王麗慧 吳喜平 宋 潔 施 逵

(1 上海理工大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 上海 200093；2 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 上海 200092；3 上海申通軌道交通研究咨詢有限公司 上海 202150；4 上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院 上海 200070)

由于地鐵車站環(huán)控?zé)岘h(huán)境與人的舒適、健康及空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能密切相關(guān)，因此，現(xiàn)有地鐵熱環(huán)境的研究多集中于此，即綜合利用數(shù)值模擬[1]、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[2]等研究方法，分析了地鐵活塞風(fēng)作用下，車站站臺(tái)層、站廳層、出入口等單元速度場(chǎng)[3-4]、溫度場(chǎng)[5-6]、壓力場(chǎng)[7-8]的變化規(guī)律和空調(diào)系統(tǒng)能耗狀況[9]等。而對(duì)于產(chǎn)生活塞風(fēng)的地鐵區(qū)間隧道，現(xiàn)有研究多見于以理論建模方式分析活塞風(fēng)變化規(guī)律[10]，用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方式分析隧道內(nèi)壁溫變化[11]，或用縮尺模型試驗(yàn)研究列車運(yùn)行(最高時(shí)速125m/s)形成的隧道壓力波[12]等。而對(duì)區(qū)間隧道內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)熱環(huán)境的總體綜合分析較少。

地鐵區(qū)間隧道熱環(huán)境的重要性主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：1)對(duì)閉式(開式)系統(tǒng)而言，對(duì)車站環(huán)控?zé)岘h(huán)境有顯著影響的活塞風(fēng)產(chǎn)生于區(qū)間隧道，區(qū)間隧道內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的特性通過列車活塞風(fēng)直接作用于車站環(huán)控，因此區(qū)間隧道熱環(huán)境是影響車站舒適性和能耗的根本原因。2)對(duì)于屏蔽門系統(tǒng)，區(qū)間隧道速度場(chǎng)變化直接影響到屏蔽門所需承受的風(fēng)壓及漏風(fēng)量，而區(qū)間溫度變化情況是屏蔽門系統(tǒng)的重要關(guān)注指標(biāo)?？梢姡瑢?duì)地鐵區(qū)間隧道速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)的研究具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

這里通過縮尺模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬等研究方法，分析地鐵區(qū)間隧道速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化的基本規(guī)律。

1 研究方法

1.1 縮尺模型試驗(yàn)

搭建幾何尺寸相似比為1:30的縮尺模型試驗(yàn)臺(tái)作為實(shí)際復(fù)雜隧道的抽象代表，來(lái)研究區(qū)間速度場(chǎng)隨列車運(yùn)行的變化規(guī)律。一方面，隧道是影響閉式系統(tǒng)車站環(huán)控的活塞風(fēng)發(fā)源地，同時(shí)隧道風(fēng)速、風(fēng)壓的變化規(guī)律又能反映屏蔽門系統(tǒng)區(qū)間長(zhǎng)期存在氣流運(yùn)動(dòng)的基本特征；另一方面，通過此實(shí)驗(yàn)來(lái)分析活塞風(fēng)風(fēng)速隨車速、阻塞比和列車長(zhǎng)度變化的基本規(guī)律。

模型試驗(yàn)以重物下落的拉力作為模型列車前進(jìn)的動(dòng)力，模型區(qū)間隧道長(zhǎng)33m，模型列車與隧道橫截面積、長(zhǎng)度的比例均按實(shí)際地鐵相應(yīng)比例設(shè)計(jì)[13]；通過方程分析法，整理得到如下三個(gè)相似準(zhǔn)則數(shù)Fr，Eu和Re：

式中，μ —?jiǎng)恿φ承韵禂?shù)，N.s/m2；l—外形尺寸，m； ρ —空氣密度，kg/m3；Δp —壓差，Pa。

其中，F(xiàn)r準(zhǔn)則數(shù)主要考慮重力作用，模型實(shí)驗(yàn)主要研究區(qū)間活塞風(fēng)的受迫運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)力源于水平方向上的壓力差，重力不起決定性作用，故Fr準(zhǔn)則可不予考慮。在粘性流體受迫運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，考慮粘性力的雷諾準(zhǔn)則Re對(duì)流動(dòng)狀態(tài)起決定性作用。通過計(jì)算，模型實(shí)驗(yàn)的雷諾數(shù)約為5.47×108，遠(yuǎn)大于粗糙管最大雷諾數(shù)臨界值[14]9.5×105，模型試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)流體已進(jìn)入第二自模區(qū)，故模型試驗(yàn)與實(shí)際隧道內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)自動(dòng)滿足雷諾相似準(zhǔn)則。

