由世俊，薛 鵬，張 歡

基于動網(wǎng)格的地鐵活塞效應(yīng)非穩(wěn)態(tài)氣流模擬

由世俊，薛 鵬，張 歡

(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

活塞效應(yīng)是影響地鐵隧道和站臺氣流非穩(wěn)態(tài)流動的主要因素，為此采用現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬的方法對氣流進行分析．其中，實驗選在裝有安全門的運行車站，并記錄列車運行時的測點風速．數(shù)值研究基于實驗車站的全尺寸模型，并利用動網(wǎng)格技術(shù)對其模擬．研究結(jié)果表明，采用標準k-ε方程的模擬方法結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)吻合較好，證明其適用于高雷諾數(shù)的隧道模擬研究．研究同時發(fā)現(xiàn)，活塞風在站臺前后兩個聯(lián)接處(迂回風道和活塞豎井)中表現(xiàn)出比較穩(wěn)定的分流和吸風比率，且無論在開式系統(tǒng)還是閉式系統(tǒng)狀態(tài)下，進入迂回風道和吹入站臺的風量是成特定比例關(guān)系的．

標準k-ε方程；活塞風閥；迂回風道；全尺寸模型；分流比率

隨著城市地鐵的快速發(fā)展，人們越來越關(guān)注地鐵車站的環(huán)境，包括空氣溫度、濕度、速度、壓力及噪聲等．為人們提供舒適和健康環(huán)境的地鐵車站的環(huán)控系統(tǒng)很大程度上受到由列車引起的活塞效應(yīng)的影響[1]．

許多學(xué)者對地鐵活塞效應(yīng)引起的非穩(wěn)態(tài)流動有所研究，Wang等[2]用理論方法研究了活塞效應(yīng)．Bao等[3]通過FLUENT數(shù)值計算驗證了活塞效應(yīng)的形成過程．Kim等[4-5]通過數(shù)值模擬分析了豎井位置對通風能力的影響．Lin等[6]通過SES分析了活塞豎井的長度對隧道通風的影響．Juraeva等[7]通過CFX分析隧道熱風幕安裝的相對最佳位置．Huang等[8-9]通過FLUENT分析隧道中的氣流，并分析了豎井數(shù)量和位置對隧道通風的影響；此后他對首爾的實際車站進行了模擬分析，并將結(jié)果與1∶20的模型實驗數(shù)據(jù)進行對比．但是縮小模型和實物很難保證雷諾數(shù)和格拉曉夫數(shù)的一致[10]，所以對于地鐵數(shù)值模擬研究最可靠的就是用現(xiàn)場的實驗數(shù)據(jù)進行驗證．

在我國北方的大部分城市，地鐵站臺經(jīng)常使用全高安全門系統(tǒng)，這會留出0.5,m高的空間使隧道和站臺之間進行氣流交換[11]．如果合理利用這部分氣流交換，不僅可以提高站臺內(nèi)的空氣質(zhì)量和舒適度，還可以達到一定的節(jié)能效果．Jia等[12]用數(shù)值方法研究了氣流在隧道和車站內(nèi)的特性．Ke等[13]結(jié)合SES和PHOENICS優(yōu)化設(shè)計了地鐵環(huán)控系統(tǒng)．當帶有活塞豎井和安全門的車站物理模型得到驗證后，使用數(shù)值方法研究車站的非穩(wěn)態(tài)氣流特性得到的結(jié)果可以代替實驗作為研究分析的依據(jù)．

筆者主要研究地鐵活塞效應(yīng)帶來的非穩(wěn)態(tài)氣流對車站環(huán)境的影響．本文根據(jù)沈陽地鐵1號線太原街站的圖紙建立全尺寸的物理模型，列車的進站、?？俊⒊稣镜倪\動過程利用數(shù)值模擬的方法進行模擬；模擬結(jié)果用現(xiàn)場實驗測試的數(shù)據(jù)進行驗證；進而分析活塞風在隧道與迂回風道和活塞豎井聯(lián)接處的氣流分流比率及吸風比率．

1 實驗方法

沈陽地鐵冬季采用閉式系統(tǒng)(活塞風閥關(guān)閉)，夏季采用開式系統(tǒng)．由于地鐵的活塞效應(yīng)會影響到整個車站，尤其是車站出入口和活塞豎井．本實驗在太原街站布置了幾個測點，目的是測量列車運行對車站出入口和活塞豎井的氣流影響．

