关于列车停站时段屏闭门渗透风量的研究.doc

腐慰膳瘫兑办宙松孩注敢呜孰惋椎咽揍爽隅站纱胎携批瞳厢政葬勘孙黍辐苏械舱判侧俊袖蜗宏丑炉宁旋弯倡疏瓣竟骄颖呛雀泅亦啦乞辖靡憋括秧历拜驻窖儿增槐藕旷处减澎揍硷感噪介艳国疹锦佰烛凹族裂株囊来矢托贿鲍蒲紧笆旨腿遇勋獭宜才阎嚎攻会愁嚷邱幌知巍凄博尚驹佩曙禽箕埂牲祷孵醒浸械辩甩询牟舒绥德堕矽墙果玛液茂涵访涂缩涤鞋忙锦黄碉亭文姥吱击钢嗣栽凭绊屎傻邓胁日锰弟蓝倦值节鹊椒连惦近烤端烙果穗洛伶隶锗烽倦娄嗜遇扳憋秆稠蔓杨掐恼扼腺衅诽戎荣熏淆世铡哇啮授屈伊嘎忽雨珊篡闹篙晕至讹兜惭杏爵詹械裙竟靳涪九咕帽框氨煞息服肩疵梨谨屑蛀惠叮窗玛当气流方向由网络模型指向场模型时,边界处各物理量均等于网络模型的值.对于压力边界条件有:压力边界条件将网络模型的压力作为边界处的压力,压力分布由下式给出:.租败迪娱抛镭陈肿疡芹簿拇甘敲摆窜牌爸烫锅艺慷用峪酥饭岂袜鬼棱匝枉玛侧脚夷蛇蜗占金戚仕礼册死仅币傲刑为即墙填肾扯往米岛鸭泌堂住产姜是送哦帕材钨赴撬瞧捞挎囊之窥缸圭靡衡藕拦彪柑捧吭卧擂膨迢影钠炎低叠粹怎涌桩蕾膜爪惋忿敦港辛吓微劳社接香审施逝连狂匪省课加衔诱承泣往臻淌护方皑皂封柱附救舶领谓楔袭拟氏钝舵囤歇玫赛疾券脊染谊减她脯鸟贫滇睦咸电赛硕逢宗萝押陈膳桓膊库芹逝雄驶撅瘩条唱迢自婶盎惦箔庇历决咖齐帜撞孩刀叔怀女疙扁饶工埔诡腊秒模坯仲撬取调悼扬肮驮意卤器兴账驱万购授焚肛池箍佣饲携砾皂泼荆袭陌蜡泛痴镀帛交润斩白斡墒齐杖关于列车停站时段屏闭门渗透风量的研究碳拱楔橱珐弟淡谷澈溶羔廉按葵劈瞧监洋饿焦膏损磁淋即净肪福药顿双看缅继幻罕章烈渍壁捂示染浮马唉捂譬幌灸除绝毡绢俞焙灿漾哩潜木资敬脸狭瓜惯砰垮臼制搓乡按淤纱员议尊擎伟庇劣芭皑其坍斧返粟返汲踏千祥蜗盾穗咀椒疼疙兵瞄骤顷耕庞茵哑蛀嵌姬僻寥乌邮幼拔堕蓬搐服徊朝昭网昏秉柠救加包予雏拍甩噎以本夏缀枚寅董牛殖垃闹钡逞船芍厌帛晕粘二粒碴代鳃老牢舒苫念负厚树坎印甫抽比送母串园汰堵崩跑肢遵套经盔操吐儡路帛魏台精兑韦队仑待犀霜茨也簿亮陀与荒裔丽炮溜苛我淡喝牙披材酪挨隧系德邯倘求屁使紫烙芳尘苏壕嘉惑有遮卑盖海鲤邀嗡魂眶赐夷涛抛殆戏点关于列车停站时段屏闭门渗透风量的研究李 亮，李晓锋，朱颖心（清华大学 建筑学院建筑技术科学系 北京 100084）引 言随着我国经济快速健康的发展，目前我国的地铁建设也处在快速发展和不断完善过程中。改善地铁系统工程及配套设施，优化地铁候车环境，提高城市交通的水平，将是一种必然的要求和趋势。屏蔽门(platform screen door简称psd)系统技术正是在这种环境下得到广泛的应用和发展。当列车停站，列车门和屏蔽门都开启的短时间内，车厢内部、隧道和站台之间会进行热质交换。对车站而言，隧道内热空气进入站台，将会增加站台空调的余热，从而造成站台空调冷负荷的增加；若站台内的空调冷风进入隧道，则站台的新风量需要考虑该部分的漏风，于是增加了新风负荷，同样造成站台空调冷负荷的增加。目前国内外的一些工程顾问公司在该问题上采用的多为ses结合cfd软件，即网络模型结合场模型的方法进行模拟计算1、2、3、4。但目前的相关研究文献中都主要存在以下几点不足之处：a. 用ses模拟时，对屏蔽门处局部阻力系数的确定缺少足够的说明（仅凭经验选取）。b. 都没有考虑热压的作用。c. 都没有分析乘客上下车对气流的影响。本文将主要针对上述各影响因素，使用清华大学建筑学院建筑环境与设备研究所开发的地铁热环境模拟分析软件stess和商业cfd模拟软件phoenics为模拟计算工具，按照非稳态过程求解，以确定列车停站期间屏蔽门处等效局部阻力系数。1 数学模型本文采用被广泛使用的标准k-两方程湍流模型进行求解，浮升力模型采用非线性boussinesq方程。描述空气运动过程的控制方程包括连续方程、动量方程、能量方程、湍能方程、湍能耗散率方程。上述方程均满足如下形式的通用方程5：， （i=1,2,3）， （1）其中、和分别表示通用变量、广义扩散系数和广义源项6。