072 無屏蔽門活塞風(fēng)控制方案優(yōu)化分析

1、無屏蔽門地鐵車站活塞風(fēng)控制方案優(yōu)化分析李翠1 張培紅2童勁松3 蓋群31.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200029 2. 沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110168 3.浙江梅霖設(shè)備安裝有限公司，浙江 杭州 311200摘 要：地鐵活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)熱環(huán)境造成很大的影響，無屏蔽門地鐵車站可利用冷卻阻尼風(fēng)可以阻擋活塞風(fēng)進(jìn)入站臺(tái)，緩和活塞風(fēng)對(duì)前方站臺(tái)的熱侵入。利用橫流射流理論知識(shí)，分析冷卻阻尼風(fēng)對(duì)活塞風(fēng)控制原理。為了合理利用冷卻組尼風(fēng)有效控制活塞風(fēng)，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬的方法，模擬計(jì)算垂直90°和傾斜45°兩種冷卻阻尼風(fēng)送風(fēng)角度及在冷卻阻尼風(fēng)噴口下加0.5m長(zhǎng)管段對(duì)活

2、塞風(fēng)的控制。分析不同模擬方案下站臺(tái)上速度分布和溫度分布，以判斷活塞風(fēng)控制效果。通過了大量的模擬得出了可有效控制活塞風(fēng)的冷卻組尼風(fēng)噴口送風(fēng)形式，在冷卻組尼風(fēng)噴口下加0.5m長(zhǎng)斜管45°射流可以大大改善對(duì)活塞風(fēng)的變控制。合理利用冷卻阻尼風(fēng)對(duì)于節(jié)約能源具有重要意義。關(guān)鍵詞：地鐵 活塞風(fēng) 冷卻阻尼風(fēng) 射流0 前言地鐵列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的活塞風(fēng)對(duì)前方車站站臺(tái)層的熱環(huán)境造成很大的影響1.活塞風(fēng)速度大小與隧道、通過車站的阻力、通風(fēng)井、列車速度以及空氣與列車速度之比有關(guān)在閉式系統(tǒng)中，常采用在車站兩端上下行隧道之間設(shè)置迂回風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式，以減少活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)熱環(huán)境影響的目的但由于車站端頭的各種設(shè)備，使得迂回

3、風(fēng)道與車站端頭間的距離受到限制，因此設(shè)置迂回風(fēng)道對(duì)于活塞風(fēng)的泄壓效果不明顯2.屏蔽門系統(tǒng)具有安全、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)但屏蔽門系統(tǒng)投資大，安裝后還會(huì)增加維修費(fèi)用3，使得屏蔽門系統(tǒng)不能普遍使用如香港地鐵公司在它的30個(gè)車站的總投資達(dá)到20億港元，這也是國(guó)內(nèi)許多城市在地鐵建設(shè)中為了節(jié)約成本而不得不放棄采用屏蔽門系統(tǒng)的主要原因。在站臺(tái)層與列車進(jìn)站端隧道頂板的交匯處設(shè)置噴口向下噴射空調(diào)冷風(fēng)以阻擋活塞風(fēng)進(jìn)入站臺(tái)，噴射的空調(diào)冷風(fēng)為冷卻阻尼風(fēng)。冷卻阻尼風(fēng)在區(qū)間隧道和站臺(tái)層之間形成一道屏障，在活塞風(fēng)進(jìn)入站臺(tái)層之前通過垂直向下送入空調(diào)冷風(fēng)2，以降低活塞風(fēng)的溫度，從而有效地控制活塞風(fēng)對(duì)車站公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷的影響。冷卻阻

4、尼風(fēng)不僅需要消耗空調(diào)系統(tǒng)大量的冷量，而且要通過風(fēng)機(jī)使冷卻阻尼風(fēng)具備一定的動(dòng)量以阻擋活塞風(fēng)直接進(jìn)入站臺(tái)層。目前冷卻阻尼風(fēng)的應(yīng)用還存在一些問題需要進(jìn)一步研究。本文以沈陽地鐵為例，研究有效控制活塞風(fēng)的最佳冷卻阻尼風(fēng)噴口送風(fēng)方案。通過模擬計(jì)算，分析不同噴口形式、不同送風(fēng)角度對(duì)活塞風(fēng)的控制的影響。文獻(xiàn)4中研究了冷卻阻尼風(fēng)噴口高度對(duì)活塞風(fēng)控制的影響。1 理論基礎(chǔ)1.1 理論基礎(chǔ)橫流射流理論的應(yīng)用，當(dāng)射流射入主氣流中，射流進(jìn)入主氣流后，即與主氣流發(fā)生動(dòng)量交換.當(dāng)射流射入主氣流一定深度后，逐漸被主氣流壓迫而轉(zhuǎn)向，最后被主氣流同化。實(shí)驗(yàn)表明，射流進(jìn)入主氣流基金項(xiàng)目：建設(shè)部研究開發(fā)項(xiàng)目（2008-k5-7）后，隨

