（车辆工程专业论文）地铁网络系统环境控制数值模拟研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文 第 i i页 本文采用数值模拟方法对地铁网络环控系统在各种运行工况下的全面 研究，在国内尚属首次。为地铁结构设计、通风与空调设计及风机运行参 数选取提供了重要的空气动力学和热力学依据。妙编 制 的 计 算 软 件 为 地 n 铁环控设计与研究提供了有力工具。 研究成果对我国进一步开展地铁网络 系统与铁路隧道空气动力学和热力学研究，具有重要的理论意义和实用价 值。 ) 口 关 键 词: 地 铁; 阻 塞: 火 灾; 通 风 网 络; 环 境 控 制; 数 值 模 拟 西南交通大学博士研究生学位论文 第 i i i页 ab s t r a c t b a s e d o n t h e t r a i n , w h e n d r i v i n g i n u n d e r g r o u n d r a i l w a y , e a s i l y l e a d s t o a i r fl o w , t h e m o r e m a t u r e v e n t i l a t i o n n e t w o r k t h e o ry i s a p p l i e d i n m i n e s h a ft v e n t i l a t i o n t o r a t i o n a l l y s i m p l i f y t h e c o m p l i c a t e d a i r - fl o w p h e n o m e n o n i n t h i s t h e s i s a n d t h e n u m e r i c a l c o m p u t i n g m e t h o d a b o u t a i r fl o w i n s u b w a y i s d e v e l o p e d b y u s e o f t h e o n e - d i m e n s i o n a l u n s t e a d y i n c o m p r e s s i b l e fl o w i n g m o d e l a n d t h e f i n i t e d i ff e r e n c e m e t h o d , i n t h e fl o w i n g m o d e l , t h e f r i c t i o n a r o u s i n g b y a i r i n b e t w e e n t h e t r a i n s u r f a c e a n d t h e t u n n e l w a l l , t h e c h a n g e s p r o d u c e d b y t h e t u n n e l c r o s s s e c t i o n a n d c h a n g e s o f t h e j o i n t p o i n t b e t w e e n t h e t u n n e l a n d t h e s h a ft a r e c o n s i d e r e d . c o n s i d e r i n g t h e c o n fl a g r a t i o n e m e r g i n g i n t h e s u b w a y , t h e t h e s i s d i s c u s s e s t h e t h r o tt l e e ff e c t , fl o a t a g e e f f e c t a n d f r i c t i o n o f f u m e fl o w r e s u l t i n g fr o m t h e c h a n g e o f a i r d e n s i t y , w i t h r e g a r d t o t h e c o m p l i c a t e d s u b w a y n e t w o r k s y s t e m , t h e t r e e c h a r t t h e o ry i s u s e d t o f o r m t h e i n d e p e n d e n t l o o p , a n d t h e k i r c h h o ff l a w i n c i r c u it t h e o ry i s u s e d t o c a lc u l a t e t h e w i n d a m o u n t a n d w i n d d r a g . b e s id e s , i n t e m p e r a t u r e - f i e l d m o d e l , i t a n a l y z e s t h e v a r i o u s h e a t s o u r c e s i n t u n n e l s a n d t r a in s s u c h a s t h e h