實驗選擇的太原街站位于地鐵線路中段，屬于典型車站．站臺層長114,m，寬9.8,m，高5,m；站廳層長94,m，寬17.3,m，高5,m．區(qū)間隧道寬度為5.4,m，站臺兩側(cè)隧道寬3.75,m．沈陽地鐵列車由6節(jié)車廂組成，共長118,m．車頭的迎風面積為8.82,m2(寬2.8,m，高3.15,m)．太原街站在車站兩頭各有一個活塞豎井，豎井高5,m，寬5.2,m，豎井頂部的百葉窗通風面積為20,m2．站臺屏蔽門的高度為2.5,m，車站出口的尺寸與工程圖紙相同，具體物理模型如圖1所示．

圖1 太原街站的物理模型Fig.1 Geometrical model of TYJ station

實驗測量時，活塞風閥全部打開．風速的測量利用高精度多功能TSI Q-Trak．熱球傳感器的誤差范圍為±0.02,m/s，計數(shù)周期為1,s．活塞風閥至通風百葉的距離為82,m．活塞豎井2的布局如圖1右側(cè)，在距活塞風閥30,m處標出了測點3．出口A和B與站廳的距離都為65,m，測點1和2也都設(shè)置在距離出口30,m處．每個測試點平行放置3臺儀器，測點高度均為1.5,m，并設(shè)置在直管段，降低氣流漩渦等因素帶來的干擾．實驗時間為14：00—17：00點，車站人流避著測量儀器行走且密度較小，故忽略客流對測點1和測點2的影響．實驗裝置如圖2所示．

實驗時，測試人員分為4組：2組分別測出口A和出口B的風速；1組測活塞豎井的風速；1組記錄列車進站和出站的時間．實驗中所有的設(shè)備均在測試前進行時間校準．其中，定義列車進站時間為列車停站的時間點；出站時間為列車啟動離站的時間點．

圖2 出口實驗裝置Fig.2 Measurement setup for exit

2 數(shù)值方法

2.1 假 設(shè)

活塞效應(yīng)是引起非穩(wěn)態(tài)湍流的主要因素，為對氣流進行定量分析，做以下假設(shè)：

(1) 在模擬中，只考慮1輛列車的行駛，不考慮隧道對面來車的共同作用；

(2) 活塞效應(yīng)是唯一影響車站氣流的因素，不考慮機械通風和人流的影響．

2.2 數(shù)學(xué)模型的設(shè)置

采用FLUENT6.3.26軟件計算列車運行時的速度場和壓力場，并采用連續(xù)性方程、雷諾時均-納維葉斯托克斯和標準k-ε湍流方程進行求解．其相應(yīng)的運輸方程為

式中：Φ是通項，可以代表分速度矢量u、湍動能系數(shù)k、湍動能耗散率ε；ρ為氣體密度，kg/m3；Γ為廣義擴散系數(shù)；SΦ為Φ的源項．

筆者利用動網(wǎng)格技術(shù)來模擬列車的進站和出站過程．在FLUENT6.3.26中，有3種模型可以定義動邊界：彈性光滑模型、動態(tài)分層模型和局部重畫模型．考慮到列車的運動特性和大量的網(wǎng)格，經(jīng)過試算，本研究同時利用后兩種模型進行模擬．這樣，列車運行的每一步動態(tài)結(jié)果將由FLUENT在每個時間步長內(nèi)通過調(diào)整網(wǎng)格來計算．

網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，隧道網(wǎng)格間隔設(shè)置為0.3,m，列車邊界設(shè)置為0.2,m，車站設(shè)置為0.4,m，活塞豎井設(shè)置為0.5,m，網(wǎng)格總數(shù)為453.2× 104，時間步長為0.005,s，總模擬列車運行時間為110,s．列車的初速度為20.68,m/s，持續(xù)1,s．此后列車減速運動，減速度為0.94,m/s2，持續(xù)22,s直至列車停站．期間列車運行距離為248,m．列車停站63,s后，加速駛離車站．加速度為0.83,m/s2并在運行24,s后達到19.92,m/s，運行距離239,m．這些邊界條件被編譯成用戶自定義函數(shù)，讀入到計算軟件中．列車后方的隧道口被設(shè)為壓力入口，其他所有的出口被視為壓力出口．選用SAMPLE算法對速度-壓力進行耦合求解，選用標準方法對壓力進行矯正．密度、動量、湍動能的離散使用一階方程．對于非穩(wěn)態(tài)流動的分析，時間離散采用一階隱式．