5、著射流軌跡向前發(fā)展，軸心速度不斷降低，并逐漸轉(zhuǎn)向，最后趨于與主氣流同向，并且射流與主氣流速度比值越大，則射流軸心速度下降的越快氣流溫度差別的影響體現(xiàn)在氣流密度差別的影響上，射流速度與主氣流速度相同的冷射流由于其密度大，單位質(zhì)量的動(dòng)量相應(yīng)也大，故冷射流穿透深度比熱射流大伊萬諾夫由試驗(yàn)得到下述射流軌跡方程，這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，其中體現(xiàn)了速度比、溫度比及射流入射角的影響5(1)式中水平距離(m)；垂直距離(m)；射流噴嘴直徑(m)；入射角公式使用范圍為：=60°120°1.2 平面勢(shì)流疊加原理計(jì)算模擬中冷卻阻尼風(fēng)和活塞風(fēng)被簡(jiǎn)化成兩種不可壓縮的理想流體6，冷卻阻尼風(fēng)對(duì)活塞風(fēng)混合發(fā)生勢(shì)

6、流疊加，將活塞風(fēng)流場(chǎng)、冷卻阻尼風(fēng)流場(chǎng) 進(jìn)行疊加以X-Z平面為例：XZ 圖1 冷卻阻尼風(fēng)對(duì)活塞風(fēng)阻擋原理圖橫流： （2） (3) (4) (5)式中 -對(duì)熱壓的影響系數(shù)；-室外空氣密度，kg/m3；-活塞風(fēng)密度，kg/m3；-隧道長(zhǎng)度，m;-動(dòng)靜壓轉(zhuǎn)換系數(shù)射流： (6)式中 -射流出口速度，m/s;b-冷卻阻尼風(fēng)口寬度，m;-紊流系數(shù)；-射流軸線與軸夾角 （7）2 物理模型及邊界條件2.1計(jì)算模型以沈陽某地鐵車站為研究對(duì)象，該地鐵車站隧道通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)包括冷卻阻尼風(fēng)送風(fēng)、站臺(tái)軌頂排風(fēng)以及站臺(tái)下軌底排風(fēng)建立三維地鐵車站模型，以冷卻阻尼風(fēng)口中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)（X為橫向，Y為縱向），計(jì)算模擬單列車進(jìn)站工況，

7、計(jì)算區(qū)域的選取沒有考慮對(duì)面隧道，計(jì)算區(qū)域平面圖如圖2所示有效站臺(tái)尺寸為110m×12m×3.5m，隧道斷面尺寸為4.4m×5.4m，冷卻阻尼風(fēng)口尺寸為1m×3.6m，噴口高度5.4m，風(fēng)口位于距站臺(tái)25m處隧道的頂端圖2 計(jì)算區(qū)域平面結(jié)構(gòu)圖形地鐵車站的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，經(jīng)過一定的簡(jiǎn)化建立三維地鐵車站的幾何模型，利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)，由于站臺(tái)送、排風(fēng)口尺寸遠(yuǎn)小于有效站臺(tái)尺寸，在進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分時(shí)，站臺(tái)總體網(wǎng)格尺寸為0.5×0.5，并對(duì)送、排風(fēng)口進(jìn)行局部細(xì)化，網(wǎng)格尺寸為0.2×0.2，站臺(tái)進(jìn)出口樓梯的網(wǎng)格尺寸為0.3×0.3

8、.計(jì)算模擬的風(fēng)口形式如圖3所示。 A 無加管 B加管垂直90°射流 C 加管傾斜45°射流 圖3不同噴口形式的示意圖2.2邊界條件冷卻阻尼風(fēng)對(duì)活塞風(fēng)的控制原理是基于橫流中的紊動(dòng)射流模擬計(jì)算中的速度進(jìn)口邊界條件與速度出口邊界條件的設(shè)定與橫流中紊動(dòng)射流相似，如文獻(xiàn)7所述，地鐵隧道冷卻阻尼風(fēng)噴口安裝高度5.4m，在冷卻阻尼風(fēng)噴口下加設(shè)0.5m長(zhǎng)的噴口對(duì)活塞風(fēng)控制效果的影響。冷卻阻尼風(fēng)送風(fēng)角度分別為垂直90°和傾斜45°射流計(jì)算模擬時(shí)冷卻阻尼風(fēng)送風(fēng)溫度均為19，冷卻阻尼風(fēng)的出流速度7.5m/s，動(dòng)態(tài)模擬活塞風(fēng)，列車進(jìn)站端隧道斷面活塞風(fēng)速度變化曲線如圖4所示8 只

