;謝知航[14]利用Fluent動(dòng)網(wǎng)格方法模擬了地鐵列車不同車速越站產(chǎn)生的活塞風(fēng)風(fēng)速在隧道與站臺(tái)間連通口的變化情況,并使用Pyrosim軟件模擬列車不同越站速度工況下站臺(tái)內(nèi)火災(zāi)煙氣的蔓延情況;陳榮[15]利用STAR-CD軟件建立隧道列車二維動(dòng)網(wǎng)格模型,模擬了列車不同車速下隧道內(nèi)活塞風(fēng)和壓力場(chǎng)的變化規(guī)律;曾艷華等[16]利用Fluent動(dòng)網(wǎng)格方法模擬了列車不同行駛狀況(勻速、減速、停車)下隧道不同斷面位置處活塞風(fēng)的變化規(guī)律;López等[17]采用數(shù)值模擬方法分析了活塞效應(yīng)對(duì)地鐵隧道縱向通風(fēng)系統(tǒng)的影響;He等[18]提出了地鐵隧道活塞風(fēng)風(fēng)速的一般計(jì)算公式,并建立2D模型進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證;Kim等[19]利用CFD軟件CFX4構(gòu)建和求解了地鐵隧道活塞效應(yīng)計(jì)算模型,分析了地鐵列車行駛時(shí)隧道內(nèi)活塞風(fēng)的非定常流動(dòng)特性,研究了壓力和風(fēng)速隨時(shí)間的變化規(guī)律;Liu等[20]利用數(shù)值模擬方法研究了活塞效應(yīng)對(duì)地鐵隧道內(nèi)二氧化碳濃度和熱環(huán)境的影響,提出了最佳列車速度,最大限度地減少機(jī)械送風(fēng)量。

然而,在上述研究中,一些研究只是單純對(duì)地鐵隧道內(nèi)活塞風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,沒有與試驗(yàn)結(jié)果或數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。以往人們更加關(guān)注活塞風(fēng)風(fēng)速的變化,對(duì)于列車行駛對(duì)列車周圍和隧道內(nèi)整體流場(chǎng)變化的研究較少。因此,有必要對(duì)地鐵隧道內(nèi)列車行駛時(shí)活塞風(fēng)的演化規(guī)律進(jìn)行更加深入的研究。為此,本文以單洞單線類矩形區(qū)間隧道內(nèi)行駛的B型地鐵列車為研究對(duì)象,采用Fluent動(dòng)網(wǎng)格方法對(duì)地鐵隧道內(nèi)勻速直線行駛列車形成的活塞風(fēng)演化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬,主要分析了列車行駛過程中隧道內(nèi)不同斷面處和列車經(jīng)過隧道內(nèi)某斷面處活塞風(fēng)的演化規(guī)律,以及不同阻塞比對(duì)活塞風(fēng)的影響,可為地鐵隧道的機(jī)械通風(fēng)安全、防排煙設(shè)計(jì)和災(zāi)情態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 物理模型建立

根據(jù)我國(guó)地鐵交通現(xiàn)狀,本文以常見的某類矩形區(qū)間隧道內(nèi)行駛的B型地鐵列車為研究對(duì)象。由于類矩形區(qū)間隧道內(nèi)流場(chǎng)具有良好的對(duì)稱性,故利用ANSYS SpaceClaim建立二維物理模型,在保證準(zhǔn)確性的前提下大大縮短了模擬時(shí)間。表1列舉出我國(guó)典型單洞單線類矩形區(qū)間隧道截面尺寸。

表1 我國(guó)典型單洞單線類矩形區(qū)間隧道截面尺寸

將地鐵隧道模型簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)440 m、寬5.5 m的長(zhǎng)方形;B型地鐵列車截面尺寸如圖1所示,列車模型采用一節(jié)B型地鐵列車車廂部分,將其簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)19 m、寬2.7 m的長(zhǎng)方形,列車車廂底部距隧道底部1.1 m;在初始時(shí)刻,列車位于地鐵隧道內(nèi),尾端距離隧道入口1 m,如圖2所示。

