地铁环境模拟计算软件介绍.doc

二,地铁环境模拟计算及软件介绍1,采用计算机模拟计算的必要性由于地铁环境的复杂性和重要性,使得地铁通风空调系统在地铁设计中占有十分重要的地位.由于传统的计算方法.：地铁环境模拟计算软件介绍铁道第三勘察设计院城交分院 杨智华一、地铁环境的控制地下铁道一般从城市交通主干道下穿过中心城区，基本上是一个狭长形的地下空间，与外界环境的空气交流比较困难，只有通过地下车站的出入口和按要求设置的通风亭，才能与外界大气进行一定的通风换气。由于地铁出入口主要用于人员进站出站的通道，因此，需要设置合理的地铁通风或空调系统来满足地下铁道的空气质量要求。地铁通风空调系统对地铁内部的空气温度、湿度、空气流速、空气质量等进行控制，防止地下环境的恶化，使地铁内部的空气环境达到规定的标准。在地铁正常运行时，能够为乘客在地下车站内创造一个往返于地面至地铁列车内的过渡性舒适环境。 当列车阻塞在区间隧道内时，通风空调系统向阻塞区间提供一定的送、排风量，保证列车空调冷凝器的正常运行，以维持列车内乘客能接受的环境条件。当地下车站或区间隧道内发生火灾事故时，根据火灾发生的具体位置情况，通风空调系统具备有效排烟功能，为乘客安全撤离事故现场和消防人员灭火创造条件。二、地铁环境模拟计算及软件介绍1、采用计算机模拟计算的必要性由于地铁环境的复杂性和重要性，使得地铁通风空调系统在地铁设计中占有十分重要的地位。由于传统的计算方法难以准确描述地铁环境的特点并进行计算，因此，地铁通风空调系统的计算必须采用计算机辅助模拟计算的方式来进行。通风空调系统的计算机模拟计算，是选择通风空调系统方案、确定通风空调系统设备容量的重要手段，充分的模拟计算是通风空调系统设计工作中至关重要的一环。2、模拟计算软件的应用目前，国际上比较认可的、质量较高的地铁环境模拟软件，是美国有关部门组织开发的SES（Subway Environmental Simulation）软件，目前已经升级到第四代。SES软件是国际通用的成熟软件，被世界各地的地铁环境控制领域广泛加以应用，也被世界各地的环境控制设计及咨询行业所认可，计算结果已经成功应用于世界各地的地铁系统中。如美国纽约地铁、新加坡地铁、香港地铁、广州地铁等。笔者所在的设计院长期从事地下铁道的设计工作，并有幸在工作中接触到SES模拟软件的两个版本，1972年开发的第一版与1998年开发的第四版。第一版是纯DOS版本，只能在单一的DOS操作系统下编译、运行，笔者先后参与完成了地铁环控通风、地铁蓄热及地铁事故等课题的模拟计算与分析研究，并成功地将模拟软件应用到WINDOWS视窗操作平台上。第四版的SES模拟计算软件，功能十分强大，能够进行地铁正常运行、阻塞及火灾事故等工况下的模拟计算，能够比较准确地得出各种运行工况的风机参数选择，能够比较真实地反映出地铁列车的发热量数据及地铁热环境状况，尤其是对地铁事故工况的计算和分析功能独具特色。这是一个完全适用于WINDOWS操作系统的友好界面环境，输入的过程比较人性化，但由于软件是纯英文界面，使用的单位也是英制单位，需要去转换成国际单位；而且计算结果的输出形式，仍然采用了传统的文本文件输出形式，因而对于结果的提取与分析，还需要大量的人工工作量才能完成。3、模拟计算软件的组成地铁环境模拟计算软件主要由以下几个部分组成：输入部分、计算部分及输出部分，其中计算部分又包含以下几个相互关联的计算子程序：列车运行子程序、空气动力计算子程序、温/湿度计算子程序，以及蓄热计算子程序等。各部分的内容和作用可以顾名思义。