張勇 張季 陳華民

摘 要：近年來(lái)國(guó)內(nèi)各大城市地鐵建設(shè)高速發(fā)展，通風(fēng)系統(tǒng)作為地鐵系統(tǒng)中的重要組成部分，在維持地鐵正常運(yùn)作和出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)應(yīng)急處理上具有舉足輕重的地位。本文以成都地鐵18號(hào)線火車南站—孵化園段的一個(gè)通風(fēng)井為例，借助CFD仿真計(jì)算，對(duì)風(fēng)井的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以提升地鐵系統(tǒng)的安全性，同時(shí)為其他地鐵的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵;通風(fēng)系統(tǒng);風(fēng)井;CFD;優(yōu)化調(diào)整

中圖分類號(hào)：U231.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)不僅擔(dān)負(fù)著區(qū)間隧道的日常通風(fēng)和緊急情況下的隧道排煙，還關(guān)系著列車運(yùn)行時(shí)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及特殊情況下隧道內(nèi)人員及設(shè)備的安全。怎樣優(yōu)化設(shè)計(jì)地鐵道通風(fēng)系統(tǒng)，使其不僅在功能上滿足穩(wěn)定、可靠的要求，又能減少能耗、降低運(yùn)維成本，這一直是地鐵設(shè)計(jì)師們比較關(guān)心的問(wèn)題。

1 通風(fēng)系統(tǒng)概述

地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的功能就是在正常運(yùn)行期間為地鐵乘客提供舒適的環(huán)境，以及在緊急情況下迅速幫助乘客離開危險(xiǎn)區(qū)域并盡可能減少損失[1]。

通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)結(jié)構(gòu)—通風(fēng)井車站本身等的布局不當(dāng)會(huì)引發(fā)一系列問(wèn)題。由于通風(fēng)井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而產(chǎn)生不利的流動(dòng)條件會(huì)導(dǎo)致應(yīng)急風(fēng)機(jī)的抽氣量不足[2]，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)風(fēng)機(jī)的故障;另一方面，為了使應(yīng)急風(fēng)機(jī)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的抽氣量，不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變相增加了風(fēng)機(jī)功率需求，這樣一來(lái)，風(fēng)機(jī)功率的增加和風(fēng)機(jī)壽命的縮短就增加了地鐵通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)維的成本。

因此，需要對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化來(lái)增加風(fēng)機(jī)的使用壽命[3]，避免葉片損壞[4]。通常這種優(yōu)化需要調(diào)整空間，但是通過(guò)局部的調(diào)整取得理想效果。

2 通風(fēng)方案研究

2.1 研究方法

本文以成都地鐵18號(hào)線火車南站—孵化園段的其中一個(gè)通風(fēng)井——火孵風(fēng)井為例，通過(guò)三維數(shù)值模擬分析該風(fēng)井的氣流流動(dòng)狀況，確定風(fēng)井內(nèi)的流場(chǎng)，并優(yōu)化風(fēng)井的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。

2.2 火孵風(fēng)井實(shí)際設(shè)計(jì)

根據(jù)火孵風(fēng)井的實(shí)際空氣動(dòng)力學(xué)布置圖，使用三維軟件建立該風(fēng)井的三維模型如圖1所示。再根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行計(jì)劃設(shè)置流動(dòng)的邊界條件[5]，對(duì)火孵風(fēng)井在成都地鐵18號(hào)線的下線，進(jìn)氣模式進(jìn)行三維CFD分析，風(fēng)井內(nèi)氣體流動(dòng)的速度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖2所示。

模擬結(jié)果表明，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，風(fēng)機(jī)入口處氣流不均勻，存在明顯的流動(dòng)分離區(qū)[6]，不穩(wěn)定的流場(chǎng)會(huì)使風(fēng)機(jī)效率的降低并引起風(fēng)機(jī)本體的振動(dòng)，進(jìn)一步導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的可靠性降低和壽命縮短，因此對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化非常重要。

2.3 火孵風(fēng)井優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于空間限制，優(yōu)化只能在風(fēng)井布局不變的基礎(chǔ)上增加一些導(dǎo)流元件，從而優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的流場(chǎng)，以達(dá)到提升系統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)效率的目的。通過(guò)分析風(fēng)井實(shí)際設(shè)計(jì)的CFD仿真結(jié)果，在通風(fēng)室和風(fēng)井流場(chǎng)最不均勻的關(guān)鍵位置增加導(dǎo)流元件，最終對(duì)火孵風(fēng)井的改進(jìn)方案如圖3所示（以藍(lán)色突出顯示）。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的火孵風(fēng)井布置圖建立新的三維模型，再根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行計(jì)劃設(shè)置流動(dòng)的邊界條件，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的火孵風(fēng)井在成都地鐵18號(hào)線的下線，進(jìn)氣種模式進(jìn)行三維CFD分析，風(fēng)井內(nèi)氣體流動(dòng)的速度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖4所示。

CFD流場(chǎng)模擬結(jié)果顯示：改進(jìn)后的通風(fēng)井設(shè)計(jì)改善了風(fēng)機(jī)的入口流動(dòng)狀況，降低了渦度并減小了作用在風(fēng)機(jī)上的壓力梯度。這些改進(jìn)不僅可以改善風(fēng)機(jī)的振動(dòng)和噪音問(wèn)題，還可以提升通風(fēng)井整體的效率和可靠性。更重要的是，通過(guò)使用CFD模擬分析，可以在不改變空間結(jié)構(gòu)情況下改進(jìn)和優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)效益也十分可觀。

2.4 模擬結(jié)果對(duì)比

原始和調(diào)整后的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的流動(dòng)條件如圖5、6所示。對(duì)比優(yōu)化前后風(fēng)井的流場(chǎng)圖，可以看出：此優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在無(wú)需調(diào)整站臺(tái)布局的前提下，明顯降低了渦度，改善了風(fēng)井內(nèi)流場(chǎng)。更少的渦流產(chǎn)生會(huì)減少風(fēng)機(jī)的振動(dòng)，降低壓降，從而提高風(fēng)機(jī)的可靠性及壽命。此外，由于更低的壓降和更為均勻的流場(chǎng)，風(fēng)機(jī)抽取的空氣體積流量有明顯的增加，通風(fēng)系統(tǒng)的效率也得到了提升，保證了在緊急情況下每一個(gè)通風(fēng)設(shè)備的排風(fēng)和送風(fēng)流量，增加了所有乘客的安全性。除此之外，由于整體效率提升，風(fēng)機(jī)的功耗降低[7]，效降低了地鐵系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)成都地鐵18號(hào)線火車南站—孵化園段的一個(gè)通風(fēng)井（火孵風(fēng)井）進(jìn)行三維CFD仿真計(jì)算，在空間布局不變的基礎(chǔ)上，以增加導(dǎo)流元件的方式對(duì)風(fēng)井進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明，通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果：（1）所需的風(fēng)機(jī)功率降低;（2）風(fēng)機(jī)壽命延長(zhǎng);（3）系統(tǒng)安全性提高;（4）運(yùn)維成本降低。

參考文獻(xiàn)：

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