地鐵活塞風(fēng)相關(guān)計(jì)算

1、第一章活塞風(fēng)的理論基礎(chǔ)及風(fēng)速計(jì)算1.1活塞風(fēng)的基本概念當(dāng)列車在隧道中運(yùn)行時(shí)，隧道中的空氣被列車帶動(dòng)而順著列車運(yùn)行前進(jìn)的方向流動(dòng)，這一現(xiàn)象稱為列車的活塞作用，所形成的氣流稱為活塞氣流。列車在空曠的地面上運(yùn)行時(shí)，列車前面的空氣可毫無(wú)阻擋地被排擠到列車的兩側(cè)和上方，然后繞流到列車的后面。列車在隧道中運(yùn)行時(shí)，由丁隧道壁所構(gòu)成空間的限制，列車所推擠的空氣不能全部繞流到列車后方，必然有部分空氣會(huì)被列車向前推動(dòng)，排出到隧道出口之外；而列車尾端后方存在著負(fù)壓渦旋區(qū)域，因此也必然會(huì)有相應(yīng)空氣經(jīng)開(kāi)口被引入到隧道中，由此形成活塞風(fēng)。如圖21。地鐵活塞風(fēng)的大小與列車在隧道內(nèi)的阻塞比、列車的行駛速度、列車行駛時(shí)的空氣阻

2、力、空氣與隧道壁面間的摩擦力等因素有關(guān)。隧道壁活塞風(fēng)-列車>活塞風(fēng)隧道壁圖2-1活塞風(fēng)成因示意圖1.2活塞風(fēng)模型的簡(jiǎn)化由丁地鐵隧道中活塞風(fēng)的影響因素較多且活塞風(fēng)速的計(jì)算復(fù)雜，在對(duì)計(jì)算結(jié)果誤差影響較小的情況下，本文的計(jì)算中對(duì)活塞風(fēng)的簡(jiǎn)化如下：（1）根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，當(dāng)氣流速度小丁音速時(shí)，流體密度的變化很小，流體的壓縮性可以忽略不計(jì)（在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，如果氣流速度不超過(guò)60m/s,則不考慮壓縮性所引起的相對(duì)誤差不大丁1%37）。地鐵車輛最大行駛速度一般不超過(guò)35m/s（126公里/每小時(shí)），產(chǎn)生的活塞風(fēng)速遠(yuǎn)小丁音速，因此在本論文中，如無(wú)特殊說(shuō)明，所進(jìn)行分析的地鐵隧道活塞風(fēng)氣流均認(rèn)為是不可壓

3、縮流體。根據(jù)管內(nèi)流動(dòng)的基本性質(zhì)，當(dāng)流體的雷諾數(shù)Re<2000時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)稱為層流，粘性力起主要作用，空氣橫斷面上的流速梯度明顯。而當(dāng)流體的雷諾數(shù)Re>2000時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)化為紊流。在靠近壁面的一個(gè)薄層內(nèi)，流動(dòng)仍保持層流狀態(tài)，稱為層流底層。層流底層之外則是紊流區(qū)。地鐵活塞風(fēng)的雷諾數(shù)Re>2000,屆丁紊流流動(dòng)。而在紊流狀態(tài)下，整個(gè)空氣橫斷面上的速度分布比較均勻(如圖2-2所示)，測(cè)試時(shí)可以用壁面附近的測(cè)點(diǎn)速度值代表隧道斷面的活塞風(fēng)速。因此本論文中，將地鐵活塞風(fēng)近似看成是沿隧道方向的一維流動(dòng)。管內(nèi)層流管內(nèi)紊流圖2-2管內(nèi)流動(dòng)示意圖(2) 列車進(jìn)入入隧道后的一段時(shí)間內(nèi)，活塞風(fēng)