9、開啟軌底排風(fēng)，排風(fēng)口的速度為2m/s圖4 進(jìn)站端活塞風(fēng)速度隨時(shí)間變化曲線3.計(jì)算模擬結(jié)果分析3.1模擬工況論文以列車進(jìn)站端的一半站臺(tái)為主要分析對(duì)象，計(jì)算模擬單列車進(jìn)站過程中冷卻阻尼風(fēng)對(duì)活塞風(fēng)的控制，選取乘客候車比較集中及列車進(jìn)站過程中對(duì)站臺(tái)影響比較大的區(qū)域，分析其對(duì)站臺(tái)的熱舒適性的影響采用Fluent軟件計(jì)算模擬不同工況下對(duì)活塞風(fēng)的控制的影響，模擬時(shí)間為120s，冷卻阻尼風(fēng)送風(fēng)溫度均為19，活塞風(fēng)溫度為35，冷卻阻尼風(fēng)的出流速度為7.5m/s.在其他邊界條件一定時(shí)，冷卻阻尼風(fēng)的送風(fēng)角度分別為垂直90°和傾斜45°，冷卻阻尼風(fēng)噴口加設(shè)了0.5m的長(zhǎng)管段，各工況的具體說明如表1

10、所示.表1 計(jì)算模擬工況具體說明模擬工況無加管90°射流45°射流加管0.5m一二三四 ××××××××3.2冷卻阻尼風(fēng)送風(fēng)角度對(duì)活塞風(fēng)控制的影響在冷卻阻尼風(fēng)應(yīng)用中，以垂直向下送入的冷卻阻尼風(fēng)阻擋橫向活塞風(fēng)來流時(shí)，兩股氣流混合后向站臺(tái)側(cè)有較大的偏斜，為了加強(qiáng)冷去阻尼風(fēng)的阻擋力，根據(jù)勢(shì)流疊加原理，在送風(fēng)速度不變情況下，改變冷卻阻尼風(fēng)的送風(fēng)角度為與橫向來流成反向45°角，計(jì)算模擬工況一和工況二兩種情況下對(duì)活塞風(fēng)的控制效果。 送風(fēng)角度對(duì)站臺(tái)速度場(chǎng)的影響計(jì)算模擬80s時(shí)，兩股氣流匯合后相互混合

11、達(dá)到最大，對(duì)站臺(tái)的舒適性影響最大在兩種工況下，垂直90°和傾斜45°射流時(shí)，站臺(tái)上距列車進(jìn)站端25m處縱剖面的速度場(chǎng)如圖5和6所示。圖6工況二距站臺(tái)25m處縱向剖面速度場(chǎng)圖5 工況一距站臺(tái)端25m處縱向剖面速度場(chǎng)站臺(tái)上距隧邊緣0.8m處的縱剖面上的速度場(chǎng)如圖7和圖8所示。由圖可知改變送風(fēng)角度為傾斜45°射流時(shí)，站臺(tái)速度場(chǎng)小于垂直90°射流，站臺(tái)上的速度場(chǎng)得到了改善。圖8 工況二距站臺(tái)隧道邊0.8m橫向剖面的速度場(chǎng)圖7 工況一距站臺(tái)隧道邊0.8m橫向剖面的速度場(chǎng) 送風(fēng)角度對(duì)站臺(tái)溫度場(chǎng)的影響工況一和工況二下，距站臺(tái)高度1.7m處的溫度場(chǎng)如圖9和圖10 所示。