圖1 B型地鐵列車截面尺寸Fig.1 Section size of B-type subway train

圖2 地鐵隧道及列車二維物理模型尺寸Fig.2 2D physical model size of subway tunnel and train

2 數(shù)值模擬方法

2.1 邊界設(shè)置

考慮重力對(duì)隧道內(nèi)流場(chǎng)的影響,在初始時(shí)刻,隧道內(nèi)各處空氣壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,各方向風(fēng)速均為0 m/s,由于地鐵隧道內(nèi)列車行駛形成的活塞風(fēng)在一定時(shí)間段內(nèi)是實(shí)時(shí)變化的,為了保證隧道進(jìn)出口壓差恒定,設(shè)置隧道入口為壓力入口,隧道出口為壓力出口,隧道入口和出口均相對(duì)于大氣壓力為0 Pa,列車和隧道壁面均為無滑移絕熱壁面。具體邊界條件設(shè)置如表2所示。

表2 邊界條件設(shè)置

2.2 網(wǎng)格劃分

將隧道內(nèi)部劃分為4個(gè)區(qū)域,如圖3所示。將隧道內(nèi)劃分為4個(gè)區(qū)域的優(yōu)勢(shì)是縮短了計(jì)算機(jī)模擬所消耗的時(shí)間,加快了網(wǎng)格的更新速度,提高了計(jì)算效率,保證了網(wǎng)格的質(zhì)量,使得數(shù)值計(jì)算更加精確和穩(wěn)定,并且在有物質(zhì)交換的相鄰區(qū)域之間通過滑移網(wǎng)格交界面(interface)連接,確保了相鄰區(qū)域穩(wěn)定的物質(zhì)交換。在4個(gè)區(qū)域中,只有約占隧道1/2的拉伸區(qū)域和壓縮區(qū)域涉及網(wǎng)格的消除和生成,具有良好的一維性,并且采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格將計(jì)算域劃分為規(guī)則的四邊形網(wǎng)格,大大減少了所需的網(wǎng)格數(shù)量。最終的網(wǎng)格尺寸為100.0 mm,網(wǎng)格數(shù)量為2 400 000。

圖3 隧道內(nèi)區(qū)域劃分示意圖Fig.3 Diagram of region division in tunnel

2.3 動(dòng)網(wǎng)格方法

動(dòng)網(wǎng)格方法通常用于模擬運(yùn)動(dòng)邊界以及邊界或計(jì)算域內(nèi)的某個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的問題,Fluent軟件主要提供了3種動(dòng)網(wǎng)格算法,分別是彈性光順法(smoothing)、動(dòng)態(tài)層法(layering)和局部網(wǎng)格重構(gòu)法(remeshing)。本文模擬的區(qū)間隧道為類矩形區(qū)間隧道,列車在隧道內(nèi)行駛時(shí)的流場(chǎng)變化具有較好的方向性和對(duì)稱性,因此采用動(dòng)態(tài)層法來實(shí)現(xiàn)地鐵列車在隧道內(nèi)的勻速運(yùn)動(dòng)。動(dòng)態(tài)層法相比較于彈性光順法和局部網(wǎng)格重構(gòu)法,不僅能保證較高的網(wǎng)格質(zhì)量和模擬流場(chǎng)的對(duì)稱性,并且在相同收斂標(biāo)準(zhǔn)和多維規(guī)律的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格條件下,采用的網(wǎng)格數(shù)量遠(yuǎn)小于其他兩種方法,大大節(jié)省了計(jì)算時(shí)間[21]。

根據(jù)《城市軌道交通2021年度統(tǒng)計(jì)和分析報(bào)告》等相關(guān)資料顯示,我國(guó)典型城市地鐵列車平均行駛速度如下:北京38.5 km/h、上海37.3 km/h、天津33.9 km/h,因此本文選取了三者的平均速度,約為36 km/h(10 m/s)。本文主要模擬一節(jié)B型地鐵列車在440 m類矩形區(qū)間隧道內(nèi)以10 m/s的車速直線行駛40 s。列車在隧道中的運(yùn)動(dòng)被定義為簡(jiǎn)單函數(shù),并以Profile文件形式導(dǎo)入Fluent軟件,設(shè)計(jì)總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為40 s,活塞風(fēng)非定常流動(dòng)計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s,每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)迭代20次。