因此，縮尺模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)需滿足幾何相似和歐拉準(zhǔn)則數(shù)相似，而歐拉數(shù)中的空氣密度ρ可認(rèn)為模型與實(shí)物自動(dòng)相等，壓差Δp與車速相關(guān)[15]，氣流速度v主要由列車運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，與車速密切相關(guān)，故必須保證模型列車的運(yùn)行速度與實(shí)際地鐵車速相近，這是滿足模型相似性的必要條件，也是模型試驗(yàn)取得成功的關(guān)鍵。

通過調(diào)節(jié)重物質(zhì)量，模型列車車速可達(dá)到與實(shí)際地鐵車速接近的7m/s～13m/s。模型試驗(yàn)臺(tái)原理圖和實(shí)體圖分別參見圖1、圖2。

圖1 縮尺模型試驗(yàn)臺(tái)原理圖Fig.1 The schematic of scale model test

圖2 縮尺模型試驗(yàn)臺(tái)實(shí)體Fig.2 The photos from scale model test

1.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法研究區(qū)間溫度場(chǎng)主要基于以下兩方面考慮：1)地鐵區(qū)間熱容量較大，難以通過模型試驗(yàn)再現(xiàn)區(qū)間溫度場(chǎng)；2)狹長(zhǎng)的地鐵區(qū)間不利于人員安全、有效地進(jìn)行多列車工況的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的具體方法是在上海地鐵一號(hào)線某區(qū)間中部安裝型號(hào)為PG100的溫度傳感器(儀器測(cè)試范圍-40℃～50℃，測(cè)試精度±0.5℃)，通過區(qū)域控制器與車控室數(shù)字轉(zhuǎn)換器相連，全天24小時(shí)工作，每隔15min自動(dòng)記錄溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.3 SES數(shù)值模擬

Subway Environment Simulation(簡(jiǎn)稱SES)是被國(guó)際上廣泛認(rèn)可的、相對(duì)成熟的地鐵熱環(huán)境模擬軟件。其針對(duì)地鐵熱環(huán)境研發(fā)，經(jīng)過了模型試驗(yàn)驗(yàn)證[16]，可準(zhǔn)確模擬多工況下的地鐵熱環(huán)境變化。建立圖3節(jié)點(diǎn)圖數(shù)學(xué)模型，模擬對(duì)象為完整區(qū)間隧道，其臨界條件選取和參數(shù)設(shè)定均依據(jù)地鐵實(shí)際情況，基本參數(shù)選取見表1。其中節(jié)點(diǎn)(node)81～節(jié)點(diǎn)(node)87為下行線區(qū)間，段(section)81～86分別代表斷面1～斷面6，子節(jié)83-1～83-13對(duì)應(yīng)斷面3內(nèi)等分的13個(gè)子斷面。

表1 數(shù)值模擬各工況基本參數(shù)設(shè)定Tab.1 Fundamental parameters of each condition in SES

圖3 地鐵區(qū)間隧道單元的SES數(shù)學(xué)模型Fig.3 SES mathematical model in tunnel

2 研究?jī)?nèi)容與分析

2.1 區(qū)間速度場(chǎng)研究

2.1.1 縮尺模型試驗(yàn)研究結(jié)果

1)區(qū)間最大風(fēng)速計(jì)算表達(dá)式

利用模型試驗(yàn)，在保證其他參數(shù)不變的情況下，通過調(diào)整下落重物的質(zhì)量和列車車頭的橫截面積，特就最大車速為7m/s、10m/s和13m/s時(shí)，進(jìn)行了不同阻塞比條件下的單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。通過上述改變車速和阻塞比的模型試驗(yàn)得到，其反映的區(qū)間隧道最大風(fēng)速vmax可由下式表示：