4、壓的壓源是隨列車而移動(dòng)的,活塞風(fēng)速隨時(shí)間增大。但當(dāng)隧道足夠長(zhǎng)時(shí)，一段時(shí)間后活塞風(fēng)速便趨丁一穩(wěn)定值,活塞風(fēng)基本達(dá)到穩(wěn)定流狀態(tài)，活塞風(fēng)壓穩(wěn)定不變，與列車走行位置無(wú)關(guān)3839相對(duì)而言，地鐵隧道長(zhǎng)度遠(yuǎn)大丁列車長(zhǎng)度，故在本論文中，地鐵隧道活塞風(fēng)可按包定流計(jì)算。(3) 為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，本文按一個(gè)區(qū)間內(nèi)僅有一列車行駛考慮，且只考慮計(jì)算區(qū)段前后各兩座活塞風(fēng)井的作用，忽略相鄰其他(前端及后端)區(qū)段及列車的影響。1.3活塞風(fēng)空氣動(dòng)力學(xué)基本理論方程空氣的流動(dòng)要受到物理守包定律的支配，其理論基礎(chǔ)是空氣動(dòng)力學(xué)原理，即空氣流動(dòng)過(guò)程中的質(zhì)量守包、能量守包和動(dòng)量守包定律。空氣流動(dòng)過(guò)程中的質(zhì)量守包、能量守包和動(dòng)量傳遞的定律是隧

5、道通風(fēng)的理論基礎(chǔ)，流體在隧道中的運(yùn)動(dòng)應(yīng)遵循空氣動(dòng)力學(xué)的基本方程。1.3.1氣體流動(dòng)的質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)任何流動(dòng)問(wèn)題都必須滿足質(zhì)量守包定律。該定律可表述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等丁同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的靜質(zhì)量。按照這一定律，可以得到質(zhì)量守包方程（連續(xù)性方程）c(PA)十或PAu)十d(PAv)十以PAw)°.:t；:x；y:z(2-1)上式中的第2,3,4項(xiàng)是質(zhì)量流密度（單位時(shí)間通過(guò)單位面積的流體質(zhì)量）的散度，可用欠量符號(hào)寫(xiě)出來(lái)："、A一div(AU)=0ft(2-2)對(duì)丁隧道中的氣體流動(dòng)連續(xù)性方程常按一維運(yùn)動(dòng)連續(xù)性微分方程考慮:"Adi

6、v(Av=)0.:t(2-3)式中空氣密度；A隧道橫斷面積，m2;v氣流平均速度，m/s;1.3.2氣體運(yùn)動(dòng)的微分方程及伯努力方程（不可壓縮流體的能量方程）1、包定流的伯努利方程在隧道通風(fēng)工程技術(shù)中，氣流的密度變化可以忽略，可認(rèn)為p為常量。22哥E虻氣虹gz25f(2-4)u氣流平均速度，m/s；P氣流靜壓強(qiáng),Pa；3P氣流密度，Kg/m;g重力加速度，m/s2;z位置水頭,m；a過(guò)流斷面風(fēng)速不均勻所引起的動(dòng)能修正系數(shù)；式（2-4）稱為包定流總流的伯努利方程。式中各項(xiàng)為單位質(zhì)量流體的平均能量，各項(xiàng)的單位均為m2/s2。據(jù)隧道通風(fēng)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，在隧道橫斷面上各測(cè)點(diǎn)氣流的流速分布比較均勻

7、，測(cè)試斷面各測(cè)點(diǎn)的流速與過(guò)流斷面平均流速的比值比較接近，此時(shí)"1。2、非包定流的伯努利當(dāng)列車駛?cè)胨淼罆r(shí)，在列車的推動(dòng)下，隧道內(nèi)的空氣發(fā)生流動(dòng)。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)流動(dòng)速度是隨著時(shí)間而發(fā)生變化的，這種流動(dòng)稱為非包定流動(dòng)22-(2-5):._L_E1gz1=：.-A座gz2hf：ds2：2sft式（2-5）稱為非包定流總流的伯努利方程。式中乳與足稱為慣性水頭，它表示單位質(zhì)量流體的動(dòng)能隨時(shí)間的變化量，其中6為流速不均勻的修正系數(shù)。對(duì)隧道中氣流的aQ1、6Q1,如果隧道的橫斷面積不變，即Al=A2,則U1=V2,=，并且當(dāng)s=l竺，式中l(wèi)為沿流線由斷面1-1至斷面2-2的距離。jtdtsftdt在這種情

