關(guān)于列車停站時(shí)段屏閉門滲透風(fēng)量的研究

1、關(guān)于列車停站時(shí)段屏閉門滲透風(fēng)量的研究李 亮，李曉鋒，朱穎心（清華大學(xué) 建筑學(xué)院建筑技術(shù)科學(xué)系 北京 100084）引 言隨著我國經(jīng)濟(jì)快速健康的發(fā)展，目前我國的地鐵建設(shè)也處在快速發(fā)展和不斷完善過程中。改善地鐵系統(tǒng)工程及配套設(shè)施，優(yōu)化地鐵候車環(huán)境，提高城市交通的水平，將是一種必然的要求和趨勢。屏蔽門(platform screen door簡稱psd)系統(tǒng)技術(shù)正是在這種環(huán)境下得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。當(dāng)列車停站，列車門和屏蔽門都開啟的短時(shí)間內(nèi)，車廂內(nèi)部、隧道和站臺之間會(huì)進(jìn)行熱質(zhì)交換。對車站而言，隧道內(nèi)熱空氣進(jìn)入站臺，將會(huì)增加站臺空調(diào)的余熱，從而造成站臺空調(diào)冷負(fù)荷的增加；若站臺內(nèi)的空調(diào)冷風(fēng)進(jìn)入隧道，則站

2、臺的新風(fēng)量需要考慮該部分的漏風(fēng)，于是增加了新風(fēng)負(fù)荷，同樣造成站臺空調(diào)冷負(fù)荷的增加。目前國內(nèi)外的一些工程顧問公司在該問題上采用的多為ses結(jié)合cfd軟件，即網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合場模型的方法進(jìn)行模擬計(jì)算1、2、3、4。但目前的相關(guān)研究文獻(xiàn)中都主要存在以下幾點(diǎn)不足之處：a. 用ses模擬時(shí)，對屏蔽門處局部阻力系數(shù)的確定缺少足夠的說明（僅憑經(jīng)驗(yàn)選?。. 都沒有考慮熱壓的作用。c. 都沒有分析乘客上下車對氣流的影響。本文將主要針對上述各影響因素，使用清華大學(xué)建筑學(xué)院建筑環(huán)境與設(shè)備研究所開發(fā)的地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件stess和商業(yè)cfd模擬軟件phoenics為模擬計(jì)算工具，按照非穩(wěn)態(tài)過程求解，以確定列車停站

3、期間屏蔽門處等效局部阻力系數(shù)。1 數(shù)學(xué)模型本文采用被廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)k-兩方程湍流模型進(jìn)行求解，浮升力模型采用非線性boussinesq方程。描述空氣運(yùn)動(dòng)過程的控制方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍能方程、湍能耗散率方程。上述方程均滿足如下形式的通用方程5：， （i=1,2,3）， （1）其中、和分別表示通用變量、廣義擴(kuò)散系數(shù)和廣義源項(xiàng)6。2 物理模型2.1 地鐵列車模型各參數(shù)的確定：根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范gb 50157-20037，采用a型車輛的參數(shù)，詳見下表，列車編組結(jié)構(gòu)采用全動(dòng)車編組。表1 各型車輛基本參數(shù)表（mm）列車型號計(jì)算車輛長度車輛最大寬度車輛高度車輛定距轉(zhuǎn)向架固定軸距地板面距走

4、行軌面高度a型22100300038001570025001130由于車內(nèi)平均微風(fēng)速較低（0.35 m s-1），故可忽略車門開啟時(shí)列車內(nèi)部氣流組織對屏蔽門滲透風(fēng)的影響，可將列車車廂內(nèi)部視為溫度均勻的空間。只需考慮空調(diào)機(jī)組對隧道內(nèi)的散熱。綜上所述，本文模擬計(jì)算中所采用的地鐵列車模型各參數(shù)確定如下：列車全長120 m，寬度3 m，高度3.8 m。每節(jié)車廂每側(cè)4個(gè)車門，車門寬度1.3 m，高度1.8 m。每節(jié)動(dòng)車設(shè)2個(gè)電阻箱，位于車輛底架下部。以本系教研組1996年赴上海地鐵測試結(jié)果為依據(jù)，并參考gb/t 12817-2004鐵道客車通用技術(shù)條件8，各參數(shù)取值如下：每個(gè)電阻箱長1.9 m，寬0.7