2.4 模擬工況

根據(jù)前人的相關(guān)研究,影響隧道內(nèi)斷面處活塞風(fēng)的因素主要有:①隧道內(nèi)列車的行駛速度;②列車的長(zhǎng)度;③隧道的長(zhǎng)度;④列車迎風(fēng)截面對(duì)隧道截面的阻塞比。其中,影響隧道內(nèi)斷面處活塞風(fēng)最顯著的因素是阻塞比(α)[22]。為了探究隧道內(nèi)不同斷面處活塞風(fēng)的演化規(guī)律以及不同阻塞比對(duì)活塞風(fēng)的影響,設(shè)置的模擬工況如表3所示。

表3 模擬工況設(shè)置表

3 隧道內(nèi)不同斷面處活塞風(fēng)的演化規(guī)律

3.1 隧道內(nèi)不同斷面處活塞風(fēng)特性分析

本文選取現(xiàn)實(shí)地鐵隧道內(nèi)B型地鐵列車的阻塞比,即模擬工況3,在初始時(shí)刻,列車位于隧道入口1 m處,列車行駛速度為10 m/s,列車行駛方向向右,預(yù)留一段行駛距離使得計(jì)算域適應(yīng)列車啟動(dòng)導(dǎo)致的網(wǎng)格變化和隧道內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定,并在距離隧道入口110 m處開始設(shè)置測(cè)點(diǎn),每隔80 m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)距離隧道底部5.3 m,共設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖4所示。隧道內(nèi)各斷面處活塞風(fēng)風(fēng)速的變化曲線、地鐵列車前端到達(dá)隧道內(nèi)各斷面處活塞風(fēng)速度場(chǎng)、地鐵列車行駛過程中某時(shí)刻的壓力場(chǎng)如圖5、圖6和圖7所示。

圖4 隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Layout of measuring points in tunnel

圖5 隧道內(nèi)各斷面處活塞風(fēng)風(fēng)速的變化曲線Fig.5 Variation curves of piston wind velocity at each section in tunnel

圖6 地鐵列車前端到達(dá)隧道內(nèi)各斷面處活塞風(fēng)速度場(chǎng)圖Fig.6 Piston wind velocity field of the subway train head reaching each section in tunnel

圖7 地鐵列車行駛過程中某時(shí)刻的壓力場(chǎng)圖Fig.7 Pressure field of the subway train running at a certain time in tunnel

由圖5至圖7可以看出:

1) 當(dāng)列車啟動(dòng)并以10 m/s勻速行駛時(shí),列車前端擠壓前方空氣產(chǎn)生正壓,列車車身周圍形成負(fù)壓,列車尾端因空氣稀薄形成負(fù)壓渦流區(qū),這使得隧道內(nèi)形成與列車行駛方向相同的活塞風(fēng)。

2) 在列車行駛初期(t=0～11.50 s),隧道內(nèi)原本靜止的流場(chǎng)被列車行駛打亂,隧道內(nèi)的速度場(chǎng)呈現(xiàn)出紊亂的特點(diǎn),列車周圍和后方的空氣流速顯著增大,列車后方出現(xiàn)渦流。

3) 當(dāng)t>11.50 s時(shí),隨著列車?yán)^續(xù)行駛,隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速逐漸增大,隧道內(nèi)的速度場(chǎng)產(chǎn)生了明顯的變化,在列車前端附近和尾端負(fù)壓渦流區(qū)出現(xiàn)高風(fēng)速區(qū),其風(fēng)速大于隧道整體風(fēng)速,并且列車尾端高風(fēng)速區(qū)的風(fēng)速和范圍要大于列車前端;列車車身周圍出現(xiàn)低風(fēng)速區(qū),其范圍不斷擴(kuò)大,當(dāng)t>35.00 s時(shí)保持不變;隧道內(nèi)最高風(fēng)速區(qū)位于列車尾端,該區(qū)域活塞風(fēng)風(fēng)速大于13.50 m/s,該區(qū)域范圍逐漸縮小,當(dāng)t=27.15 s時(shí)該區(qū)域消失。