e a t p r o d u c e d b y t r a i n s i n m o t i o n , b y i l l u m i n a t i o n a n d s u p p l e m e n t a ry e q u i p m e n t o p e r a t i o n , a n d t h e h e a t e m itt e d 勿p e r s o n s , d e s c r i b e s t h e h e a t t r a n s f e r b y a i r i n b e t w e e n t h e t r a i n s u r f a c e a n d t h e t u n n e l w a l l , t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f t u n n e l w a l l a n d s u r r o u n d i n g s o i l a r e c o n s i d e r e d a o n e d i m e n s i o n a l u n s t e a d y h e a t c o n d u c t i o n o f t w o ma t e r i a l r e g i o n s . s u c h b e i n g t h e c a s e , t h e p h y s i c a l m o d e l o n w h i c h t h i s t h e s i s b a s e s o n c o m p r e h e n s i v e l y g i v e s a r e p r e s e n t a t i o n o f t h e p h e n o m e n o n o f a ir fl o w a n d h e a t t r a n s f e r i n th e s u b w a y s y s t e m . b y c o m b i n i n g t h e n u m e r i c a l c o m p u t i n g p r o g r a m d e m o n s t r a t e d i n t h i s t h e s i s a n d t h e d e s i g n o f u n d e r g r o u n d e n v ir o n m e n t a l c o n t r o l f u n c t i o n i n g i n c e r ta i n s u b w a y a n d s o me l i g h t t r a c k r a i l w a y , t h e s p e e d f i e l d a n d t e m p e r a t u r e f i e l d o f t h e s u b w a y s y s t e m i s s t u d i e d . n e x t , b y s h o w i n g t h e l o a d o f a i r 西 南 交 通 木 学 4巡丝进燮这一一一一遗 iv 卫 c o n d i t i o n e r b e t we e n t h e s t a t i o n wi t h s c r e e n d o o r a n d t h e s t a t i o n w i t h o u t s c r e e n d o o r , a n d b y s h o w in g t h e s p e e d a n d t e m p e r a t u r e o f t h e w i n d , t h e a u t h o r p u t f o r w a r d o f s u g g e s t s s l o w i n g d o w n t h e w i n d t e m p e r a t u r e i n t u n n e l s , a n d a l s o m a k e s c o m p a r i s o n o f d i ff e r e n t e n v i r o n m e n t a l c o n t r o l p l a n s , s i m u l a t e s a l l k i n d s o f u n d e r g r o u n d t r a ff i c j a m s , a n d o ff e r s t h e v e n t i l a t i o n s t e p s t o g u a r a n t e e t h a t t h e a i r c o n d i t i o n e r s c o n d e n s e r s i n t r a i n s n o r m a l l y o p e r a t e u n d e r t h e m o s t a d v e r s e b l o c k i n g c o n d i t i o n s . f o r s