列車(chē)局部阻力系數(shù)的確定

1、2007年 CDAJChina 中國(guó)用戶(hù)論文集地鐵區(qū)間隧道事故工況下列車(chē)局部阻力系數(shù)的確定Determination of Local Drag Coefficients of subway trains in tunnel accident conditions劉磊 王奕然 祝嵐北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司LiuLei WangYiran ZhuLanBEIJING URBAN ENGINEERING DESIGN & RESEARCH INSTITUTE CO.,LTD.摘 要: 本文利用商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CD，對(duì)地鐵區(qū)間隧道的兩種事故工況即阻塞工況和火災(zāi)工況下的列

2、車(chē)周?chē)臍饬鞣植歼M(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)局部阻力產(chǎn)生的原因和定義，核算出兩種工況下的列車(chē)局部阻力系數(shù)。關(guān)鍵詞: 局部阻力系數(shù)、阻塞、火災(zāi)、CFD、STAR-CDAbstract: In this paper, by the commercial CFD software STAR-CD, we simulate the air current distribution around subway trains in the tunnel conditions of jam and fire accidents, and calculate the trains local drag coeffici

3、ents in both conditions according to analysis on the definition of local drag and the reason of its generation.Key words: local drag coefficient , jam, fire, CFD, STAR-CD1 前言隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加速，城市人口密度越來(lái)越大，城市公共交通承受的壓力也隨之加大，軌道交通成為了解決大城市公共交通的重要手段。作為重要的地鐵設(shè)備系統(tǒng)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)除了要滿(mǎn)足地鐵內(nèi)部正常的溫濕度等舒適性要求外，各種事故工況下的應(yīng)急通風(fēng)也是重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

4、地鐵區(qū)間隧道的事故通風(fēng)工況包括以下兩種：列車(chē)阻塞工況和火災(zāi)運(yùn)行工況。當(dāng)列車(chē)阻塞在區(qū)間隧道時(shí)，需要向阻塞區(qū)間提供一定的通風(fēng)量，保證列車(chē)空調(diào)等設(shè)備正常工作，維持車(chē)2007年 CDAJChina 中國(guó)用戶(hù)論文集廂內(nèi)乘客在短時(shí)間內(nèi)能接受的環(huán)境條件；當(dāng)列車(chē)在區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)事故且失去動(dòng)力停在隧道內(nèi)時(shí)，需提供迅速有效的排煙手段，為乘客和消防人員提供足夠的新鮮空氣，并形成一定的迎面風(fēng)速，引導(dǎo)乘客安全迅速地撤離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。其中阻塞工況指列車(chē)因車(chē)輛故障或延誤等導(dǎo)致列車(chē)阻塞于車(chē)站或區(qū)間，此時(shí)列車(chē)空調(diào)冷凝器發(fā)熱量會(huì)不斷散發(fā)到隧道中去，由于列車(chē)停止運(yùn)行，隧道內(nèi)沒(méi)有活塞風(fēng)，從而使列車(chē)周?chē)諝鉁囟妊杆偕?，?dāng)列車(chē)周?chē)諝鉁?/p>

5、度高于40，列車(chē)空調(diào)冷凝器將停止工作，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，列車(chē)內(nèi)溫、濕度環(huán)境會(huì)使乘客難以忍受。因此在阻塞工況期間，通風(fēng)的主要目的是通過(guò)機(jī)械通風(fēng)，對(duì)隧道進(jìn)行冷卻， 維持列車(chē)空調(diào)裝置連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)以保證乘客的舒適。目前，對(duì)于地鐵區(qū)間隧道通風(fēng)模式的設(shè)計(jì)一般采用網(wǎng)絡(luò)法與場(chǎng)模擬相結(jié)合的手段來(lái)輔助。網(wǎng)絡(luò)法模擬對(duì)各個(gè)支路的阻力數(shù)據(jù)很依賴(lài)，對(duì)于比較特殊的工況下阻力系數(shù)一般都是通過(guò)場(chǎng)模擬得到。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）技術(shù)也得到了長(zhǎng)足進(jìn)步，已成為地鐵通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)的重要工具。特別是事故工況下，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較難測(cè)定或者無(wú)法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，這時(shí)

6、CFD模擬計(jì)算有著非常大的優(yōu)勢(shì)，既能花費(fèi)較少的代價(jià)獲得所需數(shù)據(jù)，又能較全面的反應(yīng)真實(shí)情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的本質(zhì)。在地鐵發(fā)生阻塞時(shí)，列車(chē)散熱對(duì)周?chē)h(huán)境影響不大，一般不超過(guò)5060，而在列車(chē)火災(zāi)時(shí)列車(chē)散熱高達(dá)510MW，故在火災(zāi)時(shí)必須考慮熱浮生力的影響。本文借助計(jì)算流體（CFD）商用軟件STAR-CD確定了某一盾構(gòu)隧道區(qū)間內(nèi)阻塞和火災(zāi)時(shí)列車(chē)的局部阻力系數(shù)。2 計(jì)算原理2.1 局部阻力系數(shù)的定義在邊壁沿程急劇變化，流速分布急劇調(diào)整的局部區(qū)段上，集中產(chǎn)生的流動(dòng)阻力稱(chēng)為局部阻力，隨之產(chǎn)生的壓力損失稱(chēng)為局部損失，記為Pm。pm=v22 (1)式中為局部阻力系數(shù)（Local Drag Coefficient），v