5、5 m，高0.6 m；電阻箱排風(fēng)口尺寸為608 mm×250 mm，風(fēng)口朝向地面，排風(fēng)量20 m3 min-1，排風(fēng)溫度100 ºc；各車閘瓦旁軸溫度55 ºc。每節(jié)車廂頂部兩端各設(shè)一臺空調(diào)冷凝器，冷凝器長3.0 m，寬2.0 m，高0.2 m。每臺散熱量取50 kw。列車車廂內(nèi)平均溫度為26 ºc；隧道內(nèi)平均溫度為35 ºc。2.2 車站模型各參數(shù)的確定：2.2.1 屏蔽門系統(tǒng)：屏蔽門功能門一般由固定門、活動(dòng)門、應(yīng)急門及備用門組成，其中活動(dòng)門在數(shù)量及位置上的設(shè)置應(yīng)與車輛門一一對應(yīng)，固定門位于兩對活動(dòng)門之間為不可開啟。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖1

6、屏蔽門單元布置示意圖2.2.2 關(guān)于車站空調(diào)系統(tǒng)：站臺處隧道內(nèi)排風(fēng)方式不盡相同，主要有以下幾種方式： （a）軌底排風(fēng) （b）軌頂排風(fēng)+軌底排風(fēng) （c）軌頂排風(fēng)+軌底送風(fēng) （d）軌頂送排風(fēng)+軌底排風(fēng)圖2 站臺處隧道內(nèi)主要排風(fēng)方式綜上，計(jì)算模型中車站相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：有效站臺長度140 m，寬16 m，安裝吊頂后高4.2 m。沿站臺方向設(shè)置三個(gè)出入口，每個(gè)出入口寬4 m。隧道寬3.85 m，高4.5 m。站臺每側(cè)設(shè)24個(gè)屏蔽門，每個(gè)屏蔽門凈開度為2.0 m，凈高度為2.15 m。計(jì)算模型中隧道排風(fēng)方式采用常用的軌頂排風(fēng)+軌底排風(fēng)。站臺位置單側(cè)隧道總排風(fēng)量為48 m3 s-1，其中軌頂排風(fēng)量占60，

7、軌底排風(fēng)量占40。沿隧道方向均勻設(shè)置18個(gè)軌底排風(fēng)風(fēng)口，排風(fēng)口尺寸為900 mm×300 mm，排風(fēng)口風(fēng)速為4.0 m s-1。沿隧道方向設(shè)置12個(gè)軌頂排風(fēng)風(fēng)口，每個(gè)風(fēng)口正對車廂頂部空調(diào)冷凝器，排風(fēng)口尺寸為600 mm×1000 mm，排風(fēng)口風(fēng)速為4.0 m s-1。站臺上下車單個(gè)乘客模型身高1.7 m，肩寬0.4 m，厚0.25 m。2.3物理模型簡化實(shí)際隧道及站臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及實(shí)際運(yùn)行情況較為復(fù)雜，在模擬中作如下幾點(diǎn)簡化：a. 按照屏蔽門系統(tǒng)理想運(yùn)行工況計(jì)算，即列車車門中心線與屏蔽門中心線對齊。b. 忽略乘客自身的發(fā)熱量。c. 忽略隧道區(qū)間軌道、枕木、電纜線等因素對空氣流

