072无屏蔽门活塞风控制方案优化分析.doc

无屏蔽门地铁车站活塞风控制方案优化分析李翠1 张培红2童劲松3 盖群31.同济大学机械工程学院，上海 200029 2. 沈阳建筑大学市政与环境学院，辽宁 沈阳 110168 3.浙江梅霖设备安装有限公司，浙江 杭州 311200摘 要：地铁活塞风对站台热环境造成很大的影响，无屏蔽门地铁车站可利用冷却阻尼风可以阻挡活塞风进入站台，缓和活塞风对前方站台的热侵入。利用横流射流理论知识，分析冷却阻尼风对活塞风控制原理。为了合理利用冷却组尼风有效控制活塞风，采用计算流体动力学数值模拟的方法，模拟计算垂直90和倾斜45两种冷却阻尼风送风角度及在冷却阻尼风喷口下加0.5m长管段对活塞风的控制。分析不同模拟方案下站台上速度分布和温度分布，以判断活塞风控制效果。通过了大量的模拟得出了可有效控制活塞风的冷却组尼风喷口送风形式，在冷却组尼风喷口下加0.5m长斜管45射流可以大大改善对活塞风的变控制。合理利用冷却阻尼风对于节约能源具有重要意义。关键词：地铁 活塞风 冷却阻尼风 射流0 前言地铁列车运行时产生的活塞风对前方车站站台层的热环境造成很大的影响1.活塞风速度大小与隧道、通过车站的阻力、通风井、列车速度以及空气与列车速度之比有关在闭式系统中，常采用在车站两端上下行隧道之间设置迂回风道的结构形式，以减少活塞风对站台热环境影响的目的但由于车站端头的各种设备，使得迂回风道与车站端头间的距离受到限制，因此设置迂回风道对于活塞风的泄压效果不明显2.屏蔽门系统具有安全、节能、环保等特点但屏蔽门系统投资大，安装后还会增加维修费用3，使得屏蔽门系统不能普遍使用如香港地铁公司在它的30个车站的总投资达到20亿港元，这也是国内许多城市在地铁建设中为了节约成本而不得不放弃采用屏蔽门系统的主要原因。在站台层与列车进站端隧道顶板的交汇处设置喷口向下喷射空调冷风以阻挡活塞风进入站台，喷射的空调冷风为冷却阻尼风。冷却阻尼风在区间隧道和站台层之间形成一道屏障，在活塞风进入站台层之前通过垂直向下送入空调冷风2，以降低活塞风的温度，从而有效地控制活塞风对车站公共区空调负荷的影响。冷却阻尼风不仅需要消耗空调系统大量的冷量，而且要通过风机使冷却阻尼风具备一定的动量以阻挡活塞风直接进入站台层。目前冷却阻尼风的应用还存在一些问题需要进一步研究。本文以沈阳地铁为例，研究有效控制活塞风的最佳冷却阻尼风喷口送风方案。通过模拟计算，分析不同喷口形式、不同送风角度对活塞风的控制的影响。文献4中研究了冷却阻尼风喷口高度对活塞风控制的影响。1 理论基础1.1 理论基础横流射流理论的应用，当射流射入主气流中，射流进入主气流后，即与主气流发生动量交换.当射流射入主气流一定深度后，逐渐被主气流压迫而转向，最后被主气流同化。实验表明，射流进入主气流基金项目：建设部研究开发项目（2008-k5-7）后，随着射流轨迹向前发展，轴心速度不断降低，并逐渐转向，最后趋于与主气流同向，并且射流与主气流速度比值越大，则射流轴心速度下降的越快气流温度差别的影响体现在气流密度差别的影响上，射流速度与主气流速度相同的冷射流由于其密度大，单位质量的动量相应也大，故冷射流穿透深度比热射流大伊万诺夫由试验得到下述射流轨迹方程，这是一个经验公式，其中体现了速度比、温度比及射流入射角的影响5(1)式中水平距离(m)；垂直距离(m)；射流喷嘴直径(m)；入射角公式使用范围为：=601201.2 平面势流叠加原理计算模拟中冷却阻尼风和活塞风被简化成两种不可压缩的理想流体6，冷却阻尼风对活塞风混合发生势流叠加，将活塞风流场、冷却阻尼风流场 