u c h f i r e e m e r g e n c e , t h e t e m p e r a t u r e a n d t h e s p e e d o f t h e w i n d i n t u n n e l s o f d i ff e r e n t s e c t i o n s a n d f i r e s p o t s t o f i n d t h e o p t i m a l v e n t i l a t i o n s o l u t i o n a r e s i m u l a t e d . t h i s s o lu t i o n e n a b l e s t h e w i n d s p e e d t h r o u g h t h e f i r e s p o t f a s t e r t h a n t h a t o f t h e c r i t i c a l v e l o c i t y , g u a r a n t e e s n o b a c k fl o w o f t h e f u m e i n f i r e s p o t , a n d p r o v i d e s a s a f e p a s s a g e f o r t h e p a s s e n g e r s a n d t h e r e s c u e t e a m s . i n a d d i t i o n , i t a n a l y z e s t h e f a c t o r s i n fl u e n c i n g t h e s u b w a y e n v i r o n m e n t a l c o n t r o l , p r e s e n t s t h e r a t i o n a l d i s t r i b u t i o n f o r m e c h a n i c a l v e n t i l a t i o n , p r o v i d e s r e l i a b l e d e s i g n p a r a m e t e r f o r t h e s u b w a y e n v i r o n m e n t a l c o n t r o l , a n d s o l v e s t h e a c t u a l p r o b l e m s o f e n g i n e e r i n g . i t i s t h e f i r s t t i m e i n c h i n a t h a t t h e s u b w a y e n v i r o n m e n t a l c o n t r o l i s t h o r o u g h l y r e s e a r c h e d i n v a r i o u s o p e r a t i o n c o n d i t i o n b y u s e o f t h i s n u m e r i c a l v a l u e s i m u l a t i o n m e t h o d a b o v e - m e n t i o n e d . t h e r e f o r e , i t o ff e r s i m p o rt a n t b a s i s o f a e r o d y n a m i c s a n d t h e r m o d y n a m i c s f o r t h e d e s i g n o f t h e s u b w a y c o n f i g u r a t i o n , v e n t i l a t i o n a n d t h e a i r c o n d i t i o n , a n d f o r t h e s e l e c t iv e u s e o f p a r a m e t e r s . b e s i d e s , t h e c o m p u t i n g s o ft w a r e p r o g r a m m e d i n t h i s t h e s i s a ff o r d s f o r c e f u l c o u n t i n g t o o l f o r t h e r e s e a r c h a n d d e s i g n o f s u b w a y e n v i r o n m e n t a l c o n t r o l . i n g e n e r a l , t h e r e s e a r c h a c h i e v e m e n t s s h o w e d b y t h i s t h e s i s h a v e i m p o rt a n t t h e o r e t i c a l m e a n i n g a n d g r e a t p r a c t i c a l v a l u e t o f u r th e r s t u d y t h e a e r o d y n a m i c s a n d t h e r m o d y n a m i c s a b o u t t h e s u b w a y s y s t e m a n d r a i l w a y t u n n e l s . 