7、為與對(duì)應(yīng)的斷面平均流速。2.2 CFD技術(shù)簡(jiǎn)介計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,簡(jiǎn)稱(chēng)CFD）是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種數(shù)值計(jì)算工具，用于求解流體流動(dòng)和傳熱問(wèn)題。1974年丹麥學(xué)者PV Nilsen 首次將CFD技術(shù)用于計(jì)算室內(nèi)空氣流動(dòng)，數(shù)值模擬技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于暖通空調(diào)（HVAC）工程領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)的模型2007年 CDAJChina 中國(guó)用戶(hù)論文集實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)流體的流動(dòng)和傳熱而言，CFD技術(shù)具有成本低、速度塊、資料完備等優(yōu)點(diǎn)，故逐漸受到人們的青睞，尤其是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，CFD已被廣泛用于解決工程中的實(shí)際問(wèn)題。2.3 求解方法由式(1)可

8、知，在指定流速下求解出局阻產(chǎn)生前后區(qū)域中的全壓差，就可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)流速的局部阻力系數(shù)。根據(jù)局阻產(chǎn)生的原因，應(yīng)選取局阻部件前后流動(dòng)平穩(wěn)，沒(méi)有漩渦的區(qū)域來(lái)計(jì)算全壓差。3 計(jì)算模型3.1 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。速度-壓力耦合采用SIMPLE算法，STAR-CD軟件自身采用有限體積法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）推導(dǎo)離散方程。在計(jì)算火災(zāi)工況時(shí)，計(jì)算能量方程，考慮空氣浮升力的影響。描述空氣運(yùn)動(dòng)過(guò)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(mǎn)足如下形式的通用方程1：()+txi其中、u=S （i=1,2,3）

9、 （2） ixi和S分別表示通用變量、廣義擴(kuò)散系數(shù)和廣義源項(xiàng)。所有控制方程的、和S見(jiàn)表1。表1 場(chǎng)模型的控制方程連續(xù)性方程 x方向動(dòng)量方程1 uSeff eff eff effhp+xxiuieff+gx(ref)xy方向動(dòng)量方程 vp+yxip+zxiuieff+gy(ref)yuieff+gz(ref)zz方向動(dòng)量方程 w能量方程 h2007年 CDAJChina 中國(guó)用戶(hù)論文集湍能方程 k eff keff Gk+Gb 湍能耗散率方程 (Gk+Gb)C1C2keff=l+t t=CDk2/uiujgGk=0.5t Gb=t +xxyij23.2 物理模型平均分布在一節(jié)車(chē)廂上。模型如下：圖

10、1 計(jì)算模型示意圖模型中的網(wǎng)格采用多面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，列車(chē)周?chē)捎诮Y(jié)構(gòu)變化會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的漩渦，因此加密附近的網(wǎng)格密度，網(wǎng)格總數(shù)約140萬(wàn)。網(wǎng)格密度經(jīng)過(guò)無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，可以滿(mǎn)足精度要求。隧道里的管線(xiàn)影響，可以在模擬時(shí)以提高壁面絕對(duì)粗糙度值的方法來(lái)處理，而且一般管線(xiàn)穿越區(qū)間隧道，對(duì)列車(chē)事故工況時(shí)的局部阻力影響很小，可以做簡(jiǎn)化處理。2007年 CDAJChina 中國(guó)用戶(hù)論文集其他邊界條件設(shè)置如下：(1) 簡(jiǎn)化壁面條件為絕熱壁面。阻塞工況時(shí)，不計(jì)算能量方程；火災(zāi)工況時(shí)，由于火災(zāi)強(qiáng)度很大，壁面的換熱可以忽略不計(jì)。(2) 區(qū)間隧道上游斷面設(shè)置為進(jìn)口型邊界，即給定速度值。速度為2m/s，為阻塞工況與火災(zāi)工況規(guī)范