8、況下，式（2-5）變?yōu)?2-6)也序1=座皿hf"2fdt在非包定流計(jì)算列車通過(guò)隧道所引起的活塞風(fēng)時(shí)，要應(yīng)用式（2-5）1.4鞍山道站活塞風(fēng)速的計(jì)算及影響因素分析1.4.1鞍山道站列車出站活塞風(fēng)速鞍山道站相鄰隧道均為設(shè)中柱的雙跨矩形隧道，另外由丁鞍山道站基本位丁起點(diǎn)站和終點(diǎn)站之間，通常上下行列車同時(shí)到達(dá)鞍山道站，因此在鞍山道站相鄰隧道不存在上下行列車相會(huì)的情況。所以，鞍山道站列車出站活塞風(fēng)速可以按照單線有豎井隧道的情況計(jì)算列車未經(jīng)過(guò)豎井之前的風(fēng)速40。列車在隧道中運(yùn)行時(shí)，豎井也成為氣流通道，丁是豎井兩邊的隧道段中的活塞風(fēng)速不同。設(shè)列車的速度為u°,列車的橫斷面積為Ao,隧道

9、橫斷面積為A,海拔高度為z,活塞風(fēng)速為七，列車與隧道壁之間的環(huán)狀空間中氣流的絕對(duì)速度（即相對(duì)丁隧道壁的速度）為缶°,在dt時(shí)間內(nèi)，列車在隧道中移動(dòng)所排開(kāi)的空氣體積為Aoodt;而在列車前方，則有部分空氣推至列車前方隧道,其體積為AJdt,另一部分空氣通過(guò)列車與隧道壁之間的環(huán)狀空間由列車前方流向列車后方，其體積為（A-Ao沖dt，如圖2-3所示41。圖2-3鞍山道列車出站活塞風(fēng)速簡(jiǎn)圖鞍山道站相鄰隧道全長(zhǎng)為l=1030m,豎井的位置距隧道進(jìn)口為lz=1000m,距隧道出口為ly=30m。由列車基本數(shù)據(jù)知，標(biāo)準(zhǔn)車長(zhǎng)為19m,頭車略長(zhǎng)為19.19m,車廂兩端的貫通連接通道長(zhǎng)0.52m,若列車

10、為6節(jié)編組，則列車長(zhǎng)度10=19.19尺2+19乂4+0.52尺5=116.98m,若列車為4節(jié)編組，則列車長(zhǎng)度10=78.98m。隧道的水力直徑d=4=4j2=5.09m。當(dāng)列車在豎井左邊的隧道段中運(yùn)行時(shí)，列車前方氣流壓力為正壓，一部分氣流由隧道出口排出。列車后方的壓力為負(fù)壓，從而新鮮空氣由隧道進(jìn)口吸入。設(shè)左邊隧道段中氣流流量為Qz,流速為cz，右邊隧道段中的氣流流量為Qy,流速為身，豎井向大氣排出的氣流流量為Qs，流速為is,由連續(xù)性方程得Qz=QsQy即"zAfsAs+UyA(a)式中A隧道的橫斷面積，28m2;As豎井的橫斷面積，9m2;為求得is與呀的關(guān)系，可先建立圖2-3

11、中的斷面4-4與豎井出口斷面5-5的能量方程X2.2+巨也P5+”+ks%z.x+-y-+gz+（b）式中匚45隧道氣流分流入豎井的局部阻力系數(shù)，取0.5；y豎井中各局部阻力系數(shù)，取4.5；ds豎井的水力直徑，3m；從一一豎井沿程阻力系數(shù)，取0.3;ls豎井的長(zhǎng)度,20m；命ls20而ks=：45s上s=0.5+0.3+4.5=7.0ds32P4”4P6Tgz4gzs然后再寫(xiě)出斷面4-4與隧道出口斷面6-6的能量方程(c)r.i、，+-4+1d式中廈6氣流流經(jīng)豎井與隧道連接處的局部阻力系數(shù)，取0.03；Hly30而kv=46'旦1=0.03+0.31=2.80d5.09當(dāng)隧道外無(wú)自然風(fēng)