1 k e y w o r d s s u b w a y ; c o n g e s t ; c o n fl a g r a t i o n ; v e n t i l a t i o n n e t w o r k ; 幸 e n v i r o n m e n t a l c o n t r o l ; n u me r i c a l s i mu l a t i o n 编号: 2 0 0 13 1 科 技 项 目 查 新 报 告 r 项目名称 委 托 人退 匕 炼 ( 西 南交通大学机械工程学院 高等学校科技项 目咨询 查新单位 认证单位( 盖章) 沙 了 、丫刁 十 、 、 2 0 0 1年 4月 1 6日认证时间 查新类别: 课题特点: 开题口、成果口、专利口、新产品口、博士论文w1 1 . 该研究根据地铁列车运行过程中引起空气流动的特点，将矿井通风的通风网络理 论、图论中的 “ 树图” 理论和电路理论中克 希霍夫定律应用于复杂的地铁网络系统中空 气流动的分析与解算: 2 . 采用一维不可压缩非稳定流动模型和有限差分法发展和完善了 地铁空气流动的数值计算方法:3温度场模型中不仅考虑了空气流动传热，而且考虑了 隧道及周围 岩土层的非稳态导热， 能更全面 地反映地铁网 络系统内空气流动与传热现象; 4 . 对地铁系 统的三种运行模式 ( 正常运行、 阻塞运行、 火灾紧急状况) 进行了全面研究， 火灾模型中考虑了由于空气密度变化引起热烟流附加阻力和辐射传热:5 ， 对我国正 在进 行施 卜 设计的某地铁和正在进行初步设计的某 轻轨地下部分进行了 速度场、 温度场预测， 对于 是否安 装车 站屏蔽门、机械通风的合理配置、 最佳运行工况的确定提出了建议，解 决了厂 程实际问题，具有理论意义和实用价值。 查新范围: 省内 口、 国内0, 检索手段: 手 检0、机检9 1 检索时间范围: 1 9 9 0年至 国外0 光盘团 2 0 0 1 年 检索主题词 ( 或关键词) : 地铁 隧道 环境控制阻塞 通风 火灾 数值模拟 s u b w a y t u n n e l e n v i r o n m e n t a l c o n t r o l c o n g e s t v e n t i l a t i o n c o n fl a g r a t i o n n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 中 图 法分 类 号: u 2 3 1 检索范围: i , ( e l )( 美国j .二 程索引数据库) 2 , ( t r a n s p o rt ) ( 美国 运 输数 据 库) 3 、中文科技期刊篇名数据库 4 、中国 学术期刊全文数据库 5 、万方数据一中国学位论文数据库 6 , o c l c系 统一a rt i c l e f i r s t 数据库 7 、铁道文摘 8 、中国科技资料目 录一铁路 9 、 地 卜i t 程与隧道 1 0 ,建筑热能通风空调 i l 、暖通空调 1 2 、日 本机械学会论文集，b辑 1 4 , a s h r a e t r a n s a c t i o n s 1 5 , j o u r n a l o f w i n d e n g i n e e r i n g a n d i n d u s t r i a l a e r o d y n a m i c s 1 6 , t r a n s p o rt a t i o n r e s e a r c h r e c o r d 1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 2 1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 1 1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 2 1 9 9 4 - 2 0 0 0 . 1 2 1 9 9 6 - 2 0 0 0 . 1 0 1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 2 1 9 9 0 - 2 0 0 1 . 1 1 9 9 0 - 2 0 0 1 . 1 1 9 9 1 - 2 0 0 0 . 1 2 1 9 9 0 - 2 0 0 1 . 3 1 9 9 0 - 2 0 0 1 . 2 1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 1 1 9 9 0 2 0 0 0 . 1 0 1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 0 1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 0 检 索结 文献篇名和来源 ( 著者、刊名及年、 果 卷、期、页等) 才 目 1 ) 地下铁道。 