11、要求的風(fēng)速下限臨界值。(3) 區(qū)間隧道下游斷面設(shè)置為出口型邊界，即給定壓力值，近似為大氣壓。簡(jiǎn)化為理想壁面，按軟件默認(rèn)值給定。 2。列車(chē)外輪廓按照實(shí)際情況建模，因此列車(chē)表面4 模擬結(jié)果模擬結(jié)果截圖以火災(zāi)工況為例，阻塞工況的計(jì)算與之類(lèi)似。車(chē)頭處通過(guò)列車(chē)中心斷面的壓力等高圖（靜壓）如下：圖2 列車(chē)車(chē)頭縱剖面壓力等高云圖車(chē)頭處通過(guò)列車(chē)中心斷面的速度矢量圖如下：2007年 CDAJChina 中國(guó)用戶(hù)論文集圖3 列車(chē)車(chē)頭縱剖面速度矢量圖 車(chē)尾處通過(guò)列車(chē)中心斷面的壓力等高圖（靜壓）如下：圖4 列車(chē)車(chē)尾縱剖面壓力等高云圖2007年 CDAJChina 中國(guó)用戶(hù)論文集車(chē)尾處通過(guò)列車(chē)中心斷面的速度矢量圖如下：

12、圖5 列車(chē)車(chē)尾縱剖面速度矢量圖 列車(chē)阻塞橫斷面的壓力等高圖（靜壓）如下：2007年 CDAJChina 中國(guó)用戶(hù)論文集圖6 列車(chē)阻塞橫剖面壓力等高云圖 列車(chē)頭部俯視平面的速度矢量圖如下：圖7 列車(chē)車(chē)頭俯視平面速度矢量圖 列車(chē)尾部俯視平面的速度矢量圖如下：圖8 列車(chē)車(chē)尾俯視平面速度矢量圖2007年 CDAJChina 中國(guó)用戶(hù)論文集從計(jì)算結(jié)果可以看出，兩種事故工況下氣流經(jīng)過(guò)列車(chē)頭、尾部時(shí)產(chǎn)生了明顯漩渦，從而產(chǎn)生局部損失。在火災(zāi)工況下，車(chē)尾著火處由于空氣的浮升力作用，氣流非常紊亂，能量耗散明顯高于阻塞工況。詳見(jiàn)下表：阻塞工況 火災(zāi)工況注：斷面面積指標(biāo)準(zhǔn)斷面的面積，阻力系數(shù)也與此對(duì)應(yīng)。由于坡度產(chǎn)生了

13、垂直方向的高程差，受熱壓影響，此時(shí)沿程阻力損失比正常情況下的沿程阻力損失大，詳見(jiàn)下表：上游區(qū)間 下游區(qū)間沿程阻力損失差數(shù)注：斷面面積指標(biāo)準(zhǔn)斷面的面積，阻力系數(shù)也與此對(duì)應(yīng)?？梢园堰@部分沿程阻力損失差當(dāng)作正常情況下的局部阻力損失，根據(jù)局部阻力系數(shù)的定義核算出對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)。這樣在網(wǎng)絡(luò)法模擬計(jì)算時(shí)，可以在火災(zāi)工況時(shí)，方便地輸入阻力系數(shù)反映實(shí)際情況。應(yīng)當(dāng)指出的是，事故工況下列車(chē)阻力系數(shù)與區(qū)間隧道面積、列車(chē)類(lèi)型、阻塞比以及列車(chē)?？康南鄬?duì)位置有關(guān)，不同情況下的差異較大，另外火災(zāi)工況下的阻力系數(shù)還與火災(zāi)強(qiáng)度、區(qū)間隧道坡度、著火位置等有關(guān)。計(jì)算具體工程時(shí)應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況核算出所需阻力系數(shù)。5 小結(jié)利用CFD軟

14、件，可以解決許多與流體有關(guān)的問(wèn)題，并得到非常好的結(jié)果。但在工程設(shè)計(jì)中，問(wèn)題往往復(fù)雜而又重復(fù)，完全依靠CFD模擬代價(jià)較大。目前大多數(shù)地鐵項(xiàng)目中，都采用網(wǎng)絡(luò)法軟件（如SES、STESS等）與CFD軟件（star-CD等）相結(jié)合的方法指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算地鐵事故工況下通風(fēng)時(shí)，經(jīng)常遇到的難題就是列車(chē)局部阻力系數(shù)的確定，取值的結(jié)果直接影響區(qū)間通風(fēng)設(shè)計(jì)，進(jìn)而影響土建投資和應(yīng)急運(yùn)行策略。本文通過(guò)CFD計(jì)算，結(jié)合某地鐵工程實(shí)例，介紹了其邊界條件設(shè)置和物理模型簡(jiǎn)化的原則，分別得到了阻塞和火災(zāi)工況下列車(chē)周?chē)膲毫?、氣流分布，并給出了特定條件下的阻力系數(shù)值，通過(guò)對(duì)比火災(zāi)和正常工況下沿程阻力損失差，又核算出火災(zāi)帶來(lái)的沿程阻力附加值對(duì)2007年 CDAJChina 中國(guó)用戶(hù)論文集應(yīng)的值。在網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意輸入支路的斷面條件應(yīng)與CF