12、時(shí)，企gz5=色gz6丁是由式（b）和式（c）得牛(d)以（d）式代入（a）式得a=%as¥?yAskyAsJ+A)y式中b=1A5Au=y1AAkybks(m/s)(e)ky_ks19282.80.：1.207.1式（e）說(shuō)明在有豎井的隧道中，豎井兩邊的隧道段中的活塞風(fēng)速不相等。為了求得活塞風(fēng)速iz與呀的值，可由圖2-3中的斷面1-1與斷面2-2問(wèn)的氣流能量方程求得P2,再由斷面3-3與斷面6-6之間的氣流能量方程求得P3,從而算得歹0車前端與歹0車尾端的壓差P3rP2=0.5JMd22山y(tǒng)n=kzky:g(z2-z3)2246lz-l0-l34一一i0.5.,J_0_34d2：g

13、(z2-z3)M(z2_z3)2以（e）式代入上式得zP3-P2=kzky2b2.22，碩)'ri、po(f)式中kz除環(huán)狀空間外豎井左側(cè)隧道段的阻力系數(shù)；lz-101000-116.98kz=0.5-=0.5+0.3-=52.54d5.09ky豎井右側(cè)隧道段的阻力系數(shù)；ts有豎井的折算阻力系數(shù);,1-ts=kz+ky.-bJ2c(1=52.54+2.8U.2/£*=54.48根據(jù)氣流流動(dòng)的連續(xù)性方程可寫(xiě)出A0odt=Azdt(A-A0)dtA0-Az/,、缶=(m/s)A-Ao(2-7)環(huán)狀空間中的氣流相對(duì)丁列車的速度vs為A0-Az's='0=-0AAo(

14、m/s)式中a列車對(duì)隧道的阻塞比,A33.8a=一=0.41。A74現(xiàn)寫(xiě)出圖2-3中的斷面3-3與斷面2-2之間氣流相對(duì)丁列車運(yùn)動(dòng)的伯努利方程:也.。-L史.項(xiàng)-，2.|'0虹2匕22do2因此(b')式中X。環(huán)狀空間氣流的沿程阻力系數(shù)；與一一氣流由列車前方的隧道段進(jìn)入環(huán)狀空間的進(jìn)口局部阻力系數(shù);匚2氣流由環(huán)狀空間進(jìn)入列車后方隧道段的出口局部阻力系數(shù)；lo列車的長(zhǎng)度即環(huán)狀空間的長(zhǎng)度；do環(huán)狀空間的水力直徑。=Nl?？紤]到我國(guó)單線隧道的橫斷面A和列車橫斷面A。都變化不大，環(huán)狀空間的水力直徑do可認(rèn)為是定值。為計(jì)算方便起見(jiàn)，匕、烏可并到扁值中，丁是可令(c')由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出

15、42,當(dāng)列車長(zhǎng)度lo為150m至600m時(shí)，N=86X10-4m-1以（a'）式及（c'）式代入（b'）式得列車前方和后方的壓力差2(g)_Nlo*ozP3-P21a22式中K活塞作用系數(shù)110。,8610loK=1-a8610'116.98ccc2=2.891-0.41由式（f）和式（g）得kp（v。-折=&2以因此，豎井左側(cè)隧道段的活塞風(fēng)速為(m/s)(2-8)當(dāng)列車為因此當(dāng)列車為6節(jié)編組時(shí)鞍山道站列車出站活塞風(fēng)速為3.37m/s，4節(jié)編組時(shí)鞍山道站列車出站活塞風(fēng)速為3.31m/s1.4.2鞍山道站列車進(jìn)站活塞風(fēng)速i1（h）（j）圖2-4列車經(jīng)過(guò)豎井