环境 模拟. 野村为信 车辆l 机械 ， 1 9 9 0 , 4 ( 7 ) ， 4 一1 0 2 东京都 地下 铁1 2 号 线环状部t- ti tt 6 地 f 铁构内。 环境解析 评价少定 ，l 一%3 %x9ti ( n e w s e a s ). 石川祯昭 r 文 献 3 研究了 空调 车对 地 铁 车 站 和隧 道的 热负 荷影响， 并 对 隧 道内 非 稳态 流动和ym 度分 布进行计算:文献 4 利用二 维s i m p l e方法对地铁车站内 空气 流 动 进行 数值模拟， 将列 车移 动引起的活塞风处 理成 流入 或流出车站的非稳态流动作 用; 文 献 1 一 4 主要与 地铁环控数值模拟有关。 文献 5 介 绍了 纵向 通风 的 三 种 控 制 方 法; 文献 6 提 供了 对 德国 三 个 车 站的空 气流动 研究数 据; 文献 7 对北京地铁列 车从 起动、 加减速到停止等多 种运行 情况 进行了实测， 总结出 地铁隧道内列车活塞 风和 车 站行 人出 入口 处风速的 变化规律: 文献 5 一 7 主要涉 及地铁内空气流动与活塞风的研究。 文献 8 1 基于一维模型 和f r o n d e 数原 理导出 计算地铁火灾时 临界 速 度的 计算公式; 文 献9 可以 予测火灾时烟气和空 气的 流 动温 度的 变化，以 及为了 保证 乘客 逃离与救援人员 安全 所需的机械通风量: 文献 1 0 给出 地铁车站结构形式下的 质量、 动 徽和能趁方程， 并对二个不同着火点给出了 温度场和速度场的稳态解，该结果表明为了 保证乘客逃离必 须启 动机 械通风:文献 1 1 对b u e n o s a i r e s 地铁系统的车站火 灾进 行c f d 分析，并对白 然 通风 和 机 械通风 进行比 较: 文 献 1 2 1 着重 对 地铁车站火灾 数 值 分 析 方 法 中 的 网格划分、 网格形式与疏密程度进行了 探讨。 文献 8 一 【 1 2 是关于 地铁火灾的 研究 和数值模拟分 析。 文献 1 3 1 论 述了车站屏蔽门 对 地 铁 热 环境的 影响及影响 地铁 环 控系 统 的 投资 和运行 费 用的因素，并结合实际工 程对站台 屏蔽门方案进行了技术经济分析。 文 献口 4 1 与地铁环境控制的 标 准有关， 结合洛杉矶地铁， 论述了 地铁环控设计标准 的发展和相关因素，并利用先进地铁经验和远期预测确定地铁环控标准. 综上所述，上述相关文献主要是 对地铁系统中的某些空气动力学 现象和热力学现象 进行研究，缺少对地铁环控系统的全面分析;对火灾的分析大多集中 在对本站火灾的 c f d分析， 缺少对整个地铁网 络的分 析; 未见到有关整个地铁网络系统空气动力学和热 力学以及隧道壁热传导模型建立的问 题的研究;未见到利用图论中“ 树图” 理论和电路 理论分析地铁网络; 美国运输部开发的s e s 软件是目 前国际上较流行的 分析程序， 但对 中国地铁环控分析存在局限性，且未见对阻塞工况和屏蔽门的计算。 在上述检索范围及检索到的 文献中，与该论文内容相同的文献未见报道。 查新人员 查新咨询部门 审 核 者时间 ， * 众于 ， 、 ， 奄 ， “ 目 r 西南交通大学博士研究生学位论文第 1页 第1 章绪论 世界城市人口迅速增长，导致车辆增多，给城市带来了交通拥挤、环 境污染和能源危机等问题。i1随着国民经济的飞速发展， 各大、中城市的 出行人数急剧增长，汽车工业的发展使私人拥有汽车成为一种发展趋势， 这使得城市道路更加拥挤。随着城市化进程的加速，城市流动人口的增加， 大城市交通状况将进一步恶化。交通阻塞、乘车困难，己 成为困扰中国市 民与制约城市发展的一大难题。城市中传统的地面交通因运量小，速度慢， 将无法适应城市客运发展的需要，因此发展城市公共交通、缓和车辆拥挤 的问题越来越引起世界各国的高度重视。而城市地下铁道是解决城市道路 交通严重阻塞和居民乘车难问题最有效的途径，并能够降低地面噪声，减 少城市污染，改善地面交通状况 13 1 ，带来显著的社会效益和经济效益。从 北京、上海、广州的地铁建设经验来看，地铁线路延伸到那里，那里就高 楼林立、土地增值、人口 增加，呈现了生气勃勃的繁荣景象。 5 3 1 2 0世纪 9 0年代中期，李鹏总理在我国的政府工作报告中就提出了对 今后1 5 年和整个现代化具有重要意义的两大战略即科技兴国战略和可持续 发展战略。而地铁和隧道工程及地下空间的开发不仅为发展交通，改善交 通质量提供了可能，而且有可能为未来提供必要的生活空间和公用设施， 减少地面的拥挤。因此，他们是可持续发展战略中重要的环节。2 1 2 1世纪是中国城市轨道交通的新纪元，我国将在 3 0多座城市建设地 铁和轻轨线路，总长达 6 5 0 k m，经济改革将促使城市公共交通的发展成为 一个更急迫的任务3 1 。而地铁具有速度快、运量大、无污染以 及准时、舒 适、方便和节能等优点， 我国已 将未来城市交通轨道化发展列为今后3 0 - 5 0 年内的重点工作来抓，其中从2 0 0 0 年一 2 0 0 5 年，全国将规划建设4 0 0 k m城 市轨道交通线路，总投资1 3 0 0 亿6 7 1 。