12、由圖可知，工況二下距列車進(jìn)站端處的一半站臺(tái)上的溫度場(chǎng)變比較均勻，相對(duì)列車進(jìn)站的一端高溫區(qū)域較少。圖10工況二站臺(tái)1.7m高處的溫度場(chǎng)圖9 工況一站臺(tái)1.7m高處的溫度場(chǎng)通過以上模擬結(jié)果的分析可知，改變冷卻阻尼風(fēng)的送風(fēng)角度可以改善對(duì)活塞風(fēng)的控制。工況二下傾斜45°射流時(shí)，站臺(tái)上的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)得到了提到，熱舒適性較好。3.3 冷卻阻尼風(fēng)噴口下加管對(duì)活塞風(fēng)控制的影響為進(jìn)一步改善冷卻阻尼風(fēng)對(duì)活塞風(fēng)的控制效果，減少隧道底部冷卻阻尼風(fēng)射流速度的衰減，噴口高度為5.4m時(shí)，垂直90°射流時(shí)，在噴口下加設(shè)0.5m長(zhǎng)直管段，傾斜45°射流時(shí)在噴口下加設(shè)0.5m長(zhǎng)斜管段。其他邊界條

13、件不變，計(jì)算模擬工況三和工況四下冷卻阻尼風(fēng)對(duì)活塞風(fēng)控制的影響。 噴口加管對(duì)站臺(tái)速度場(chǎng)的影響在兩種工況下，分析控制后的混合氣流對(duì)站臺(tái)速度場(chǎng)的影響，站臺(tái)上距列車進(jìn)站端25m處縱剖面的速度場(chǎng)如圖11和圖12 所示。圖12 工況四距站臺(tái)25m縱向剖面的速度場(chǎng)圖11 工況三距站臺(tái)25m縱向剖面的速度場(chǎng)站臺(tái)上距隧邊緣0.8m處的縱剖面上的速度場(chǎng)如圖13和圖14所示。由圖可知，在冷卻阻尼風(fēng)噴口下加0.5m，站臺(tái)隧道邊緣的高速區(qū)域減少，站臺(tái)上速度得到改善。圖13 工況三距站臺(tái)隧道0.8m橫向剖面的速度場(chǎng)圖14 工況四站臺(tái)隧道0.8m橫向剖面的速度場(chǎng)圖14 加管傾斜45°射流站臺(tái)AC剖面的速度場(chǎng) 噴口

14、加管對(duì)站臺(tái)溫度場(chǎng)的影響工況三和工況四況下，距站臺(tái)高度0.5m處的溫度場(chǎng)如圖15和圖16 所示。由圖可知，工況四下列車進(jìn)站端溫度較低，相對(duì)列車進(jìn)站端處的一半站臺(tái)上的高溫度區(qū)域較少。圖15 工況三站臺(tái)0.5m高處的溫度場(chǎng) 圖16工況四站臺(tái)0.5m高處的溫度場(chǎng) 通過以上分析可知，在冷卻阻尼風(fēng)噴口下加0.5m長(zhǎng)管，工況四對(duì)活塞風(fēng)的控制效果要優(yōu)于工況三。4 結(jié)論控制活塞風(fēng)所用的冷卻阻尼風(fēng)是來自車站的空調(diào)送風(fēng)，并且要保證具有一定的冷量、動(dòng)量和風(fēng)量才能和活塞風(fēng)進(jìn)行熱值交換。因此，在利用冷卻阻尼風(fēng)對(duì)活塞風(fēng)控制，一定要合理有效利用冷卻阻尼風(fēng)，減少不必要的浪費(fèi)。在詳細(xì)分析了冷卻阻尼風(fēng)送風(fēng)角度分別為垂直90

15、6;和45°時(shí)以及在冷卻阻尼風(fēng)噴口下加0.5m長(zhǎng)管段對(duì)活塞風(fēng)的控制，對(duì)比分析以上四個(gè)模擬工況可知，工況四下對(duì)活塞風(fēng)的控制效果較好些即冷卻阻尼風(fēng)噴口加管傾斜45°射流時(shí)活塞風(fēng)的控制效果最好。在控制活塞風(fēng)中有效應(yīng)用冷卻組尼風(fēng)，對(duì)于節(jié)約能源具有重要的意義。參 考 文 獻(xiàn)1 董志周，吳喜平.地鐵車站熱環(huán)境分析J.上海節(jié)能,2003(5):36-40.2 吳喜平.冷卻阻尼風(fēng)在地鐵站中應(yīng)用的研究分析.華東電力J，2001(1)：17-19.3 謝瑞春.屏蔽門系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用. 中國(guó)科技信息J，2006 年(3)：113-114.4 張培紅，李翠.冷卻阻尼風(fēng)噴口高度對(duì)地鐵活塞風(fēng)控制效果影響.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2008（4）：667-670.5 G. S. Theodoridis，D. Lakehal，W. RodiThree-dimensional calculations of the flow field around a