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)學(xué)模型驗證

為驗證數(shù)學(xué)模型的正確性，將3個測點的模擬數(shù)據(jù)同實驗數(shù)據(jù)進行對比，如圖3所示．其中，正值表示出風，負值表示進風；實驗值是3次無對面來車實驗的平均值．停車期間的實驗及模擬數(shù)據(jù)集中表現(xiàn)在圖中深色區(qū)域．

圖3 測點的模擬值與實驗值對比Fig.3Comparison between numerical and experimental results

如圖3所示，數(shù)值計算方法能比較準確地預(yù)測風速隨時間的變化趨勢．在圖3(a)和(b)中，出口流速隨著列車的減速而下降．由于流體緩沖作用和列車啟動時較小的吸風效果，出口風向在啟動后20,s才改變．就平均速度而言，測點1模擬數(shù)據(jù)比實測數(shù)據(jù)小13.5%，測點2模擬數(shù)據(jù)比實測數(shù)據(jù)大12.5%．在活塞豎井中的測點3，模擬數(shù)據(jù)較好地吻合了實驗數(shù)據(jù)．風向變化發(fā)生在列車經(jīng)過活塞風閥的過程中，具體時間點為102.5,s．

通過以上對比，數(shù)學(xué)模型得到了很好的驗證，說明標準k-ε方程適用于高雷諾數(shù)的地鐵氣流非穩(wěn)態(tài)動網(wǎng)格模擬．

3.2 活塞風的分流比率和吸風比率

3.2.1 開式系統(tǒng)中的分流比率和吸風比率

當?shù)罔F運行時，活塞效應(yīng)產(chǎn)生的壓力波會將活塞風沿著隧道吹向站臺，對站臺空氣造成很大的影響，如圖4所示．

圖4 活塞風對站臺氣流的影響Fig.4 Influence of piston effect on platform

圖4 顯示，在列車進站時(t=9,s)，由安全門上方進入站臺的風速最高可以達到5.4,m/s，這將會造成人們的不舒適．所以在開式系統(tǒng)中，車站兩頭的活塞豎井和迂回風道承擔了分流的作用．在開式系統(tǒng)中，活塞風在隧道聯(lián)接處分流，流向豎井、迂回風道和站臺方向．圖5(a)為活塞風在聯(lián)接1處的分流情況(t=5.4,s)．通往站臺方向的風會分流到站臺或留在站臺隧道．與此相反，當列車離站的時候，列車尾部的負壓會從豎井、迂回風道和車后隧道吸風．圖5(b)為活塞風在聯(lián)接2處的吸風情況(t=105,s)．圖中列車沿x軸正方向運動．

圖5 聯(lián)接處的物理模型Fig.5 Geometrical model of links in tunnel

將圖5中標示出的各截面氣體質(zhì)量流量進行對比分析可得活塞風非穩(wěn)態(tài)流動時在聯(lián)接處的分流比率和吸風比率．各面流量結(jié)果如圖6所示，其中流量以x軸和y軸的正方向為正．

如圖6所示，整個地鐵運行過程被分為7個時間段．需要說明的是，在停站時段4(23～86,s)中氣流趨于穩(wěn)態(tài)，用于分析分流比率的數(shù)據(jù)顯示在圖中前23,s，分析吸風比率的數(shù)據(jù)顯示于后24,s．而由于氣流的緩沖作用，流向站臺的氣流流量不能用出口的流量簡單疊加，而是由流經(jīng)Tu1和Tu2的流量進行計算，即

式中：,pmq為流向站臺的氣流質(zhì)量流量，kg/s；,t1mq為聯(lián)接1處流經(jīng)Tu1面的質(zhì)量流量，kg/s；,t2mq為聯(lián)接2處流經(jīng)Tu2面的質(zhì)量流量，kg/s．

在時段1(0,s＜t＜6,s)中，列車向聯(lián)接1處行駛，每個面的流量相關(guān)性很高．經(jīng)過計算，在聯(lián)接1處的活塞風量與分流比率見表1．圖6中的點Ⅰ是列車頭經(jīng)過聯(lián)接1的時間點，流向發(fā)生變化是因為車和隧道之間的間隙被反方向的氣流占據(jù)．在時段2(6,s＜t＜17,s)中，列車通過聯(lián)接1，由于列車減速和流體的黏性，活塞效應(yīng)減小，車身表面的風速與列車同向，截面的氣流方向也逐漸變?yōu)檎颍cⅡ是列車尾部駛離聯(lián)接1的時間點，列車尾部的負壓區(qū)作用立刻體現(xiàn)出來．在時段3(17,s＜t＜23,s)中，列車駛過聯(lián)接1并進站停車，隨著列車減速，吸風作用隨之下降．