进行叠加以X-Z平面为例：XZ 图1 冷却阻尼风对活塞风阻挡原理图横流： （2） (3) (4) (5)式中 -对热压的影响系数；-室外空气密度，kg/m3；-活塞风密度，kg/m3；-隧道长度，m;-动静压转换系数射流： (6)式中 -射流出口速度，m/s;b-冷却阻尼风口宽度，m;-紊流系数；-射流轴线与轴夹角 （7）2 物理模型及边界条件2.1计算模型以沈阳某地铁车站为研究对象，该地铁车站隧道通风空调系统包括冷却阻尼风送风、站台轨顶排风以及站台下轨底排风建立三维地铁车站模型，以冷却阻尼风口中点为坐标原点（X为横向，Y为纵向），计算模拟单列车进站工况，计算区域的选取没有考虑对面隧道，计算区域平面图如图2所示有效站台尺寸为110m12m3.5m，隧道断面尺寸为4.4m5.4m，冷却阻尼风口尺寸为1m3.6m，喷口高度5.4m，风口位于距站台25m处隧道的顶端图2 计算区域平面结构图形地铁车站的结构非常复杂，经过一定的简化建立三维地铁车站的几何模型，利用非结构化网格生成技术，由于站台送、排风口尺寸远小于有效站台尺寸，在进行非结构化网格划分时，站台总体网格尺寸为0.50.5，并对送、排风口进行局部细化，网格尺寸为0.20.2，站台进出口楼梯的网格尺寸为0.30.3.计算模拟的风口形式如图3所示。 A 无加管 B加管垂直90射流 C 加管倾斜45射流 图3不同喷口形式的示意图2.2边界条件冷却阻尼风对活塞风的控制原理是基于横流中的紊动射流模拟计算中的速度进口边界条件与速度出口边界条件的设定与横流中紊动射流相似，如文献7所述，地铁隧道冷却阻尼风喷口安装高度5.4m，在冷却阻尼风喷口下加设0.5m长的喷口对活塞风控制效果的影响。冷却阻尼风送风角度分别为垂直90和倾斜45射流计算模拟时冷却阻尼风送风温度均为19，冷却阻尼风的出流速度7.5m/s，动态模拟活塞风，列车进站端隧道断面活塞风速度变化曲线如图4所示8 只开启轨底排风，排风口的速度为2m/s图4 进站端活塞风速度随时间变化曲线3.计算模拟结果分析3.1模拟工况论文以列车进站端的一半站台为主要分析对象，计算模拟单列车进站过程中冷却阻尼风对活塞风的控制，选取乘客候车比较集中及列车进站过程中对站台影响比较大的区域，分析其对站台的热舒适性的影响采用Fluent软件计算模拟不同工况下对活塞风的控制的影响，模拟时间为120s，冷却阻尼风送风温度均为19，活塞风温度为35，冷却阻尼风的出流速度为7.5m/s.在其他边界条件一定时，冷却阻尼风的送风角度分别为垂直90和倾斜45，冷却阻尼风喷口加设了0.5m的长管段，各工况的具体说明如表1所示.表1 计算模拟工况具体说明模拟工况无加管90射流45射流加管0.5m一二三四 3.2冷却阻尼风送风角度对活塞风控制的影响在冷却阻尼风应用中，以垂直向下送入的冷却阻尼风阻挡横向活塞风来流时，两股气流混合后向站台侧有较大的偏斜，为了加强冷去阻尼风的阻挡力，根据势流叠加原理，在送风速度不变情况下，改变冷却阻尼风的送风角度为与横向来流成反向45角，计算模拟工况一和工况二两种情况下对活塞风的控制效果。3.2.1 送风角度对站台速度场的影响计算模拟80s时，两股气流汇合后相互混合达到最大，对站台的舒适性影响最大在两种工况下，垂直90和倾斜45射流时，站台上距列车进站端25m处纵剖面的速度场如图5和6所示。图6工况二距站台25m处纵向剖面速度场图5 工况一距站台端25m处纵向剖面速度场站台上距隧边缘0.8m处的纵剖面上的速度场如图7和图8所示。