输入子程序中包括地铁隧道及车站等参数、列车性能参数、空气动力参数、温湿度标准参数等，输入子程序是环控设计人员与计算软件交流的平台，是体现设计思想的窗口；当程序自动检测完输入子程序中所有的录入数据后，分别可由列车运行子程序计算出列车散热量及所处位置等，由空气动力子程序计算出地铁内各处的气流速度与通风量等，由温湿度子程序计算出地铁内各处的温湿度数据等，由蓄热计算子程序计算地铁墙面的热传导等数据；最后，所有的计算结果将会根据需要汇集到输出文件当中，提供给设计人员来分析、判断计算结果的准确性，并据此进行各种环控方案的比较。SES软件的计算流程图如下：输入部分系统数据列车性能参数空气动力参数温/湿度参数各区段的长度、断面面积与周长，通风井位置、长度、断面面积与周长，以及程序控制参数等。线路坡度、曲率、限速，列车物理特性参数，以及列车运行参数等。各区段和通风井的阻力系数，风机位置、性能曲线及风机运行设置等。各区段的热源、湿源等热力参数。 计算部分蓄热模拟子程序列车性能子程序对应每一个模拟区段，计算隧道结构、地铁周围土壤及地铁墙面的热传导等地铁蓄热情况。对应系统中按照发车及运行安排的每列车的运行，计算列车的位置、速度、加速度及列车发热量等数据。空气动力子程序温湿度子程序对应每一个模拟区段，计算其中的空气流速、空气流量等数据。对应每一个模拟区段，计算其中的空气温度、湿度等数据。输出部分根据输入程序中的输出设置要求，给出相应的指定时间间隔的空气动力参数及温湿度参数，给出地铁热负荷计算结果，并给出列车运行中的速度、位置等各项数据。4、模拟计算软件的功能根据模拟软件的计算流程图，可以看出软件的基本计算功能。可以由列车运行子程序决定模拟方案中连续时间内所有列车的速度、加速度、位置和散热量等，空气动力子程序利用这些列车数据，计算模拟区段内各个地铁车站、区间隧道及通风井等处的空气流速的连续变化值，同样，温/湿度子程序利用这些列车数据及空气流动数据，计算出地铁内各个部分的温度、湿度的连续变化值，然后，将空气动力子程序中计算出的空气流速返回到列车运行子程序中，以决定列车周围的空气流动状况。在蓄热计算子程序中，利用上述子程序中计算出来的热负荷值等热力学有关数据，计算地铁系统与隧道壁面及周围土壤之间的长期热量交换的关系。利用以上这些统一的计算过程，使设计人员有可能对地铁系统中各种动力现象之间的相互关系进行动态模拟和分析。5、模拟计算软件的作用SES模拟计算软件的主要作用是校核计算校核地铁环境设计标准及各项设定参数。地铁站厅、站台及区间隧道的设计温度，各类机械风机的风量、数量，各种机械或活塞风道、风井的尺寸、位置和数量等参数，需要提前在输入程序中给出一个起始的设定值，然后根据程序的计算结果进行校核。地铁正常运行工况下，对应不同的通风空调方案，可以设定不同的外界大气设计参数及地铁内部环境的设计参数，也可以设定不同的风道及风井的布置形式和启/闭方式，机械风机的风量数值，也可以设定为不同的参数。根据这些不同的系统方案和设置形式，逐个进行模拟计算，从而得出不同的输出结果文件。从输出结果中衡量一个通风空调系统效能的好坏，一是看他是否能够很好地达到设计标准，二是看他是否节省初投资和运行能耗。如果设定的温湿度标准比较适宜，设定的风机参数比较经济，设置的风道数量和断面比较合理，那么，所选择的通风空调方案就是一个比较好的方案。在地铁阻塞和火灾等事故工况下，通过设定与特定事故区间有关的事故风机的开启，对事故区间进行通风或排烟，可以得到事故区段中的风速、温度、压力等数据，通过对这些数据的分析和比较，考证事故工况的气流组织是否满足规范的要求，地铁事故风机的设置是否合理等。