張 悅 張 強(qiáng) 畢海權(quán) 王君宜

地鐵活塞風(fēng)道風(fēng)速及變化規(guī)律試驗(yàn)研究

張 悅1張 強(qiáng)1畢海權(quán)2王君宜2

（1.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司 廣州 510010；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

列車在隧道內(nèi)運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)隨列車運(yùn)行呈現(xiàn)有規(guī)律的周期性變化，由于目前列車運(yùn)行速度高且行車密度高，活塞風(fēng)對隧道內(nèi)設(shè)備及活塞風(fēng)道內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生長期的作用，可帶來不可忽視的安全問題。以廣州地鐵某站及某中間風(fēng)井為研究對象，對地鐵風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行了現(xiàn)場測試，得到了地鐵站及區(qū)間風(fēng)井風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速變化規(guī)律。結(jié)果表明：該站出站端活塞風(fēng)道內(nèi)的正、負(fù)風(fēng)速最大幅值均低于進(jìn)站端；相比于車站進(jìn)出站端活塞風(fēng)井，中間風(fēng)井內(nèi)風(fēng)道的風(fēng)速更高，最大正風(fēng)速為5.7m/s，最大負(fù)風(fēng)速為7m/s；區(qū)間左右線中間風(fēng)井活塞風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速變化周期和變化規(guī)律一致，但風(fēng)速幅值差別較大。

現(xiàn)場試驗(yàn)；地鐵；活塞風(fēng)井；風(fēng)速

0 引言

隨著國家的快速發(fā)展，我國的地鐵建設(shè)也取得了巨大成就。截至2018年底，我國共有35座城市開通城市軌道交通運(yùn)營線路185條，運(yùn)營總里程為5761.4km。地鐵運(yùn)營線路4354.3km占比75.6%[1]。隨著運(yùn)營里程的增加，地鐵列車的運(yùn)行速度也不斷地提高。

目前，國內(nèi)已開通和在建多條120km/h城市軌道交通快線，如廣州地鐵3號線、上海16號線、深圳地鐵11號線、東莞2號線、北京19號線、廣州21號線等，而在建和規(guī)劃有140km/h城市軌道交通快線，如成都18號線、成都11號線、臺州市S1線等。在開工建設(shè)的北京新機(jī)場線設(shè)計最高設(shè)計運(yùn)行速度將則達(dá)到160km/h[2]。

列車在隧道內(nèi)運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)隨列車運(yùn)行呈現(xiàn)有規(guī)律的周期性變化，由于目前列車運(yùn)行速度高且行車密度高，活塞風(fēng)對隧道內(nèi)設(shè)備及活塞風(fēng)道內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生長期的作用，可帶來不可忽視的安全問題。目前的研究多圍繞活塞風(fēng)對地鐵系統(tǒng)通風(fēng)和能耗的影響[3-5]，較少文獻(xiàn)關(guān)注活塞風(fēng)引起的風(fēng)道安全問題。由于隧道活塞風(fēng)形成機(jī)理與過程十分復(fù)雜，而參與其形成過程的因素很多，從而影響活塞風(fēng)大小的因素也非常多。隧道活塞風(fēng)風(fēng)速的大小主要受列車車速、列車車長、隧道截面、隧道長度和阻塞比的影響。隧道活塞風(fēng)風(fēng)速大小與列車車長，列車速度和阻塞比成正比；與隧道截面與隧道長度成反比[6]。

針對地鐵隧道內(nèi)活塞風(fēng)的研究，主要包括理論計算、數(shù)值計算和現(xiàn)場測試。理論分析主要基于伯努利方程和流體的連續(xù)性方程推導(dǎo)得到簡單隧道結(jié)構(gòu)形式下活塞風(fēng)速的理論計算公式[7]。另外，一些學(xué)者基于SES和CFD商業(yè)軟件通過數(shù)值分析得到活塞風(fēng)的變化規(guī)律和形成機(jī)理[8-10]。

本文以廣州地鐵某站及某中間風(fēng)井（均取自最高時速100km/h的線路）為研究對象，對車站以及區(qū)間風(fēng)井風(fēng)道內(nèi)的活塞風(fēng)速進(jìn)行了現(xiàn)場測試，研究了列車運(yùn)行對活塞風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速變化的影響，為地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全設(shè)計及優(yōu)化提供試驗(yàn)參考依據(jù)。