式中，v0—列車車速，m/s；l—隧道長(zhǎng)度，m；l0—列車長(zhǎng)度，m；β—列車對(duì)隧道的阻塞比。

圖4 區(qū)間風(fēng)速隨車速和阻塞比變化的模型試驗(yàn)Fig.4 Tunnel velocity varied with v0 and β

2)區(qū)間斷面最大風(fēng)速的滯后性

由縮尺模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，列車前方某點(diǎn)最大風(fēng)速與最大車速并不同時(shí)出現(xiàn)。稱車速最大時(shí)該點(diǎn)的風(fēng)速為即時(shí)風(fēng)速，其往往小于最大風(fēng)速，兩者的比值隨車速不同而變化。這是因?yàn)闅饬飨啾扔谲囁俚淖兓?，在時(shí)間上有一定的滯后性。將區(qū)間內(nèi)某點(diǎn)即時(shí)風(fēng)速vx與最大風(fēng)速vmax的比值用δ表示。模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到δ與車速v0的關(guān)系式(3)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合曲線變化見圖5。

圖5 δ隨車速變化的模型試驗(yàn)結(jié)果Fig. 5 δ varied with v0 in model test

從圖中可見，δ隨車速的增加而減小。而試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，地鐵區(qū)間某點(diǎn)的最大風(fēng)速往往出現(xiàn)在列車車尾通過該點(diǎn)時(shí)。

2.1.2 列車勻速運(yùn)行工況

縮尺模型試驗(yàn)分別采用多點(diǎn)風(fēng)速采樣儀(測(cè)試精度為±0.01m/s)和微壓計(jì)(測(cè)試精度為±0.1Pa)測(cè)試模型隧道風(fēng)速與壓力，測(cè)點(diǎn)每隔5m均勻布置，風(fēng)速v和風(fēng)壓p試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 模型試驗(yàn)車頭前隧道風(fēng)速與風(fēng)壓分布Fig.6 The tunnel velocity and pressure distribution

其中，模型試驗(yàn)中最大風(fēng)壓pmax隨距車頭距離x變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可擬合得下式：

可見，由模型試驗(yàn)得到：列車勻速運(yùn)行時(shí)，區(qū)間內(nèi)列車前方各點(diǎn)風(fēng)速不變；越靠近隧道出口，l'越小，p'壓力越小。

根據(jù)圖3的SES數(shù)學(xué)模型，當(dāng)列車以15.6m/s的速度勻速運(yùn)行時(shí)，隧道各斷面風(fēng)速變化的數(shù)值模擬結(jié)果見圖7。

圖7 列車勻速運(yùn)行隧道內(nèi)風(fēng)速數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 The tunnel velocity with constant train speed

由圖7知，數(shù)值模擬結(jié)果與縮尺模型試驗(yàn)結(jié)果一致，即列車勻速運(yùn)行時(shí)，區(qū)間風(fēng)速不變，驗(yàn)證了SES數(shù)學(xué)模型的正確性。

2.1.3 列車變速運(yùn)行工況

區(qū)間內(nèi)列車變速運(yùn)行過程可分為列車進(jìn)洞的加速過程(由部分列車進(jìn)洞、全部列車進(jìn)洞組成)和列車出洞的減速過程(分為部分列車出洞、全部列車出洞)。列車變速運(yùn)行時(shí)，區(qū)間速度場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律是關(guān)注對(duì)象。現(xiàn)有的理論分析將區(qū)間風(fēng)速表述成與時(shí)間有關(guān)的微分解析式，但風(fēng)速隨時(shí)間變化的規(guī)律不明顯，現(xiàn)通過數(shù)值模擬深入研究。

1)列車加速進(jìn)洞工況

圖8(a)反映了列車進(jìn)洞加速過程，區(qū)間隧道內(nèi)各斷面平均風(fēng)速隨時(shí)間的變化規(guī)律，擬合為：

表2 區(qū)間各斷面擬合關(guān)系式(4)系數(shù)及相關(guān)系數(shù)Tab.2 The coef fi cient of formula 4

圖8 列車變速工況，車速及區(qū)間風(fēng)速隨時(shí)間變化Fig.8 The tunnel velocity with changerable train speed

2)列車減速出洞工況

列車減速出洞過程，區(qū)間隧道各斷面模擬結(jié)果見圖8(b)，斷面平均風(fēng)速隨時(shí)間擬合如下：

表3 區(qū)間各斷面擬合關(guān)系式(5)系數(shù)及相關(guān)系數(shù)Tab.3 The coef fi cient of formula 5