可以看出，SES模拟计算软件，基本上能够解决在设计中十分关心和需要明确的重要问题，并给出可信的答案，从而帮助选择和确定通风空调系统的设计方案。三、模拟计算程序简介1、前期准备 方案准备计算机软件是固定式的程序设置，只能在程序中假设好一定数量的模拟条件，等待使用人去套用、去分析。因此，应用软件的关键还是在于使用人的方法。在进行计算机模拟计算工作之前，应对通风空调系统的方案进行充足的准备和细致的考虑。当接触到一条新的地铁项目时，首先要确定当地的地理位置和气候条件，初步考虑是否采用空调、是否采用屏蔽门等，一定要把认为哪怕只是在理论上可行的方案，都归纳到一起，作为模拟计算的方案，参与计算、比较和论证。需要说明的是，由于地铁建设项目的特殊性，还应将地铁业主方面认为可行的其他方案（与设计单位不一致的方案），也作为比较方案之一，归纳到一起进行分析和比较。 基础资料的收集由于模拟计算工作需要的时间较长，而一般的设计周期又很紧张，因此，模拟计算工作一定要提前着手准备。模拟计算中需要收集的基础资料，主要包括：水文地质资料、气象资料、客流资料、行车资料、车辆资料、建筑资料、结构资料、站场资料、线路资料，以及车站及区间的各种设备发热量资料等等。在各个不同的设计阶段，由于设计的深度和计算的侧重点各不相同，模拟计算所需要的资料也是由浅入深。另外，还需要通风空调系统本身的一些基础资料，如外界大气通风或空调工况下的计算温度参数、地铁内部站厅、站台的设计温度参数、各种轴流风机的性能曲线，阻塞、火灾发生位置的设定、火灾源的燃烧值等等。收集到的基础资料，还应按照程序要求，整理出计算中需要的数据。如客流量数据要转换成车站的小时停留人数，地铁各区段的模拟划分及阻力系数计算，风机参数及开启时间的设置，等等。 计算模型的简化如何将庞大而复杂的地铁网络，用简洁实用的程序语言表述出来，是需要一些技巧的。首先要将地铁线路平、纵断面图，结合地铁车站、区间隧道的设置，以及区间渡线、存车线、折返线、联络线、出地面线等情况，简化成模拟计算所需要的模型。简化模型既要真实反映地铁网络的实际情况，又要去除其中的细碎之处。以某一地铁的模型建立过程举例，简化后的模型图与线路平面图相比，线路起讫点、区间渡线、存车线、联络通道等设置情况都有反映，但没有了曲线部分的变化，是把曲线部分的参数考虑到了相应的模拟区段中，因此比线路图简洁明了；另外，地下双层车站的站厅层在模型图中也没有反映出来，但是在节点图中要考虑通过楼梯口部和车站出入口处的气流交换。简化模型图见附图一。 编制节点图简化模型图完成后，就要将模型转化为节点图，并对节点图中的各部分加以编号，使之成为能够被程序识别的语言。这样就可以进入计算机软件的应用之中了。节点图是输入各项模拟参数的基础和依据，是程序计算的基石和纲目，也是对计算结果进行分析的有效工具。因此，节点图中各部分编号的定义和含义十分重要。节点中的编号，应该遵循的原则是按类编写、有序编写、便于查找、留有余地，另外，各项编号在程序中都有上限值，注意不要突破，否则程序无法识别。以上述地铁模型图为例编制节点图，需要进行编号的部分有：各种节点、模拟区段、风井风道、车站出入口及楼梯、迂回风道、联络通道等。为了便于查找各项编号所代表的含义，一般的做法是如下：每一条线路中的节点为一个编序单元、每一条线路中风井端部及出入口端部的节点为一个编序单元，每一条线路中的模拟区段为一个编序单元、每一条线路中的风井风道及楼扶梯和出入口通道为一个编序单元，所有的迂回风道和联络通道为一个编序单元，等等。节点示意图见附图二。 