1 活塞風(fēng)的形成原理及隧道內(nèi)風(fēng)井結(jié)構(gòu)

1.1 活塞風(fēng)的成因

圖1 活塞風(fēng)的形成過程

列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時，由于列車所排擠的空氣空間上受到隧道壁的限制，不能全部繞流到列車后方，有部分空氣會被列車向前推動，順著列車運(yùn)行的方向向前流動，被排除到隧道出口外，而列車尾部后方的區(qū)域?yàn)樨?fù)壓區(qū)，因此必然也會有部分進(jìn)洞口處的空氣被引入隧道中，這一現(xiàn)象稱為列車的活塞效應(yīng)，活塞效應(yīng)所形成的氣流即為活塞風(fēng)[11]?；钊L(fēng)的形成過程如圖1所示。

1.2 活塞風(fēng)井的構(gòu)造

隧道通風(fēng)系統(tǒng)是地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，它分為區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)和車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)兩部分。它主要起到排除隧道內(nèi)余熱、余濕，滿足隧道內(nèi)通風(fēng)換氣及溫度控制、阻塞情況下向阻塞區(qū)間送新風(fēng)、火災(zāi)情況下排出隧道煙氣的作用。隧道通風(fēng)系統(tǒng)有單活塞風(fēng)道和雙活塞風(fēng)道兩種模式。單活塞風(fēng)道通常只在車站出口端設(shè)置一個活塞風(fēng)道，如圖2所示；雙活塞風(fēng)道則是在車站的進(jìn)口端和出口端分別設(shè)置活塞風(fēng)道，如圖3所示。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》[12]，當(dāng)列車在區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時，應(yīng)背著乘客主要疏散方向組織排煙，乘客迎著新風(fēng)方向疏散。為便于有效組織排煙，需保證在區(qū)間隧道端頭的活塞風(fēng)井之間不出現(xiàn)2列車同時追蹤運(yùn)行的情況；若出現(xiàn)該情況，則需在兩站區(qū)間內(nèi)設(shè)置中間風(fēng)井。選取的區(qū)間中間風(fēng)井，如圖4所示，該區(qū)間前后車站均為雙活塞通風(fēng)系統(tǒng)。

圖2 單活塞風(fēng)井

圖3 雙活塞風(fēng)井示意圖

圖4 區(qū)間中間風(fēng)井示意圖

風(fēng)井系統(tǒng)一般由風(fēng)閥、風(fēng)道和通向室外氣體的風(fēng)亭構(gòu)成。風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)閥是活塞風(fēng)離開隧道和室外風(fēng)進(jìn)入隧道的關(guān)鍵部件。為了控制活塞風(fēng)道的啟閉，在軌行區(qū)和風(fēng)道之間會設(shè)置一道風(fēng)閥。此外，有的風(fēng)井系統(tǒng)為了便于控制空氣的流動方向，將其引入其它風(fēng)道，會在風(fēng)井內(nèi)設(shè)置第二道閥門，如圖5所示。

圖5 風(fēng)井內(nèi)風(fēng)閥的布置圖

2 活塞風(fēng)道風(fēng)速的現(xiàn)場測試

2.1 測試方案

風(fēng)道風(fēng)速測試方案如圖6所示，在相應(yīng)的測點(diǎn)上安裝超聲波風(fēng)速儀，通過信號調(diào)理及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)分析處理軟件，得到相應(yīng)的風(fēng)速變化曲線。

圖6 測試方案

2.2 測試儀器

本次現(xiàn)場測試選用型號為MODEL 8100 UCTRASONIC ANEMOMETER的超聲波風(fēng)速儀，該風(fēng)速儀可同時測量三個方向的風(fēng)速，如圖7所示。風(fēng)速儀測試范圍為0～40m/s。風(fēng)速小于30m/s時精度為±0.05m/s。