8、動(dòng)的影響。d. 列車車廂外形、列車?yán)淠?、電阻箱及轉(zhuǎn)向架外形近似為長方體。e. 忽略站臺內(nèi)結(jié)構(gòu)支柱、樓梯及設(shè)備裝置等對空氣流動(dòng)的影響。f. 忽略車廂內(nèi)和站臺內(nèi)空調(diào)送風(fēng)對空氣流動(dòng)的影響。i. 列車停站期間，始終保持每個(gè)車門并排有兩名乘客同時(shí)上下車的狀態(tài)，模型如下圖所示：圖3 phoenics模型中任一車門位置處上下車乘客位置關(guān)系圖（局部放大）簡化后，物理模型整體效果如圖4所示：圖4 phoenics模型整體效果圖場模型計(jì)算空間尺寸為140.0 m×5.2m×19.85 m。網(wǎng)格數(shù)為370×30×49，具體如圖5所示。圖5 模型網(wǎng)格劃分（y-z剖面）3 邊界

9、條件3.1 場模型與網(wǎng)絡(luò)模型接口處的邊界條件按照下述原則確定9：對于速度邊界條件有：當(dāng)氣流方向由場模型指向網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)， （=u, v, w, t, k, 等）， （2）當(dāng)氣流方向由網(wǎng)絡(luò)模型指向場模型時(shí)，邊界處各物理量均等于網(wǎng)絡(luò)模型的值。對于壓力邊界條件有：壓力邊界條件將網(wǎng)絡(luò)模型的壓力作為邊界處的壓力，壓力分布由下式給出： ， （3）其中分別為參考密度、參考壓力和參考溫度，分別為網(wǎng)絡(luò)模型的壓力和溫度，y為控制容積所在的位置。3.2 等效psd局部阻力系數(shù)的確定：stess網(wǎng)絡(luò)模型中車站站臺模型如圖6所示，模型中，選取晚高峰時(shí)段（17:00 a.m.18:00 a.m.）列車?？磕痴?0 s的時(shí)段

10、內(nèi)，當(dāng)?shù)刃sd支路局部阻力系數(shù)變化對上下游隧道平均風(fēng)量、平均壓力的影響如圖7所示。 圖6 stess中車站模型示意圖 圖7 車站上游支路平均流量與下游支路平均壓力隨等效psd支路局阻變化曲線計(jì)算結(jié)果中等效psd支路處氣流流動(dòng)方向始終由站臺流向隧道，由于隧道內(nèi)總機(jī)械排風(fēng)量一定，當(dāng)?shù)刃sd支路局部阻力系數(shù)增大時(shí)，則該支路處流量應(yīng)相應(yīng)減小，因此上游隧道流入本段隧道內(nèi)的流量則相應(yīng)增大，如圖14所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以計(jì)算出在上述各種情況下，其雷諾數(shù)皆滿足：， （4）即此處流動(dòng)處于阻力平方區(qū)，可以認(rèn)為屏蔽門處等效局阻只與其幾何形狀有關(guān)，而與流動(dòng)無關(guān)。以圖14計(jì)算結(jié)果為參考，在phoenics場模型中

11、，變化多組不同的邊界條件，按照（7）式進(jìn)行計(jì)算：， （5）其中，等效psd支路局部阻力系數(shù)pin_q 站臺出入口處全壓值，papex_q 隧道機(jī)械排風(fēng)機(jī)排風(fēng)口全壓值，pa 空氣密度，kg m-3vin 站臺出入口平均風(fēng)速，m s-1將計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示：表2 不同組邊界條件下等效psd支路局部阻力系數(shù)phoenics計(jì)算結(jié)果邊界條件等效psd支路局部阻力系數(shù)上游流量m3 s-1下游壓力pa23.54-13.8624.925.83-16.6825.027.79-19.2325.029.49-21.5625.2可見在上述邊界條件下，等效psd支路局部阻力系數(shù)皆在24.9-25.2的小范圍內(nèi)變化