由图可知改变送风角度为倾斜45射流时，站台速度场小于垂直90射流，站台上的速度场得到了改善。图8 工况二距站台隧道边0.8m横向剖面的速度场图7 工况一距站台隧道边0.8m横向剖面的速度场3.2.2 送风角度对站台温度场的影响工况一和工况二下，距站台高度1.7m处的温度场如图9和图10 所示。由图可知，工况二下距列车进站端处的一半站台上的温度场变比较均匀，相对列车进站的一端高温区域较少。图10工况二站台1.7m高处的温度场图9 工况一站台1.7m高处的温度场通过以上模拟结果的分析可知，改变冷却阻尼风的送风角度可以改善对活塞风的控制。工况二下倾斜45射流时，站台上的温度场和速度场得到了提到，热舒适性较好。3.3 冷却阻尼风喷口下加管对活塞风控制的影响为进一步改善冷却阻尼风对活塞风的控制效果，减少隧道底部冷却阻尼风射流速度的衰减，喷口高度为5.4m时，垂直90射流时，在喷口下加设0.5m长直管段，倾斜45射流时在喷口下加设0.5m长斜管段。其他边界条件不变，计算模拟工况三和工况四下冷却阻尼风对活塞风控制的影响。3.3.1 喷口加管对站台速度场的影响在两种工况下，分析控制后的混合气流对站台速度场的影响，站台上距列车进站端25m处纵剖面的速度场如图11和图12 所示。图12 工况四距站台25m纵向剖面的速度场图11 工况三距站台25m纵向剖面的速度场站台上距隧边缘0.8m处的纵剖面上的速度场如图13和图14所示。由图可知，在冷却阻尼风喷口下加0.5m，站台隧道边缘的高速区域减少，站台上速度得到改善。图13 工况三距站台隧道0.8m横向剖面的速度场图14 工况四站台隧道0.8m横向剖面的速度场图14 加管倾斜45射流站台AC剖面的速度场3.3.2 喷口加管对站台温度场的影响工况三和工况四况下，距站台高度0.5m处的温度场如图15和图16 所示。由图可知，工况四下列车进站端温度较低，相对列车进站端处的一半站台上的高温度区域较少。图15 工况三站台0.5m高处的温度场 图16工况四站台0.5m高处的温度场 通过以上分析可知，在冷却阻尼风喷口下加0.5m长管，工况四对活塞风的控制效果要优于工况三。4 结论控制活塞风所用的冷却阻尼风是来自车站的空调送风，并且要保证具有一定的冷量、动量和风量才能和活塞风进行热值交换。因此，在利用冷却阻尼风对活塞风控制，一定要合理有效利用冷却阻尼风，减少不必要的浪费。在详细分析了冷却阻尼风送风角度分别为垂直90和45时以及在冷却阻尼风喷口下加0.5m长管段对活塞风的控制，对比分析以上四个模拟工况可知，工况四下对活塞风的控制效果较好些即冷却阻尼风喷口加管倾斜45射流时活塞风的控制效果最好。在控制活塞风中有效应用冷却组尼风，对于节约能源具有重要的意义。参 考 文 献1 董志周，吴喜平.地铁车站热环境分析J.上海节能,2003(5):36-40.2 吴喜平.冷却阻尼风在地铁站中应用的研究分析.华东电力J，2001(1)：17-19.3 谢瑞春.屏蔽门系统在城市轨道交通中的应用. 中国科技信息J，2006 年(3)：113-114.4 张培红，李翠.冷却阻尼风喷口高度对地铁活塞风控制效果影响.沈阳建筑大学学报自然科学版，2008（4）：667-670.5 G. S. Theodoridis，D. Lakehal，W. RodiThree-dimensional calculations of the flow field around a turbine blad