圖7 超聲波風(fēng)速儀

2.3 測點(diǎn)布置

本次測試一共選擇了五個測點(diǎn)，分別為車站進(jìn)站端活塞風(fēng)道第一道閥門后（測點(diǎn)1），前一站站出站端活塞風(fēng)道第一道閥門后（測點(diǎn)2），右線中間風(fēng)井第一道閥門后（測點(diǎn)3），左線中間風(fēng)井第一道閥門后（測點(diǎn)4），左線中間風(fēng)井第二道閥門后（測點(diǎn)5），具體測點(diǎn)的布置圖如圖8和9所示，其中車站出站端活塞風(fēng)道第一道閥門后測點(diǎn)2與測點(diǎn)1相對應(yīng)，區(qū)間右線中間風(fēng)井第一道閥門后測點(diǎn)3與測點(diǎn)4相對應(yīng)。

圖8 某站進(jìn)站端活塞風(fēng)道第一道閥門后（測點(diǎn)1）示意圖

圖9 左線中間風(fēng)井測點(diǎn)4、5示意圖

由于氣流通過活塞風(fēng)閥時并不是均勻分布的，為了減小流動不均勻性帶來的測試誤差，本次測試中在活塞風(fēng)閥上部選取5個測點(diǎn)，使用超聲波風(fēng)速儀連續(xù)測試半個小時，然后通過取平均值來得到活塞風(fēng)速。測點(diǎn)布置如圖10所示。

圖10 活塞風(fēng)閥上方風(fēng)速測點(diǎn)布置

3 測試結(jié)果分析

3.1 某站進(jìn)出站端風(fēng)井活塞風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速

車站進(jìn)站端和出站端活塞風(fēng)道內(nèi)的活塞風(fēng)速測試結(jié)果分別如圖11，其中，正的風(fēng)速表示空氣由軌行區(qū)流入活塞風(fēng)道，負(fù)的風(fēng)速表示空氣由活塞風(fēng)道流入軌行區(qū)。從圖中可知進(jìn)站端活塞風(fēng)道內(nèi)最大正的活塞風(fēng)速為3.5m/s，最大負(fù)的活塞風(fēng)速為3.1m/s，出站端活塞風(fēng)道內(nèi)最大正的活塞風(fēng)速為2m/s，最大負(fù)的活塞風(fēng)速為2.3m/s。

測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的風(fēng)速變化周期和變化趨勢相一致，但是測點(diǎn)2的風(fēng)速更小。列車經(jīng)過進(jìn)站端風(fēng)井后，逐漸減速進(jìn)站，列車前端空氣不再受力，再加上傳播過程中的損耗，因此風(fēng)速有所下降。

3.2 中間風(fēng)井活塞風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速

區(qū)間左右兩線活塞風(fēng)道內(nèi)的活塞風(fēng)速測試結(jié)果分別如圖12和圖13所示。其中，正的風(fēng)速表示空氣由軌行區(qū)流入活塞風(fēng)道，負(fù)的風(fēng)速表示空氣由活塞風(fēng)道流入軌行區(qū)。從圖中可知右線活塞風(fēng)道內(nèi)第一道風(fēng)閥后最大正的活塞風(fēng)速為5.7m/s，最大負(fù)的活塞風(fēng)速為4.6m/s；左線長通道內(nèi)最大正的活塞風(fēng)速為4m/s，最大負(fù)的活塞風(fēng)速為7m/s，左線活塞風(fēng)道內(nèi)第二道風(fēng)閥后最大正的風(fēng)速為5.4m/s，最大負(fù)的風(fēng)速為6.6m/s。

圖12 區(qū)間右線中間風(fēng)井第一道風(fēng)閥后（測點(diǎn)3）活塞風(fēng)速

圖13 區(qū)間左線中間風(fēng)井活塞風(fēng)速

測點(diǎn)4與測點(diǎn)3相對比，風(fēng)速變化周期和變化規(guī)律一致但風(fēng)速幅值有較大差異，說明左右線隧道結(jié)構(gòu)的不同會對活塞風(fēng)速會產(chǎn)生一定影響。測點(diǎn)5的最大正風(fēng)速大于測點(diǎn)4，而最大負(fù)風(fēng)速要小些。通過對比車站活塞風(fēng)井和區(qū)間中間風(fēng)機(jī)內(nèi)風(fēng)道的風(fēng)速，中間風(fēng)井內(nèi)風(fēng)道的風(fēng)速更高，這是由于列車通過中間風(fēng)井處的速度更高而造成的。