12、，可視之為計(jì)算誤差，最終將屏蔽門處等效局部阻力系數(shù)確定為25.0。3.3 場模型邊界條件的確定：根據(jù)phoenics計(jì)算結(jié)果將stess模型中等效psd支路局部阻力系數(shù)取為25.0，計(jì)算晚高峰時(shí)段內(nèi)（17:00 a.m.18:00 a.m.）列車?？磕痴?0 s的時(shí)段內(nèi)，車站上游隧道空氣流量和下游隧道壓力值逐時(shí)變化，如圖15所示，由此確定網(wǎng)絡(luò)模型與場模型接口處邊界條件如下：上游隧道入口流量（m3 s-1）：， （6）上游隧道來流溫度。下游隧道出口壓力（pa）：， （7）其中：（pa）， 。4 模擬計(jì)算結(jié)果與分析4.1 phoenics場模型計(jì)算結(jié)果流場計(jì)算結(jié)果表明，列車停站期間，位于列車頭部及

13、中部區(qū)域內(nèi)，氣流流動(dòng)變化較為平緩，且氣流方向皆由站臺流向隧道；位于列車中后部及尾部區(qū)域內(nèi)的屏蔽門在列車停站的前半段時(shí)間內(nèi)，由于列車活塞風(fēng)的慣性推動(dòng)作用以及熱壓作用，氣流流動(dòng)方向從隧道流向站臺，后半段時(shí)間內(nèi)則由站臺流向隧道。4.2 風(fēng)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果列車停站期間各屏蔽門逐時(shí)漏風(fēng)量如圖8所示。由曲線圖可以看出，處于列車尾部范圍（列車的后1/4）的屏蔽門在列車停站期間的前半段時(shí)間內(nèi)，由于列車活塞風(fēng)的慣性推動(dòng)作用，空氣由隧道內(nèi)流向站臺。隨著慣性推動(dòng)作用逐漸衰退以及隧道內(nèi)排風(fēng)機(jī)的抽吸作用，通過屏蔽門從隧道流向站臺的氣流量總體隨時(shí)間呈逐漸減小的趨勢。當(dāng)列車停站時(shí)間達(dá)到約12 s左右時(shí)，氣流方向發(fā)生改變，之后各屏

14、蔽門處空氣皆由站臺流入隧道。而位于列車前部及中部區(qū)域的屏蔽門，其空氣流動(dòng)方向始終由站臺流入隧道。列車停站約5 s以后，該范圍內(nèi)屏蔽門的漏風(fēng)量便趨于穩(wěn)定，并且由車頭向車尾方向漏風(fēng)量逐漸減小。圖8 列車停站期間各屏蔽門漏風(fēng)量逐時(shí)變化曲線（phoenics計(jì)算結(jié)果）列車停站期間各屏蔽門累計(jì)漏風(fēng)量統(tǒng)計(jì)如圖9所示。由柱狀圖可以看出處于列車尾部范圍的屏蔽門兩個(gè)方向的漏風(fēng)量基本相當(dāng)，并且總量都不大。列車頭部位置各屏蔽門整體漏風(fēng)量相對較大，且比較平均。列車中部位置各屏蔽門的漏風(fēng)量則按照由車頭至車尾的方向逐漸減小。流入站臺流入隧道圖9 停車時(shí)段各屏蔽門累計(jì)漏風(fēng)量比較4.3 stess網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算結(jié)果網(wǎng)絡(luò)模型中選

15、取晚高峰時(shí)段（17:00 a.m.18:00 a.m.）列車停靠某站20 s期間內(nèi)，等效psd支路局部阻力系數(shù)取25，站臺單側(cè)隧道總排風(fēng)量為48 m3 s-1，列車長度、斷面與濕周，隧道斷面與濕周與phoenics模型中對應(yīng)參數(shù)相互一致。計(jì)算結(jié)果詳見圖10。圖10 場模型與網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算結(jié)果比較4.4 phoenics場模型與stess網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算結(jié)果比較如圖10所示為phoenics場模型與stess網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算結(jié)果差異比較。從曲線圖上可以看出，由于在stess模型中將24個(gè)屏蔽門等效為1個(gè)，所以無法同時(shí)計(jì)算出兩個(gè)方向上的流動(dòng)，只有從站臺往隧道一個(gè)方向的流動(dòng)，但其在數(shù)值上與phoenics場模