数据录入对应节点图中的各项编号，在前面准备好的基础资料中寻找相应的数据，并加以归类。打开计算机模拟计算软件，将相应的数据按照格式要求，录入到软件中，并注意所用数据的单位与程序中是否一致。对应于每一个不同的通风空调方案，都要将数据录入到不同的输入文件中。SES输入程序的几大组成部分及各部分的名称和含义见附表。2、模拟计算所有的软件中需要的数据，都按要求录入到程序中以后，首先要对程序进行调试，检测输入文件中是否存在错误。只有输入文件中的数据全部确认无误，才可进行正式运算。为了便于查找错误，程序完成自动检测之后，会生成一个错误报告文件，在文件中，程序会给出错误类型及错误、出现的地方，可以根据错误报告的提示，到输入文件中去检查，分析是什么原因导致的错误，并加以更正。对每一个不同的方案、每一个不同的输入文件，都需要逐个进行调试和计算。另外，阻塞工况及火灾工况的模拟计算，还需要引用正常工况的模拟计算结果。所以一般情况下，是在正常工况的环控方案基本确定之后，再进行阻塞、火灾工况的模拟。SES组成部分介绍 附表序号名称主要内容1General Date (基本资料)模拟基本情况说明，设计时间、列车性能选择、温湿度参数选择、允许输入错误选择，列车线路数、乘客数据等。2System Geometry（系统几何参数）线路及风井数量等。3Line Segment Date (线路分段参数)线路中各不同区段的断面参数、阻力系数、热源参数等。4Unsteady Heat Sources（非稳态热源）火灾事故时的发热量等热源参数。5Ventilation Shaft Date (风井参数)各通风竖井的断面参数、阻力系数、风机设置情况、风机运行安排等。6Nodes（节点参数）节点图中各种编号节点的空气动力学类型、热力学类型等数据。7Fan Description (风机参数)各种风机的性能参数。8Train Route Description（列车及线路参数）列车行车安排及线路长度、坡度、曲率半径等参数，以及车站设置情况、上车人数、列车停站时间等。9Train Date (列车参数)列车编组情况、几何尺寸、物理特性、加速度及减速度等。10Train Initialization Date（列车初始参数）列车初始位置、初始停留时间、列车行驶线路编号等。11Environmental Contral Zones（环境控制区域）地铁车站空调区域设置等。12Print And Cycle Contral Date（打印及循环参数）输出文件设置等。13Program (Simulation) Control Date（模拟计算参数）模拟计算时间长度设置等。3、后期总结结果提取每一次模拟计算，都会自动生成一个输出结果文件，其中包括关心的风量、风速、温度、湿度等参数，将需要的数据从文件中筛选并提取出来。图表编制将提取的结果按照编号顺序放入相应的节点图中，就可以从节点图中得到一些连续的动态数据。另外，可以将重要的数据进一步绘制成更直观的表格或图形形式。数据分析有了详细的输出结果资料和相应的图表，就可以对不同的方案进行分析，比较地铁车站和区间各个部分的风量、温度等数据的区别，检测数据是否满足规范要求、是否达到了设计要求，从而得出不同方案的运行效果。4、确定方案对于每一个不同的、可行的方案，都有了直观的数据作为结论，可以对不同的设计思路进行对比和评估。从环控方案的整体思路上、从环控方案的节能效果上、从环控方案的经济评价上，等各方面，都需要作出全面的分析，并给出分析比较的结论。最后，就是选择和确定一个最合适的通风空调系统的模式。四、模拟计算软件的限制SES软