4 結(jié)論

通過對地鐵車站及中間風(fēng)井的活塞風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速的現(xiàn)場測試，可得如下結(jié)論：

（1）車站出站端活塞風(fēng)道內(nèi)的正、負(fù)風(fēng)速最大幅值均低于進(jìn)站端，進(jìn)站端風(fēng)井活塞風(fēng)道內(nèi)最大正風(fēng)速為3.5m/s，最大負(fù)風(fēng)速為3.1m/s。

（2）相比于車站進(jìn)出站端活塞風(fēng)井，中間風(fēng)井內(nèi)風(fēng)道的風(fēng)速更高，最大正風(fēng)速為5.7m/s，最大負(fù)風(fēng)速為7m/s。

（3）由于風(fēng)速與風(fēng)道風(fēng)壓是同時測量的，從測試結(jié)果的時間對比來看，風(fēng)速變化與壓力變化是同步的。

（4）區(qū)間左右線中間風(fēng)井活塞風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速變化周期和變化規(guī)律一致，但風(fēng)速幅值差別較大，這是由于隧道結(jié)構(gòu)造成的。

[1] 中國城市軌道交通協(xié)會.城市軌道交通2018年度統(tǒng)計和分析報告[OL]. http://www.camet.org.cn, 2019.

[2] 段忠輝.高速地鐵隧道空氣動力學(xué)特性及控制技術(shù)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2019.

[3] 劉垚,史柯峰,張?jiān)?等.列車運(yùn)營組織對活塞風(fēng)井換氣量的影響分析[J].暖通空調(diào),2019,49(9):7-13.

[4] 齊江浩,趙蕾,王君,等.地鐵隧道活塞風(fēng)實(shí)測及特征分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2016,13(4):740-747.

[5] 楊鑫澤.廣州地區(qū)地鐵車站隧道活塞風(fēng)的應(yīng)用研究[D].廣州:廣州大學(xué),2019.

[6] 田衛(wèi)明,翁其能,張建偉,等.地鐵隧道活塞風(fēng)成風(fēng)影響因子分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,31(1): 41-43.

[7] 羅忠,韓貴鑫,趙凱,等.隧道活塞風(fēng)速計算方法及其影響因素分析[J].東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2019,40(5): 694-699.

[8] 崔景東,李炎,劉炎舉,等.隧道內(nèi)列車活塞風(fēng)效應(yīng)數(shù)值模擬分析[J].制冷與空調(diào),2019,33(2):188-192.

[9] 王麗慧,施逵,宋潔,等.地鐵活塞風(fēng)井及迂回風(fēng)道速度場特性研究[J].流體機(jī)械,2010,38(3):22-27.

[10] 任明亮,陳超,郭強(qiáng),等.地鐵活塞風(fēng)的分析計算與有效利用[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2008,42(8):1376-1380.

[11] 王方宇.地鐵區(qū)間隧道風(fēng)速分布特性及監(jiān)測方法研究.成都:西南交通大學(xué),2017.

[12] GB 50157—2013,地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

Field Measurement and Analysis of the Wind Speed of the Air Passage at the Airshaft for Subway

Zhang Yue1Zhang Qiang1Bi Haiquan2Yang Xiao2

( 1.Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd, Guangzhou, 510010;2.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

The piston wind generated by the train running in the tunnel present a regular periodic change with the train operation. Due to the higher speed of trains and higher operating frequency, the piston wind has a long-term effect on the equipment in the tunnel and the air passage. It brings safety issues that cannot be ignored. For A Station and the middle airshaft during two stations along Guangzhou Metro, the velocity at the airshafts is tested and the change characteristics are obtained. The results show that the maximum amplitudes of the wind speed of the airshaft at the exit are lower than those at the entrance for the Station; compared with the airshaft set at the station, the wind speed in the middle airshaft is higher, with a maximum positive value of 5.7 m/s and a maximum negative value of 7 m/s. The change trend of the wind speed of the middle airshaft at the right and left track line is the similar, but the amplitudes are the different.

Field measurement; Subway; airshaft; wind speed

U451

A

1671-6612（2020）04-463-05

張 悅（1979.10-），女，本科，高級工程師，E-mail：31649391@qq.com

2020-03-27