4) 當(dāng)t>35.00 s時(shí),隧道內(nèi)活塞風(fēng)加速度小于0.02 m/s2,可認(rèn)為隧道內(nèi)的速度場(chǎng)趨于穩(wěn)定,活塞風(fēng)風(fēng)速最終大約為4.09 m/s。需要特別注意的是,當(dāng)列車經(jīng)過隧道內(nèi)某斷面處時(shí),會(huì)導(dǎo)致該斷面處的風(fēng)速和風(fēng)向發(fā)生明顯的變化,這將在下節(jié)對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)分析,并且列車行駛時(shí)間越長(zhǎng),經(jīng)過該斷面處引起的風(fēng)速變化幅度越小,這說明隧道內(nèi)的速度場(chǎng)越來越穩(wěn)定。

基于物理模型和前人的相關(guān)研究,本文建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,地鐵列車行駛時(shí)隧道內(nèi)形成的活塞風(fēng)示意圖,如圖8所示。

圖8 地鐵列車行駛時(shí)隧道內(nèi)形成的活塞風(fēng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of piston wind formed in tunnel during subway train running

嚴(yán)格來說,隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速應(yīng)按非恒定流情況計(jì)算,但考慮到按非恒定流的伯努利方程計(jì)算過程比較繁冗,并且針對(duì)隧道長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于列車長(zhǎng)度的情況,地鐵列車在隧道內(nèi)行駛一段時(shí)間后,隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速將達(dá)到穩(wěn)定值,所以可以按恒定流計(jì)算隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速[23],其計(jì)算公式為

(1)

式中:v0為列車行駛速度(m/s);v為隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速(m/s);ξt為隧道內(nèi)局部和沿程阻力損失之和(除環(huán)腔空間);K為活塞作用系數(shù)。

其中,ξt和K可表示如下[24]:

(2)

(3)

(4)

ξ3=(1-α)2

(5)

式中:α為阻塞比,即列車橫截面積與隧道橫截面積的比值;ξ1、ξ4為隧道進(jìn)口和出口的局部阻力系數(shù);ξ2、ξ3為列車后端和前端的局部阻力系數(shù);λ、λ0為隧道和環(huán)狀空間的沿程阻力系數(shù);d、d0為隧道和環(huán)狀空間的水力直徑(m);l、l0為隧道和環(huán)腔空間的長(zhǎng)度(m)。

結(jié)合物理模型、數(shù)學(xué)模型和前人的相關(guān)研究[25-26],本文對(duì)地鐵隧道和列車參數(shù)進(jìn)行取值,詳見表4和表5。

表4 地鐵隧道和列車參數(shù)

表5 局部和沿程阻力系數(shù)

結(jié)合式(1)～(5)、表4和表5,可求得隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)結(jié)果v′=4.57 m/s,并與數(shù)值模擬結(jié)果v=4.09 m/s進(jìn)行比較,誤差為-10.50%,可認(rèn)為該數(shù)值模擬結(jié)果與數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合。

3.2 列車經(jīng)過隧道內(nèi)某斷面處活塞風(fēng)特性分析

上述研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)罔F列車經(jīng)過隧道某斷面處時(shí)會(huì)導(dǎo)致該斷面處活塞風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向發(fā)生急劇變化,為了探究其原因,本文選取地鐵列車經(jīng)過距離隧道入口110 m斷面處這段路程進(jìn)行重點(diǎn)分析,得到列車經(jīng)過距離隧道入口110 m斷面處活塞風(fēng)風(fēng)速隨時(shí)間的變化曲線、活塞風(fēng)風(fēng)速發(fā)生突變時(shí)的速度場(chǎng)、列車前端達(dá)到距離隧道入口110 m斷面處的速度矢量場(chǎng),如圖9、圖10和圖11所示。