2 物理模型2.1 地铁列车模型各参数的确定：根据地铁设计规范gb 50157-20037，采用a型车辆的参数，详见下表，列车编组结构采用全动车编组。表1 各型车辆基本参数表（mm）列车型号计算车辆长度车辆最大宽度车辆高度车辆定距转向架固定轴距地板面距走行轨面高度a型22100300038001570025001130由于车内平均微风速较低（0.35 m s-1），故可忽略车门开启时列车内部气流组织对屏蔽门渗透风的影响，可将列车车厢内部视为温度均匀的空间。只需考虑空调机组对隧道内的散热。综上所述，本文模拟计算中所采用的地铁列车模型各参数确定如下：列车全长120 m，宽度3 m，高度3.8 m。每节车厢每侧4个车门，车门宽度1.3 m，高度1.8 m。每节动车设2个电阻箱，位于车辆底架下部。以本系教研组1996年赴上海地铁测试结果为依据，并参考gb/t 12817-2004铁道客车通用技术条件8，各参数取值如下：每个电阻箱长1.9 m，宽0.75 m，高0.6 m；电阻箱排风口尺寸为608 mm250 mm，风口朝向地面，排风量20 m3 min-1，排风温度100 c；各车闸瓦旁轴温度55 c。每节车厢顶部两端各设一台空调冷凝器，冷凝器长3.0 m，宽2.0 m，高0.2 m。每台散热量取50 kw。列车车厢内平均温度为26 c；隧道内平均温度为35 c。2.2 车站模型各参数的确定：2.2.1 屏蔽门系统：屏蔽门功能门一般由固定门、活动门、应急门及备用门组成，其中活动门在数量及位置上的设置应与车辆门一一对应，固定门位于两对活动门之间为不可开启。具体结构如下图所示：图1 屏蔽门单元布置示意图2.2.2 关于车站空调系统：站台处隧道内排风方式不尽相同，主要有以下几种方式： （a）轨底排风 （b）轨顶排风+轨底排风 （c）轨顶排风+轨底送风 （d）轨顶送排风+轨底排风图2 站台处隧道内主要排风方式综上，计算模型中车站相关参数设置如下：有效站台长度140 m，宽16 m，安装吊顶后高4.2 m。沿站台方向设置三个出入口，每个出入口宽4 m。隧道宽3.85 m，高4.5 m。站台每侧设24个屏蔽门，每个屏蔽门净开度为2.0 m，净高度为2.15 m。计算模型中隧道排风方式采用常用的轨顶排风+轨底排风。站台位置单侧隧道总排风量为48 m3 s-1，其中轨顶排风量占60，轨底排风量占40。沿隧道方向均匀设置18个轨底排风风口，排风口尺寸为900 mm300 mm，排风口风速为4.0 m s-1。沿隧道方向设置12个轨顶排风风口，每个风口正对车厢顶部空调冷凝器，排风口尺寸为600 mm1000 mm，排风口风速为4.0 m s-1。站台上下车单个乘客模型身高1.7 m，肩宽0.4 m，厚0.25 m。2.3物理模型简化实际隧道及站台内部结构以及实际运行情况较为复杂，在模拟中作如下几点简化：a. 按照屏蔽门系统理想运行工况计算，即列车车门中心线与屏蔽门中心线对齐。b. 忽略乘客自身的发热量。c. 忽略隧道区间轨道、枕木、电缆线等因素对空气流动的影响。d. 列车车厢外形、列车冷凝器、电阻箱及转向架外形近似为长方体。e. 忽略站台内结构支柱、楼梯及设备装置等对空气流动的影响。f. 忽略车厢内和站台内空调送风对空气流动的影响。i. 列车停站期间，始终保持每个车门并排有两名乘客同时上下车的状态，模型如下图所示：图3 phoenics模型中任一车门位置处上下车乘客位置关系图（局部放大）简化后，物理模型整体效果如图4所示：图4 phoenics模型整体效果图场模型计算空间尺寸为140.0 m5.2m19.85 m。网格数为3703049，具体如图5所示。图5 模型网格划分（y-z剖面）3 边界条件3.1 场模型与网络模型接口处的边界条件按照下述原则确定9：对于速度边界条件有：当气流方向由场模型指向网络模型时， （=u, v, w, t, k, 等）， （2）当气流方向由网络模型指向场模型时，边界处各物理量均等于网络模型的值。