发展城市交通是 “ 十五”规划及今后 若干年内的重点川 。可见我国地铁事业已经进入一个迅速发展的新阶段。 1 . 1 研究背景 1 8 6 3 年1 月1 0日 在英国 伦敦开通了 第一条地铁“ 大都会号” 4 m 0 1虽 一一一 5 a 13z a ;k * * f f5 e 4 4 % it k 一 一 一 一 9 2 t: 然列车由蒸汽机驱动，冒烟的发动机在地铁内运行，造成环境很不舒适， 但它标志着城市地下快速轨道交通的诞生。随后，美国建成了自己的第一 条 地下 铁 道 14 115 1 。 匈 牙利、 英国 、 奥 地利、 法国、 德国 也 相 继 建 成了自 己 的 地铁线路，到了2 0 世纪，日 本、加拿大、苏联等国在地铁方面得到了迅速 的发展18 1 ，尤其是 7 0年代，城市的高速发展要求轨道交通要相应的高速发 展，轨道交通从欧美、亚洲又扩展到大洋州的澳大利亚，从发达国家扩展 到发展中国家，地铁以每年 1 .4个城市的速度增长。当今世界的大城市和 特大城市中， 轨道交通己 在公共交通系统中处于主体地位15 1 , 2 0 0 0年世界 上有近 1 0 0座大城市拥有地下铁道。其中莫斯科地铁最繁忙和最豪华，年 运量达 2 4 . 3亿人次。法国里尔地铁 ( v a l )是最现代化的地铁，采用无人 驾驶的全自 动化轻型地铁，并设置车站屏蔽门系统。速度最快的地铁是美 国旧金山地铁，行驶速度高达每小时 1 2 8公里。新加坡地铁最清洁、最安 全，具有一整套灭火报警的自动监测系统。世界上最有经济效益的地铁是 香港地铁，香港地铁管理十分完善，是世界上唯一具有商业价值的地铁门 。 而伦敦、巴黎、纽约、东京、莫斯科等城市，都己形成四通八达的地铁线 网， 地铁运量占 公交运量的5 0 % -7 0 0/ 6 1 , 我国地铁发展起步较晚，1 9 6 9年北京地铁通车，标志着我国第一条地 铁的诞生， 1 9 8 4 年北京建成了环线地铁， 1 9 9 5 年上海地铁一号线开通运营， 1 9 9 7年广州地铁一号线首段建成通车，正式拉开了我国城市地铁建设序 幕。目 前正在施工的有上海地铁 3 线，北京地铁复一八线，深圳地铁一期 工程。已通过国家计委批准，正处于设计和施工前筹备的有天津、南京、 重庆、广州2 号线，正进行可行性研究工作的有青岛、沈阳、成都等 1 6 个 大城市17 118 119 1 . 2 0 0 0 年中国都市化水平达到3 5 %， 城市人口 达到4 亿6 千万， 人口超过 1 0 0 万的大城市有4 0 座，其中8 座城市人口超过3 0 0 万，但城市 公共交通 9 5 %以上还是依靠常规公共电汽车，公共交通结构单一p o t 。发展 城市轨道交通已到了刻不容缓的地步. 世界各国城市交通发展经验表明:现代大城市均应形成以轨道交通为 主，各种交通工具协调发展的格局， 逐步形成多层次、主体化的综合交通 体系。 随着世界城市地铁的迅速发展，地铁环境控制问题也愈来愈引起人们 西 南 lz 通 ;k 丝t 堕叁 %i e 3 r一一一止壑 - 5 的关注， 2 0 世纪 3 0 年代末以 前，多 数地铁都没有真正考虑环境问 题11 n 2 ， 地铁列车的运动引起的活塞风速使车站通道和站台上的乘客要忍受较高风 速，随着地铁列车车速的提高，同向 行驶列车之间距离的缩短，该问题更 加突出。列车产生的大量散热以及客运量增高使地铁内温度逐年升高，如 北京地铁以 每年1 的速度在上升， 夏季最高温度1 9 9 5 年己 达到3 1 c ，大 大超过了2 5 的设计值 14 在一些新建或现存的地铁中，地铁车厢内空调己成为必需品，造成地 铁列车产热大量增加，使得地铁内空气和周围土壤、隧道壁等的温度迅速 上升。因此在计划设计新的地铁系统时，应该尽量使用和体现对地铁环境 控制的最新技术4 j ，为乘客提供一个舒适环境的重要性使地铁工作者在计 划、设计和建造地铁时必须运用现代环境控制概念，对地铁内温度、 湿度、 气流运动、空气质量、噪音及振动频率、空气力压波进行控制。地铁环境 控制问题的相关项目 如表1 -1 所示。 表 1 -1 地铁环境控制问题及相关项目 地铁环境问题 相 关 项 目 列车活塞风 运营通风，运行速度，空气阻力 温、湿度问题 通风与空调，地铁蓄热、废热利用，乘客舒适性，地 下水，地铁温升控制 空气质量除尘，洁净，环控系统选择 噪声振动车辆、轨道及结构设计，人体舒适性研究 气压差控制 隧道结构参数设计，隧道通风，列车运营安排 紧急情况照明，报警，紧急通风，人员疏散，救援系统 对于地铁系统设计分三大运行模式日 6 : 1 .正常运行模式:这是一种占 主导地位的运行模式，在正常运行期间 应考虑尽最大努力优化环境系统的性能，满足乘客要求的舒适度。 2 .列车阻塞模式:由于延误或运行故障可能导致阻塞，在此期间，通 风的主要目的是维持列车空调装置连续运转以保证车厢内乘客舒适。 3 .紧急情况运行模式:通常是由于运行车辆失灵而引起的隧道内一列 行驶的列车发生火灾，交通运输中断，要求乘客撤离。此时通风设施开启 西 南 交 通 鑫 到丝旦丝竺燮丝一一一一 全三 的意义在于为乘客提供一条无烟、无高温气体的安全通道，为紧急救援提 供宝贵的时间。 1 . 