2.1.4 區(qū)間速度場(chǎng)隨時(shí)段與季節(jié)的變化

列車運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)是影響區(qū)間隧道速度場(chǎng)的主要因素，其累積效應(yīng)體現(xiàn)在各季節(jié)不同時(shí)段區(qū)間速度場(chǎng)的不同。一方面，平均速度明顯大于非高峰時(shí)段；另一方面，夏熱冬冷地區(qū)，夏季、冬季地鐵實(shí)行閉式運(yùn)行，過渡季開式運(yùn)行，活塞風(fēng)井開啟，區(qū)間隧道受活塞風(fēng)影響的程度加大，故過渡季區(qū)間隧道內(nèi)平均風(fēng)速較冬季、夏季大。數(shù)值模擬結(jié)果符合上述分析的規(guī)律，見圖9。

圖9 區(qū)間不同時(shí)段風(fēng)速比較的數(shù)值模擬Fig.9 The tunnel velocity comparison during times

2.2 區(qū)間溫度場(chǎng)研究

列車運(yùn)行產(chǎn)熱是地鐵內(nèi)主要得熱，占總得熱量的70%～80%[17]。列車運(yùn)行產(chǎn)熱包括：列車表面空氣阻力摩擦生熱，車輪與鋼軌間及車輪與軸承間摩擦生熱，車內(nèi)照明、空壓機(jī)等輔助機(jī)械產(chǎn)熱，以及列車空調(diào)冷凝器排熱。列車前進(jìn)過程中，這些熱量一部分通過活塞風(fēng)帶到站臺(tái)或由活塞風(fēng)井排向室外，另一部分留在隧道內(nèi)引起區(qū)間溫度場(chǎng)的變化。在列車活塞風(fēng)作用下，區(qū)間溫度場(chǎng)隨時(shí)間和列車位置發(fā)生變化。

2.2.1 區(qū)間溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化

以夏季閉式系統(tǒng)區(qū)間溫度為研究對(duì)象，靠近站臺(tái)的區(qū)間兩端溫度受車站空調(diào)系統(tǒng)影響較大，而區(qū)間隧道中部溫變規(guī)律具有一定的代表性。全天24小時(shí)隧道中部氣溫現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖10。此外，從圖中可見，SES數(shù)值模擬得到的隧道中部平均溫度隨時(shí)間變化曲線與監(jiān)測(cè)結(jié)果相似，驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)模型研究區(qū)間隧道溫度場(chǎng)的正確性。

圖10 夏季區(qū)間隧道中部氣溫隨時(shí)間變化的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬Fig.10 The middle tunnel temperature varied with time in summer

圖11 地鐵區(qū)間列車行車密度隨時(shí)段的變化Fig.11 The train numbers varied with times

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)日選取在8月中旬，室外日最高氣溫33.3℃，隧道內(nèi)部最高溫度高出室外約3℃。由于監(jiān)測(cè)段地鐵投入運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，區(qū)間圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱多、熱容量大，區(qū)間溫度最大值與最小值相差不大，約1℃左右。引起區(qū)間溫度場(chǎng)變化的主要因素為室外溫度和列車行車密度(其隨時(shí)段變化參見圖11)，分6個(gè)典型階段分析區(qū)間氣溫變化規(guī)律。1)階段I(6:00～7:00)：列車開始運(yùn)行，區(qū)間內(nèi)氣溫隨列車運(yùn)行散熱和夏季室外氣溫升高而小幅上升。2)階段II(7:00～9:00)：地鐵客流早高峰時(shí)段，行車密度由4.6輛/小時(shí)增大到10.9輛/小時(shí)，列車在隧道內(nèi)散熱增大，雖然車站空調(diào)系統(tǒng)已開啟，但隧道中部溫度上升顯著。3)階段III(9:00～16:00)：一方面為夏季室外氣溫較高時(shí)段，區(qū)間溫度有所升高；另一方面為地鐵運(yùn)行非高峰時(shí)段，行車對(duì)數(shù)減少，列車在隧道內(nèi)釋放熱量減少，而活塞風(fēng)又將一部分站臺(tái)冷空氣帶入隧道。數(shù)值模擬中設(shè)定車站環(huán)控空調(diào)系統(tǒng)能夠維持非高峰時(shí)段區(qū)間溫度的穩(wěn)定；而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因該區(qū)段地鐵運(yùn)營(yíng)多年，區(qū)間圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量受室外溫度影響明顯，并與室外最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間存在延遲，約14:00區(qū)間溫度最高。4)階段IV(16:00～19:00)：地鐵運(yùn)行晚高峰時(shí)段，雖然室外溫度下降較大，區(qū)間氣溫因列車散熱量的增加而保持較高水平。5)階段V(19:00～22:00)：非高峰時(shí)段且夏季室外溫度較低，活塞風(fēng)繼續(xù)將站臺(tái)冷空氣帶入隧道，區(qū)間隧道氣溫下降顯著。6)階段VI(22:00～次日6:00)：地鐵區(qū)間內(nèi)無(wú)列車運(yùn)行，站臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉，夏季夜晚室外氣溫較低，區(qū)間隧道溫度在室外溫度影響下緩慢下降。