圖9 地鐵列車經(jīng)過距隧道入口110 m斷面處活塞風(fēng) 風(fēng)速隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 Piston wind velocity variation of subway train passing through section 110 m from tunnel entrance

圖10 地鐵列車經(jīng)過距隧道入口110 m斷面處活塞風(fēng) 的速度場(chǎng)圖Fig.10 Piston wind velocity field of subway train passing through section 110 m from tunnel entrance

圖11 地鐵列車前端達(dá)到距隧道入口110 m斷面處活 塞風(fēng)速度矢量場(chǎng)圖Fig.11 Piston wind velocity vector field of subway train head reaching section 110 m from tunnel entrance

由圖9可以看出,當(dāng)t=8.17、8.83、9.18、10.99、11.95、12.93、14.40 s時(shí),距離隧道入口110 m斷面處活塞風(fēng)的風(fēng)速或方向發(fā)生了顯著變化。結(jié)合圖10和圖11分析可知:由于地鐵列車前端擠壓空氣使得隧道內(nèi)列車前方大部分空氣向前流動(dòng),少部分空氣從列車與隧道之間形成的環(huán)狀空間向后流動(dòng),這部分向后的空氣流動(dòng)稱為回流風(fēng),還有極少部分空氣流動(dòng)與隧道壁面之間有夾角,甚至垂直于隧道壁面,這使得在列車前方貼近隧道壁面的某小片區(qū)域出現(xiàn)了低風(fēng)速區(qū)(A區(qū));當(dāng)t=8.17 s時(shí),列車前方低風(fēng)速A區(qū)即將到達(dá)距離隧道入口110 m斷面處時(shí),會(huì)導(dǎo)致該斷面處向前的活塞風(fēng)風(fēng)速急劇減小;當(dāng)t=8.83 s時(shí),距離隧道入口110 m斷面處活塞風(fēng)的風(fēng)速接近0 m/s,該處活塞風(fēng)風(fēng)向幾乎垂直于隧道壁面,之后風(fēng)向發(fā)生變化,形成了向后流動(dòng)的回流風(fēng),并且由于列車前端的擠壓作用和截面積突然減小使得該處回流風(fēng)風(fēng)速急劇增大;當(dāng)t=9.18 s時(shí),剛被列車擠壓后的回流風(fēng)經(jīng)過距離隧道入口110 m斷面處,此時(shí)該斷面處所在區(qū)域?yàn)榛亓黠L(fēng)最大風(fēng)速區(qū)(B區(qū)),最大回流風(fēng)風(fēng)速為9.75 m/s;當(dāng)t=9.18～10.99 s時(shí),由于隧道和列車壁面的阻力作用,該斷面處回流風(fēng)風(fēng)速逐漸減小;當(dāng)t=10.99 s時(shí),列車整體完全通過距離隧道入口110 m斷面處,由于列車尾端負(fù)壓渦流區(qū)的吸引力和截面積突然增大,該斷面處回流風(fēng)的風(fēng)速急劇減小;當(dāng)t>11.95 s時(shí),距離隧道入口110 m斷面處的回流風(fēng)消失,取而代之的是與列車行駛方向相同的活塞風(fēng),由于列車尾端形成的負(fù)壓渦流區(qū)對(duì)活塞風(fēng)的影響,活塞風(fēng)風(fēng)速變化呈現(xiàn)波浪式,活塞風(fēng)風(fēng)速變化幅度較大,并且隨著列車行駛時(shí)間的增加,列車尾端負(fù)壓渦流區(qū)對(duì)該斷面處活塞風(fēng)的影響減弱,活塞風(fēng)風(fēng)速的變化幅度減小,速度場(chǎng)逐漸穩(wěn)定,活塞風(fēng)風(fēng)速緩慢增大。