2 地铁环境控制的研究方法 2 0世纪 3 0年代末以前，多数地铁都不考虑环控问题，以致地铁内出 现很高温度和站台上乘客难以忍受的较高风速!川 。随着人们对环境要求的 提高， 地铁环控措施不断得到改善。 但是人们对地铁环境标准的认识都很 模糊。美国和日 本在这方面作了大量研究，美国采暖制冷空调工程师协会 ( a s h r a e ) 在 地铁环境控制手册中提出了各国公认的相对热流指标 的方法 ( r e l a t i v e w a r m t h i n d e x ) 10 1 1 1 5 1 。 这种方法指出人们在地铁内的感 觉是随时间变化而向不同环境移动的瞬态感觉，即根据人们在不同环境、 不同运动形式下，一定时间内的出汗状态，确定地铁内合理的温、湿度条 件，使乘客对地铁环境变化有相对舒适感。目 前世界各国研究地铁环控的 主要方法有试验方法和数值模拟方法，试验方法可分为全尺寸现车试验和 缩尺模型试验。数值模拟研究方法有限差分方法、有限元法和特征线法。 在物理模型的选取上分网络模型和场模型 ( 局部区域模型) 。 现车试验是通过实测地铁系统中的通风量、风速和空气温、湿度来确 定运行地铁的环控效果，这是最直接可靠的基本试验方法，是验证模拟计 算的根据。 最早进行现车试验的是美国的j . v .d a v i e s 1 9 1 1年在曼哈顿进行 的 地铁 列车 运 动的 空 气阻 力 和强 制 通 风实 验， 1 9 1 2 年g e o r g e g ib b s 在宾夕 法尼亚铁路隧道中进行了类似实验4 1 ，通过实验，他们研究了列车的 “ 活 塞效应” 和减少空气阻力的措施。从2 0世纪 7 0年代起，日 本、德国、前 苏联 1 7 1 8 19 12 0 112 1 2 2 3 9 1 等国进行了大量的实测试验。由于车辆火灾的不断增 多而且危害较大，其中有关地铁火灾的烟气控制和火警性能实验居多，如 日 本东京都交通局在 1 9 7 8 年秋在都营地铁进行的排烟实验，联邦德国地下 交通设施研究协会在 1 9 8 1年和 1 9 8 6年进行的地铁火灾燃烧特性实验。这 些试验为紧急状态下的通风研究提供了宝贵的资料。但是实车试验组织和 实施难度较大，试验条件局限于现有的地铁，对于一个待建的地铁系统， 当结构、环控方案等都有较大的出入时，模型实验就显示出它的优越性。 西 南 交 通 些退红丝兰丝些匕一一一些三 模型实验是对真实地铁或隧道进行简化，并按一定比例缩小的模拟实 验，试验费用相对较低，组织和实施较实车试验容易，故受到各国科学家 们的青睐，日 本、英国、德国、法国、意大利等国进行了一系列的模型实 验，研究地铁隧道内活塞风运动，地铁环境控制、地铁火灾以及压力损失 等2 2 2 3 112 4 112 5 2 6 12 7 )2 8 课题。在改善交通隧道中的防火设施这一(01 题中，德国 等欧洲八国在 2 0世纪 9 0年代初期进行了综合研究，德国不伦瑞克工业大 学的试验和欧洲各国的补充试验获取了大量有用信息，如火灾现象、疏散 救援及灭火的可能性等。通过这些模型实验， 可以检验各种环控方案的优 劣，但是对于一个待建或改建的地铁系统，可用的环控方案有许多，但是 哪种方案最优，如通过实验研究来确定，必须对每一种方案进行模型实验， 工作量非常巨大，另外，地铁运行过程是非常复杂的，模型模拟很难准确 反应实际情况，因此地铁环控的研究普遍采用数值计算的方法。 地铁环控系统的数值模拟，主要研究地铁内不稳定气体动力学和热力 学1 16 2 8 1 ， 利用流体力学、 热力学及传热学等基 本方程，建立数学模型， 并 应用电 子计算机对地铁内 环境进行动态模拟。 有限差方法 ( f i n i t e d i ff e r e n c e m e t h o d )作为流体力学的一种古老而基本的方法，被广泛地应用于近地面 纯体绕流计算如列车、轮船和汽车等2 9 113 0 3 1 3 2 13 3 1 ，近年来，由于计算机技 术的飞速发展，在内存和计算速度上都能满足有限差分数值求解的要求， 给有限差分法带来了新的生机。许多国家的科学工作者都用这种方法研究 地铁与隧道内气流流动、温度分布以及火灾时烟气控制3 4 1(3 5 113 6 )3 7 3 8 4 0 1 ，有 限元法 ( f i n i t e e l e m e n t m e t h o d )在计算流体力学 ( c f d )中不失为一种有 效的计算方法，被广泛应用于地铁和隧道的计算中。如苏格兰 d u n d e e大 学的 z e n g z h a o y a n g等用有限元法分析单线或双线隧道内 长期温度分布 14 1 )14 2 ) 。特征线法是将偏微分方程用等价的特征线系来代替。推导出特征线 方程和相容性方程，将复杂的偏微分方程转化为较为简单的常微分方程求 解。特征线法计算量相对较小，差分格式的稳定性也较好，因此在风流非 稳定过程的解算中也得到一定应用9 4 1 地铁环控的三种研究方法是相辅相存的，互为补充。一般的研究程序 为:首先建立研究对象的物理模型和数学模型，确定计算方法和编制计算 程序;根据试验的条件，进行地铁环控的模型工况试验，根据试验结果来 酉 由 丝达丝些型些塾些魁一一一 % 6 检验计算方法和计算程序的正确性和适用性;然后利用数值模拟计算大量 工况，对计算结果进行有效分析，找出规律，提出 优化方案，为环控设计、 结构设计与参数选取提供合理依据。