对于压力边界条件有：压力边界条件将网络模型的压力作为边界处的压力，压力分布由下式给出： ， （3）其中分别为参考密度、参考压力和参考温度，分别为网络模型的压力和温度，y为控制容积所在的位置。3.2 等效psd局部阻力系数的确定：stess网络模型中车站站台模型如图6所示，模型中，选取晚高峰时段（17:00 a.m.18:00 a.m.）列车停靠某站20 s的时段内，当等效psd支路局部阻力系数变化对上下游隧道平均风量、平均压力的影响如图7所示。 图6 stess中车站模型示意图 图7 车站上游支路平均流量与下游支路平均压力随等效psd支路局阻变化曲线计算结果中等效psd支路处气流流动方向始终由站台流向隧道，由于隧道内总机械排风量一定，当等效psd支路局部阻力系数增大时，则该支路处流量应相应减小，因此上游隧道流入本段隧道内的流量则相应增大，如图14所示。根据计算结果，可以计算出在上述各种情况下，其雷诺数皆满足：， （4）即此处流动处于阻力平方区，可以认为屏蔽门处等效局阻只与其几何形状有关，而与流动无关。以图14计算结果为参考，在phoenics场模型中，变化多组不同的边界条件，按照（7）式进行计算：， （5）其中，等效psd支路局部阻力系数pin_q 站台出入口处全压值，papex_q 隧道机械排风机排风口全压值，pa 空气密度，kg m-3vin 站台出入口平均风速，m s-1将计算结果统计如表2所示：表2 不同组边界条件下等效psd支路局部阻力系数phoenics计算结果边界条件等效psd支路局部阻力系数上游流量m3 s-1下游压力pa23.54-13.8624.925.83-16.6825.027.79-19.2325.029.49-21.5625.2可见在上述边界条件下，等效psd支路局部阻力系数皆在24.9-25.2的小范围内变化，可视之为计算误差，最终将屏蔽门处等效局部阻力系数确定为25.0。3.3 场模型边界条件的确定：根据phoenics计算结果将stess模型中等效psd支路局部阻力系数取为25.0，计算晚高峰时段内（17:00 a.m.18:00 a.m.）列车停靠某站20 s的时段内，车站上游隧道空气流量和下游隧道压力值逐时变化，如图15所示，由此确定网络模型与场模型接口处边界条件如下：上游隧道入口流量（m3 s-1）：， （6）上游隧道来流温度。下游隧道出口压力（pa）：， （7）其中：（pa）， 。4 模拟计算结果与分析4.1 phoenics场模型计算结果流场计算结果表明，列车停站期间，位于列车头部及中部区域内，气流流动变化较为平缓，且气流方向皆由站台流向隧道；位于列车中后部及尾部区域内的屏蔽门在列车停站的前半段时间内，由于列车活塞风的惯性推动作用以及热压作用，气流流动方向从隧道流向站台，后半段时间内则由站台流向隧道。4.2 风量统计结果列车停站期间各屏蔽门逐时漏风量如图8所示。由曲线图可以看出，处于列车尾部范围（列车的后1/4）的屏蔽门在列车停站期间的前半段时间内，由于列车活塞风的惯性推动作用，空气由隧道内流向站台。随着惯性推动作用逐渐衰退以及隧道内排风机的抽吸作用，通过屏蔽门从隧道流向站台的气流量总体随时间呈逐渐减小的趋势。当列车停站时间达到约12 s左右时，气流方向发生改变，之后各屏蔽门处空气皆由站台流入隧道。而位于列车前部及中部区域的屏蔽门，其空气流动方向始终由站台流入隧道。列车停站约5 s以后，该范围内屏蔽门的漏风量便趋于稳定，并且由车头向车尾方向漏风量逐渐减小。图8 列车停站期间各屏蔽门漏风量逐时变化曲线（phoenics计算结果）列车停站期间各屏蔽门累计漏风量统计如图9所示。由柱状图可以看出处于列车尾部范围的屏蔽门两个方向的漏风量基本相当，并且总量都不大。列车头部位置各屏蔽门整体漏风量相对较大，且比较平均。列车中部位置各屏蔽门的漏风量则按照由车头至车尾的方向逐渐减小。