4 阻塞比對(duì)隧道內(nèi)活塞風(fēng)及通風(fēng)安全的影響

為了探究不同阻塞比對(duì)隧道內(nèi)活塞風(fēng)的影響,本文通過改變列車截面來改變列車對(duì)于地鐵隧道的阻塞比,測(cè)點(diǎn)布置和參數(shù)設(shè)置與上文保持一致。當(dāng)阻塞比發(fā)生改變時(shí),隧道內(nèi)各斷面處活塞風(fēng)風(fēng)速的變化曲線、列車行駛35 s時(shí)隧道內(nèi)活塞風(fēng)速度場(chǎng)及其活塞風(fēng)速度矢量場(chǎng),如圖12、圖13和圖14所示。

圖12 不同阻塞比下隧道內(nèi)各斷面處活塞風(fēng)風(fēng)速的變化曲線Fig.12 Variation curves of piston wind velocity at each section under different blockage ratios

圖13 不同阻塞比下地鐵列車行駛35 s時(shí)隧道內(nèi)活塞 風(fēng)速度場(chǎng)圖Fig.13 Piston wind velocity field diagram in tunnel when the subway train runs for 35 s under different blockage ratios

圖14 不同阻塞比下地鐵列車行駛35 s時(shí)隧道內(nèi)活塞 風(fēng)速度矢量場(chǎng)圖Fig.14 Piston wind velocity vector field diagram in tunnel when the subway train runs for 35 s under different blockage ratios

由圖12可以看出:當(dāng)阻塞比發(fā)生改變時(shí),不同阻塞比下隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速的變化趨勢(shì)是一致的,且隨著列車行駛時(shí)間的增加,隧道內(nèi)整體活塞風(fēng)風(fēng)速先增大后保持穩(wěn)定;當(dāng)列車經(jīng)過隧道某斷面處時(shí),隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速變化與3.2節(jié)一致;在其他條件不變的情況下,隨著阻塞比增大,隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速增大,達(dá)到隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速穩(wěn)定所需的時(shí)間縮短,列車經(jīng)過某斷面處引起的活塞風(fēng)風(fēng)速變化幅度增大,對(duì)隧道內(nèi)空氣擾動(dòng)的影響增大,對(duì)隧道內(nèi)機(jī)械通風(fēng)的影響增強(qiáng)。結(jié)合圖13和圖14分析可知:當(dāng)阻塞比為α=0.2、0.4、0.49時(shí),列車尾端產(chǎn)生負(fù)壓渦流區(qū),渦流現(xiàn)象明顯,列車經(jīng)過隧道某斷面處后該斷面處的活塞風(fēng)風(fēng)速波動(dòng)明顯,且當(dāng)α=0.4時(shí)產(chǎn)生的渦流比α=0.2、0.49時(shí)范圍更大,活塞風(fēng)風(fēng)速波動(dòng)更大,持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng);當(dāng)α=0.6、0.8時(shí),列車尾端只產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)而不產(chǎn)生渦流,流場(chǎng)較為穩(wěn)定,活塞風(fēng)風(fēng)速基本無波動(dòng);隨著阻塞比繼續(xù)增大,環(huán)腔空間的回流風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)量顯著減小。這是因?yàn)樵诹熊囍車a(chǎn)生了類似于卡門渦街現(xiàn)象的流場(chǎng)變化情況,根據(jù)卡門渦街現(xiàn)象中圓柱繞流的經(jīng)典理論可知,渦街的每個(gè)單渦的頻率與繞流速度成正比,與圓柱體直徑成反比。針對(duì)本研究,隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速波動(dòng)程度類比于圓柱繞流經(jīng)典理論中的單渦頻率,列車截面積類比于圓柱體直徑,可得活塞風(fēng)風(fēng)速波動(dòng)程度與列車截面積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

本文將不同阻塞比下隧道內(nèi)穩(wěn)定活塞風(fēng)風(fēng)速數(shù)值模擬結(jié)果與數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,如表6所示。

由表6可知,待隧道內(nèi)活塞風(fēng)速度場(chǎng)穩(wěn)定后,阻塞比與活塞風(fēng)風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系,近似為一次函數(shù)關(guān)系:y=9.301x-0.638(R2=0.995 3),其中y為活塞風(fēng)風(fēng)速(m/s),x為阻塞比。本研究的數(shù)值模擬結(jié)果僅在α=0.4、0.6、0.8時(shí)才與數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果有較高的吻合度,推測(cè)當(dāng)數(shù)值模擬中阻塞比較小時(shí),即α=0.2、0.4、0.49時(shí),列車僅對(duì)附近區(qū)域的活塞風(fēng)速度場(chǎng)有較大的影響,而對(duì)隧道內(nèi)整體活塞風(fēng)速度場(chǎng)的影響較小。