2.2.2 區(qū)間溫度場(chǎng)隨列車位置的變化

由縮尺模型試驗(yàn)研究知，當(dāng)列車車尾剛剛通過測(cè)點(diǎn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)的縱向風(fēng)速最大，此時(shí)風(fēng)量所攜帶的列車放熱量對(duì)該測(cè)點(diǎn)溫度影響最顯著。為分析區(qū)間隧道內(nèi)各斷面溫度隨列車位置的變化規(guī)律，選取不受站臺(tái)環(huán)控空調(diào)系統(tǒng)影響的過渡季節(jié)，在SES數(shù)學(xué)模型中用13個(gè)子斷面均分?jǐn)嗝?所代表的區(qū)間段，各子斷面的位置坐標(biāo)見表4，各子斷面溫度隨車頭位置變化見圖12。

表4 區(qū)段3內(nèi)13個(gè)均分子斷面的位置坐標(biāo)Tab.4 The 13 sub-section locations in section 3

圖12 各子斷面溫度隨車頭位置變化的數(shù)值模擬Fig.12 The sub-section temperature varied with train head

經(jīng)曲線擬合得到，13個(gè)子斷面平均溫度t與車頭位置坐標(biāo)x均滿足式(7)，13個(gè)子斷面關(guān)系式中常數(shù)c1～c6的平均值及擬合相關(guān)系數(shù)平均值見表5。數(shù)學(xué)模型中車長(zhǎng)140m，從表4和圖12中溫度最大值時(shí)的坐標(biāo)比較得出，兩者之差均為140m左右，即車尾剛剛通過斷面時(shí)，該斷面溫度最高。

表5 區(qū)段3內(nèi)13個(gè)子斷面關(guān)系式各項(xiàng)系數(shù)平均值及平均擬合相關(guān)系數(shù)Tab.5 The average coef fi cient of the 13 formulas

2.2.3 隧道壁溫變化特性

由理論分析，建立隧道襯砌表面吸(放)熱量Qx(f)關(guān)系式：

式中，q —隧道襯砌表面熱流密度，W/m2；τ —吸(放)熱時(shí)間，s；ψ —對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2.℃；tn—隧道內(nèi)空氣溫度，℃；tw—隧道壁溫，℃；Sz—隧道內(nèi)總表面積，m2；Sz=Bl，B—隧道周長(zhǎng)，m；l—隧道長(zhǎng)度，m。

當(dāng)(tn-tw)＞0時(shí)，襯砌表面吸熱；當(dāng)(tn-tw)＜0，襯砌表面放熱；在整個(gè)熱交換時(shí)段內(nèi)，平均溫度取(tn-tw)/2=Δt/2，則列車通過隧道過程中，襯砌表面的總Qx(f)為：