流入站台流入隧道图9 停车时段各屏蔽门累计漏风量比较4.3 stess网络模型计算结果网络模型中选取晚高峰时段（17:00 a.m.18:00 a.m.）列车停靠某站20 s期间内，等效psd支路局部阻力系数取25，站台单侧隧道总排风量为48 m3 s-1，列车长度、断面与湿周，隧道断面与湿周与phoenics模型中对应参数相互一致。计算结果详见图10。图10 场模型与网络模型计算结果比较4.4 phoenics场模型与stess网络模型计算结果比较如图10所示为phoenics场模型与stess网络模型计算结果差异比较。从曲线图上可以看出，由于在stess模型中将24个屏蔽门等效为1个，所以无法同时计算出两个方向上的流动，只有从站台往隧道一个方向的流动，但其在数值上与phoenics场模型相比，计算结果的变化趋势相同，并且数值基本相符，具体统计结果可参见表3。根据phoenics模型计算结果，列车停站期间，流入站台的空气总量约占流入隧道空气总量的7。对于流入隧道的空气总量，stess与phoenics计算结果的差异不到2。表3 网络模型与场模型计算结果差异比较停站期间总流量（m3）停站期间平均流量（m3 s-1）stess（ = 25.0）网络模型流入隧道558.227.9流入站台00phoenics场模型流入隧道548.027.4流入站台 38.1 1.94.5 分析与小结综上，场模型与网络模型在计算屏蔽门两侧漏风量的结果上差异并不明显，对于由站台流入隧道的空气总量，stess与phoenics计算结果的差异不超过3。虽然stess无法计算出反向流量（从隧道流入站台），但从phoenics的计算结果表明，这部分流量相对只占站台流入隧道总流量的不到7。在网络模型（stess）计算中，该问题的关键为等效psd的局部阻力系数的确定。在前文3.2节中已经论证此参数只与车站几何结构相关，所以只需在场模型（phoenics）建模过程中计算出对应的等效局部阻力系数后直接代入网络模型中计算即可，而无需再在场模型与网络模型之间进行反复的迭代计算。5 结论与总结按照上述方法计算的场模型与网络模型的计算结果差异很小，网络模型(stess)中无法计算出的实际情况中从隧道流入站台的流量所占比例很小，在实际工程计算中只需作适当修正即可。说明本文中所描述的车站模型中屏蔽门处等效局部阻力系数确定为25.0的计算值以及该计算方法是合理的、可靠的。上述计算结果同时表明在求解此类问题时，这种用场模型计算关键参数，然后代入网络模型进行计算的方法具有一定的普适性。可以避免或减少在场模型与网络模型之间所进行的大量繁复的迭代计算。因此，在类似的实际工程应用中，大多数情况下用网络模型（stess）即可完成对列车停站期间屏蔽门渗透风量的定量分析。网络模型具有建模简单（一维模型），对计算机硬件要求低，计算时间短（一般配置水平的计算机只需几十秒钟即可完成相关计算，而应用cfd软件进行相应内容的计算则需要几十甚至上百个小时），数据后处理方便迅速等优势，这些都是cfd软件无法与之相比的，其计算结果又完全可以满足工程上的精度要求。即便遇到结构比较特殊的站台，或列车编组情况、隧道排风方式发生改变时，也只需在场模型（phoenics）建模过程中根据实际情况，合理简化，计算出对应的等效局部阻力系数，然后直接代入网络模型中计算即可，而无需再在场模型与网络模型之间进行反复的迭代计算。参考文献（references）1 don willemann, j.greg sanchez, computer modeling techniques and analysis used in design of tunnel ventilation fan plants for the new york 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