5 結(jié) 論

通過對(duì)單洞單線類矩形區(qū)間隧道內(nèi)一節(jié)B型地鐵列車勻速直線行駛時(shí)隧道內(nèi)活塞風(fēng)演化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析和理論計(jì)算,得到的主要結(jié)論如下:

1) 當(dāng)列車啟動(dòng)并以速度為10 m/s勻速直線行駛時(shí),隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速逐漸增加,列車前端和尾端的活塞風(fēng)風(fēng)速大于隧道整體活塞風(fēng)風(fēng)速,列車車身周圍活塞風(fēng)風(fēng)速較低,最高活塞風(fēng)風(fēng)速出現(xiàn)在列車尾端負(fù)壓渦流區(qū);當(dāng)列車行駛時(shí)間達(dá)到35 s時(shí),隧道內(nèi)活塞風(fēng)速度場(chǎng)趨于穩(wěn)定,活塞風(fēng)風(fēng)速約為4.09 m/s,其與數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)結(jié)果4.57 m/s相比較,誤差為-10.50%,可認(rèn)為該數(shù)值模擬結(jié)果與數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合。

2) 當(dāng)列車經(jīng)過隧道某斷面處時(shí),首先列車前方貼近隧道壁面的低風(fēng)速區(qū)抵達(dá)該斷面處,接著列車前端車身處向后快速流動(dòng)的回流風(fēng)抵達(dá)該斷面處,回流風(fēng)風(fēng)速先增大后緩慢減小,該斷面處回流風(fēng)最大風(fēng)速為9.75 m/s;當(dāng)列車完全經(jīng)過該斷面處時(shí),該斷面處回流風(fēng)風(fēng)速急劇減小,接著該斷面處的回流風(fēng)被與列車運(yùn)行方向一致的活塞風(fēng)取代,活塞風(fēng)風(fēng)速變化呈現(xiàn)波浪式,變化幅度逐漸減小,活塞風(fēng)風(fēng)速緩慢增大。

3) 通過對(duì)阻塞比分別為α=0.2、0.4、0.49、0.6、0.8情況下隧道內(nèi)活塞風(fēng)的演化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明:當(dāng)阻塞比發(fā)生改變時(shí),隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速的變化趨勢(shì)是一致的,即隨著阻塞比的增大,隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速增大,達(dá)到活塞風(fēng)風(fēng)速穩(wěn)定所需的時(shí)間縮短,列車經(jīng)過某斷面處引起的活塞風(fēng)風(fēng)速波動(dòng)幅度增大,活塞風(fēng)對(duì)隧道內(nèi)機(jī)械通風(fēng)的影響增強(qiáng),待隧道內(nèi)活塞風(fēng)速度場(chǎng)穩(wěn)定后阻塞比與活塞風(fēng)風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系。

4) 列車行駛產(chǎn)生的活塞風(fēng)會(huì)持續(xù)影響隧道機(jī)械通風(fēng)的通風(fēng)效果和換氣次數(shù),本文得到的活塞風(fēng)風(fēng)速變化規(guī)律對(duì)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中隧道內(nèi)活塞風(fēng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)的制定具有一定的參考價(jià)值。此外,當(dāng)?shù)罔F隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí),活塞風(fēng)會(huì)顯著影響隧道內(nèi)煙氣的蔓延與擴(kuò)散,本研究結(jié)果可為地鐵隧道機(jī)械通風(fēng)安全和地鐵消防設(shè)計(jì)中防排煙參數(shù)的設(shè)置和災(zāi)情態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)提供依據(jù),對(duì)人員安全疏散、應(yīng)急救援預(yù)案制定具有一定的指導(dǎo)意義。