式中，ΔQ—隧道內(nèi)剩余熱量，W；K吸—隧道壁面吸熱系數(shù)，即：

其中，S—隧道橫截面積，m2；γ—隧道內(nèi)空氣密度，kg/m3；C—空氣重量比熱容，J/kg.℃。

可見，隧道壁面吸熱系數(shù)與隧道壁面對(duì)流換熱系數(shù)、隧道周長(zhǎng)與橫截面積之比，壁面的吸放熱時(shí)間等因素有關(guān)，其數(shù)值與活塞風(fēng)速密切相關(guān)。若K吸≥1，即Qx(f)≥ΔQ，說明列車經(jīng)過隧道時(shí)，剩余熱量能被襯砌表面全部吸收；若K吸≤1，即Qx(f)≤ΔQ，說明列車經(jīng)過隧道后，剩余熱量未被襯砌表面全部吸收。隧道壁面非穩(wěn)定動(dòng)態(tài)傳熱過程是圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄冷蓄熱效應(yīng)的原因所在。由理論分析知，在地鐵遠(yuǎn)期運(yùn)行中(K吸＜1)，隧道內(nèi)列車發(fā)熱量不能被壁面全部吸收，導(dǎo)致各季節(jié)的隧道氣溫均高于隧道壁溫；而過渡季活塞風(fēng)井開啟，活塞風(fēng)速的增加使隧道壁面的對(duì)流換熱系數(shù)和吸熱系數(shù)均增大，促進(jìn)熱交換，使氣溫與壁溫之差明顯小于夏季和冬季。鑒于模擬對(duì)象為遠(yuǎn)期運(yùn)行的地鐵，隧道及土壤的蓄熱量較大，與隧道內(nèi)空氣溫差小，傳熱效果較差，SES數(shù)值模擬中，混凝土和土壤的熱傳導(dǎo)系數(shù)分別取5.084 W/(m2.K)和4.483 W/(m2.K)，混凝土和土壤的熱擴(kuò)散系數(shù)分別取0.00266m2/h和0.00279 m2/h。圖13實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果的比較驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性，圖14為各季節(jié)長(zhǎng)期運(yùn)行地鐵隧道氣溫與壁溫比較。

圖13 夏季隧道平均壁溫與氣溫變化的數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)Fig.13 The comparison between tunnel wall and air temperature

圖14 各季節(jié)隧道各部分氣溫與壁溫比較的數(shù)值模擬Fig.14 In different seasons the comparison between tunnel wall temperature and air temperature

3 結(jié)論

綜合運(yùn)用縮尺模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和SES數(shù)值模擬等研究方法，分析了地鐵區(qū)間速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)等熱環(huán)境的基本規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1)由縮尺模型試驗(yàn)研究得到，兩端開口的區(qū)間隧道最大風(fēng)速隨車長(zhǎng)、車速和阻塞比變化的表達(dá)式；區(qū)間風(fēng)速相比于車速的滯后性與車速大小相關(guān)。

2)綜合模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究得到，兩端開口的區(qū)間隧道內(nèi)，列車勻速運(yùn)行時(shí)，區(qū)間風(fēng)速恒定，壓力越靠近隧道出口處越低。由數(shù)值模擬得，列車加速進(jìn)洞和減速出洞的變速運(yùn)行過程中，區(qū)間各斷面風(fēng)速均隨時(shí)間成二次函數(shù)變化關(guān)系。

3)區(qū)間速度場(chǎng)在隧道活塞風(fēng)的作用下，高峰時(shí)段風(fēng)速大于非高峰時(shí)段，且過渡季風(fēng)速大于空調(diào)季。

4)結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到夏季區(qū)間隧道溫度場(chǎng)全天24小時(shí)變化規(guī)律，在室外溫度和行車密度兩個(gè)主要影響因素作用下，可分為6個(gè)典型變化階段。

5)擬合數(shù)值模擬研究結(jié)果，得到區(qū)間隧道溫度場(chǎng)隨列車位置的變化關(guān)系，列車車尾通過時(shí)，各子斷面溫度最高。

6)在理論分析基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬得到，不同季節(jié)區(qū)間氣溫與壁溫的相對(duì)變化趨勢(shì)。

(本文受上海市教委重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(J50502)、上海高校選拔培養(yǎng)優(yōu)秀青年教師科研專項(xiàng)基金(slg-07026)、上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)項(xiàng)目(建筑能耗現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法的實(shí)驗(yàn)研究)、上海市教委重點(diǎn)學(xué)科研究生創(chuàng)新基金(上海城市風(fēng)場(chǎng)基本特性的研究)、上海理工大學(xué)博士啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目資助。The project was supported by Project of Shanghai Municipal Education Commission(J50502), Special Research Fund in Shanghai Colleges and Universities to Select and Train Outstanding Young Teachers(slg-07026), University Student Innovative Project of Shanghai,Graduate Innovative Fund in Project of Shanghai Municipal Education Commission,the funds for Doctors in USST.)

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