16、型相比，計(jì)算結(jié)果的變化趨勢相同，并且數(shù)值基本相符，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果可參見表3。根據(jù)phoenics模型計(jì)算結(jié)果，列車停站期間，流入站臺的空氣總量約占流入隧道空氣總量的7。對于流入隧道的空氣總量，stess與phoenics計(jì)算結(jié)果的差異不到2。表3 網(wǎng)絡(luò)模型與場模型計(jì)算結(jié)果差異比較停站期間總流量（m3）停站期間平均流量（m3 s-1）stess（ = 25.0）網(wǎng)絡(luò)模型流入隧道558.227.9流入站臺00phoenics場模型流入隧道548.027.4流入站臺 38.1 1.94.5 分析與小結(jié)綜上，場模型與網(wǎng)絡(luò)模型在計(jì)算屏蔽門兩側(cè)漏風(fēng)量的結(jié)果上差異并不明顯，對于由站臺流入隧道的空氣總量，ste

17、ss與phoenics計(jì)算結(jié)果的差異不超過3。雖然stess無法計(jì)算出反向流量（從隧道流入站臺），但從phoenics的計(jì)算結(jié)果表明，這部分流量相對只占站臺流入隧道總流量的不到7。在網(wǎng)絡(luò)模型（stess）計(jì)算中，該問題的關(guān)鍵為等效psd的局部阻力系數(shù)的確定。在前文3.2節(jié)中已經(jīng)論證此參數(shù)只與車站幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)，所以只需在場模型（phoenics）建模過程中計(jì)算出對應(yīng)的等效局部阻力系數(shù)后直接代入網(wǎng)絡(luò)模型中計(jì)算即可，而無需再在場模型與網(wǎng)絡(luò)模型之間進(jìn)行反復(fù)的迭代計(jì)算。5 結(jié)論與總結(jié)按照上述方法計(jì)算的場模型與網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算結(jié)果差異很小，網(wǎng)絡(luò)模型(stess)中無法計(jì)算出的實(shí)際情況中從隧道流入站臺的流量所

18、占比例很小，在實(shí)際工程計(jì)算中只需作適當(dāng)修正即可。說明本文中所描述的車站模型中屏蔽門處等效局部阻力系數(shù)確定為25.0的計(jì)算值以及該計(jì)算方法是合理的、可靠的。上述計(jì)算結(jié)果同時(shí)表明在求解此類問題時(shí)，這種用場模型計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)，然后代入網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行計(jì)算的方法具有一定的普適性?？梢员苊饣驕p少在場模型與網(wǎng)絡(luò)模型之間所進(jìn)行的大量繁復(fù)的迭代計(jì)算。因此，在類似的實(shí)際工程應(yīng)用中，大多數(shù)情況下用網(wǎng)絡(luò)模型（stess）即可完成對列車停站期間屏蔽門滲透風(fēng)量的定量分析。網(wǎng)絡(luò)模型具有建模簡單（一維模型），對計(jì)算機(jī)硬件要求低，計(jì)算時(shí)間短（一般配置水平的計(jì)算機(jī)只需幾十秒鐘即可完成相關(guān)計(jì)算，而應(yīng)用cfd軟件進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)容的計(jì)算則需要

19、幾十甚至上百個(gè)小時(shí)），數(shù)據(jù)后處理方便迅速等優(yōu)勢，這些都是cfd軟件無法與之相比的，其計(jì)算結(jié)果又完全可以滿足工程上的精度要求。即便遇到結(jié)構(gòu)比較特殊的站臺，或列車編組情況、隧道排風(fēng)方式發(fā)生改變時(shí)，也只需在場模型（phoenics）建模過程中根據(jù)實(shí)際情況，合理簡化，計(jì)算出對應(yīng)的等效局部阻力系數(shù)，然后直接代入網(wǎng)絡(luò)模型中計(jì)算即可，而無需再在場模型與網(wǎng)絡(luò)模型之間進(jìn)行反復(fù)的迭代計(jì)算。參考文獻(xiàn)（references）1 don willemann, j.greg sanchez, computer modeling techniques and analysis used in design of tunne

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