16、后的（進(jìn)站）活塞風(fēng)簡(jiǎn)圖應(yīng)當(dāng)按照列車經(jīng)過(guò)豎井后在隧道中運(yùn)行的情況計(jì)算列車出站引起的活塞風(fēng)速。列車經(jīng)過(guò)豎井后在右邊隧道段中運(yùn)行，此時(shí)隧道中的氣流情況發(fā)生變化，列車前方的氣流由隧道出口排出，但列車后方的負(fù)壓使得新鮮空氣不僅經(jīng)隧道進(jìn)口吸入隧道內(nèi)，而且也從豎井向隧道內(nèi)吸入如圖2-11所示40。所以豎井兩邊隧道段的活塞風(fēng)速和風(fēng)量也相網(wǎng)的發(fā)生變化：左邊隧道段的風(fēng)速由Uz變?yōu)閁z,右邊隧道段的風(fēng)速由變?yōu)閁y,豎井中的風(fēng)速由七變?yōu)閁s并與Us方向相反?，F(xiàn)分別計(jì)算y和z如下：由連續(xù)性方程yA=A.zA由圖2-11中的斷面5-5與斷面4-4之間氣流的伯努利方程2'、P5P44，（s）=gzs=;g瓦Z（54

17、ds）-y由斷面1-1與斷面4-4之間氣流的伯努利方程.2'、2P1P44lzAz）P4gzi=二gz4一（0.5一14）=g："42d12:式中各符號(hào)的意義同2.2.3所述各式。但ks=%+史里+=0.5+0.3K20+4.5=7.0ds31。.116.98kz=0.5，g14=0.5+0.3+0.15=7.54d5.09式中農(nóng)4豎井氣流匯集流入隧道的局部阻力系數(shù)，取0.5;站一一隧道氣流與豎井氣流匯流的局部阻力系數(shù)，取0.15。當(dāng)隧道外無(wú)自然風(fēng)時(shí)'B.gz1=.gz5由式(h)、(i)及式(j)解得(k),y'/,、uz'=(m/s)b'式

18、中b=1*匚1+9石=1.33A站28,7.0列車前端3-3斷面與列車尾端2-2斷面的壓差P3-P2=(0.5£14)七)(-1)(，七慫2Fd2d2以(k)式代入上式得p3-p2=|k(1)2+kyPg(z2z3)=y(1)32zy23tSb22式中ky=1y-10d1=0.3500-116.985.091=23.57Rs=k；(1)2+k；=7.54x1+23.57=27.83by11.33J由相對(duì)丁列車的能量方程得P3一P2=K"0-y)22(m)由（l）式及（m）式得右邊隧道段的活塞風(fēng)速(2-9)因此當(dāng)列車為6節(jié)編組時(shí)鞍山道進(jìn)站口風(fēng)速為4.38m反當(dāng)列車為4節(jié)編組時(shí)鞍山道進(jìn)站口風(fēng)速為4.32m/s。1.4.3活塞風(fēng)速的影響因素分析由文獻(xiàn)36可知：當(dāng)列車為6節(jié)編組時(shí)下瓦房站列車進(jìn)站活塞風(fēng)速為5.58m/s,出口風(fēng)速為4.37m/s；若為4節(jié)編組則進(jìn)站活塞風(fēng)速為4.99m/s,出口風(fēng)速為3.67m/s活塞風(fēng)速的影響因素眾多，包括活塞的風(fēng)井?dāng)?shù)量及位置、車輛對(duì)數(shù)及組數(shù)、列車運(yùn)行速度、車站形式、隧道形式等。在此，主要討論列車長(zhǎng)度和車站形式對(duì)活塞風(fēng)的影響規(guī)律。表2-1不同形式下活塞風(fēng)速參數(shù)四節(jié)編組六節(jié)編組鞍山進(jìn)站風(fēng)速（m/s）4.324.38道站出站風(fēng)速（m/s）3.313.37卜瓦進(jìn)站風(fēng)速（m/s）4.995.58房站出站風(fēng)