当地铁建成后， 在条件允许下进行实 测实验，对模型试验和数值计算进行检验，并为地铁环控系统进行优化提 供数据。 1 . 3 国内外地铁模拟研究的现状及存在问题 1 . 3 . 1 研究状况 地铁系统是一个由车站、隧道和通风竖井组成的复杂三维网络，它与 公路隧道、铁路隧道、矿井通风等有着相似的理论分析方法，可以借鉴其 研究成果。目前地铁系统的环控数值模拟，主要是研究地铁内的不稳定空 气动力学和热力学方面的问题。 空气动力学问题主要包括活塞风、机械通风、空气阻力等问题。为了 解决列车通过隧道时引起的空气动力效应，如活塞风、压力波等，日本、 英国、德国、法国及奥地利等国都进行了大量的理论和试验研究，并在此 研究基础上开发出了一些隧道空气动力学软件，用于较复杂的隧道通风设 计，这些软件的数学模型都是以一维空气流动为基础，针对研究问题的特 点不同、计算要求不同， 这些模型可分为下列五类: 1 .一维可压缩不定常非等嫡流模型; 2 .一维可压缩非定常等嫡流模型; 3 .一维可压缩非定常均质流模型; 4 .一维不可压缩恒定流模型; 5 .一维不可压缩非定常流模型。 前三种模型主要用于高速列车通过隧道时的压力波计算。 其中模型 ( 1 ) 在理论分析上较复杂，但计算较为准确(9 0 1 ，模型 ( 2 ) 和 ( 3 )没有考虑嫡 变影响，严格从理论上讲，不能预测空气温度变化，故不能应用于地铁与 隧道热环境模拟研究.模型 ( 4 )计算方法简便，是我国隧道通风过去一直 采用的理论9 1 19 2 ) ，它能满足车速低，车流密度不大的单隧道通风计算要求， 在车流密度大或隧道内存在两列交会列车时，该方法不能适应，对地铁这 西 a 3z iv z 丝t w 5e 1 * 1a %丝一一一一v7 种车流密度较大的复杂网络更是不合适。模型 ( 5 ) 能够准确地计算出列车 在隧道内气流运动状况和列车空气运行阻力，是目 前研究地铁隧道和矿井 通风的主要模型，本文也采用此模型。 最先进行地铁环境计算的是美国工程师e d c s o n b r o c k ， 他在2 0 世纪4 0 年代对芝加哥地铁进行了通风计算，建立了列车活塞效应的计算式和隧道 内热量平衡方程式4 1 。日 本的松平秀右，田中康友2 2 1 、杉原义文1 0 q 、英国 的f o x j . a . , h e n s o n .d .a 4 4 14 5 1等对地铁区间隧道的 活塞风运动进行了 大量理 论研究和模型实验，并用参数迭代法求解动态变化系统中的参数值。日本 的a k iy a y a m a m o t o 4 21 ， 法国 的e .c a s a le 等4 3 1分 别 研究了 隧 道中 不稳定 流动 问题，并编制了软件。 e a r u s h a w .p .b 4 6 1 提出了列车在地铁中的阻力模型，法 国的 b . b r o n s s e提出了通风管道中压力损失计算模型3 8 1 ，日 本的 t a t s u r o y o s h im o c h i 等利用模糊控制技术对双线隧道的纵向 通风进行模拟4 2 1 地铁热力学计算主要是对地铁内及周围岩土层热环境的研究。日 本的 蔑又弘道及其它专家对地铁内发热量4 8 1 以及地铁废热利用4 9 1进行了研究， 提出了 地铁内 热量来源及各种热负荷的计算方法， 苏 格兰的z h a n g z h a o y a n g 等 用 镜 象法 ( m e t h o d o f im a g e s ) 研究了 隧 道周围 岩 土 层的 长期 温度分 布， 并利用有限元法对方程求解4 11 ，日本的吉田治典利用反应系数法计算地铁 热 状 况 50 1 ， 日 本的z o u g a e t a l , o t s u k a , t a k a m o t o 和t o s h i o 以 及苏 格兰的d a i g u o p i n g 和a l a n v a r d y 对地铁长期 和短期热环境 进行了 研究 (3 7 ) ，美国 加尼 福尼亚大学的m a l c o l m j . m c p h e r s o n 利用c l i m s i m程序模 拟和分析t 矿井 及其岩土层的热状态5 1) 。 英国的h . b a r r o w利用整体分析法( g l o b a l a n a ly s i s ) , 即将隧道看作整体控制体积在外界温度周期变化下，对隧道及其环境进行 准稳态 和瞬态 分析 5 2 1 , j a e g e r e t .a l .第一个将周围 岩 土 层的 热 流输入制成表 格，采用年龄函数法进行分析5 2 1 ，美国的 g .d a n k o等利用分析解，将温度 变成阶梯近似，对具有移动热源的隧道壁面的温、湿度进行了分析研究。 由于地铁火灾时有发生，且一旦发生火灾，将对人生安全、国家财产 产生巨大的威胁，从1 9 7 1 年到 1 9 9 1 年对世界范围内的8 6 个城市地铁运输 火灾调查情况来看，共有2 4 起重大火灾 ( 损失超过1 0 0 万德国马克)2 3 1 因此许多国家都致力于隧道与地铁火灾研究，在废弃铁路隧道中曾进行过 两次大范围火灾实验 1