圖6 開式系統(tǒng)各截面的空氣質(zhì)量流量Fig.6 Mass flow rate of the each channel in open system

表1 時段1中聯(lián)接1處的風量與分流比率Tab.1 Mass flow rate and diversion ratio of each channel in period 1

與此相似，在時段5(86,s＜t＜94,s)中，列車啟動并駛向聯(lián)接2，隨著列車加速，吸風作用隨之增加．點Ⅲ是列車頭經(jīng)過聯(lián)接2的時間點，與點Ⅰ相同，流向發(fā)生了改變．在時段6(94,s＜t＜105,s)中，列車通過聯(lián)接2，隨著列車速度的增加，活塞效應(yīng)變大，流量也越來越大．點Ⅳ是車尾駛離聯(lián)接2的時間點，活塞效應(yīng)的吸風作用充分表現(xiàn)出來，在此之后的時段7(105,s＜t＜110,s)中，列車駛離聯(lián)接2并駛向下一站，隨著車速的提高，吸風作用增加．經(jīng)過計算，聯(lián)接2處在此時間段中的吸風比率見表2．

3.2.2 閉式系統(tǒng)中的分流比率和吸風比率

我國北方地鐵系統(tǒng)在冬季會采取閉式運行，這時活塞風閥全部關(guān)閉，起不到分流和通風的作用．閉式運行時各個截面的氣體流量如圖7所示，列車運行狀態(tài)和開式系統(tǒng)相同．

由圖7得知，在閉式運行時，迂回風道和進入站臺的風量同時增加，趨勢一致．在時段1中，活塞風量與分流比率見表1．在時段7中，活塞風量與吸風比率見表2.

由表2可以看出，閉式運行時各截面風量和吸風比率均有增加，但是分流通道之間的流量比例卻相對穩(wěn)定．其中分流時，迂回風道的風量始終是去站臺方向風量的1.5～1.6倍，進入站臺的風量是留在站臺隧道風量的1.3～1.4倍；吸風時，從車后隧道吸入的風量是從迂回風道吸入風量的5.3～5.4倍，其中從站臺隧道吸入的風量是從站臺吸入風量的2.0～2.1倍．

圖7 閉式運行和開式運行時各截面流量對比Fig.7 Comparison of mass flow rate of each channel in open and close systems

表2 時段7中聯(lián)接2處的風量與吸風比率Tab.2 Mass flow rate and suction ratio of each channel in period 7

4 結(jié) 論

(1) 標準k-ε模型適用于由地鐵活塞效應(yīng)引起的高雷諾數(shù)非穩(wěn)態(tài)氣流動網(wǎng)格模擬．

(2) 在開式系統(tǒng)中，活塞風在站臺前后2個聯(lián)接處(迂回風道和活塞豎井)表現(xiàn)出比較穩(wěn)定的分流比率和吸風比率．其中站臺與隧道之間的換氣量約為活塞效應(yīng)引起通風量的20%．

(3) 在閉式系統(tǒng)運行時，活塞風閥關(guān)閉，其他通道的流量和比率較開式系統(tǒng)均有所增加．但通道之間的流量比例相對穩(wěn)定．

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(責任編輯：趙艷靜)

Numerical Simulation of Unsteady Airflow in Subway Influenced by Piston Effect Based on Dynamic Mesh

You Shijun，Xue Peng，Zhang Huan
(School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Piston effect has great influence on unsteady airflow in the subway station and tunnel. In this paper，in-situ measurement data and computational fluid dynamics(CFD)method are used to analyze the three-dimensional unsteady air flow in the subway station and tunnel. The experimental analysis of train-induced unsteady flow was conducted in a real station with platform bailout doors(PBD)and air velocity variations with time were recorded. Dynamic mesh method is used for the full-scale model in the unsteady numerical analysis. The results indicate that standard k-ε equation is appropriate for the simulation of the high Reynolds number airflow in tunnel and station as it agrees well with the experimental data. There exist specific diversion and suction ratios in each channel of the airflow for piston wind. And the proportion between bypass duct and platform is stable in either open system or close system. The results of this study can be utilized as basic data for operating tunnel ventilation systems.

standard k-ε equation；draught relief shaft；bypass duct；full-scale model；diversion ratio

TU834

A

0493-2137(2014)02-0168-06

10.11784/tdxbz201207062

2012-07-23；

2012-10-19.

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2011BAJ08B08-2).

由世?。?955— ），男，教授.

由世俊，yousj@tju.edu.cn.