地鐵車站通風(fēng)與火災(zāi)的CFD仿真模擬與實(shí)驗(yàn)研究_圖文

1、天津大學(xué)博士學(xué)位論文地鐵車站通風(fēng)與火災(zāi)的CFD仿真模擬與實(shí)驗(yàn)研究姓名:那艷玲申請學(xué)位級別:博士專業(yè):建筑技術(shù)科學(xué)指導(dǎo)教師:涂光備20031201摘要隨著城市地鐵的大規(guī)模建設(shè),地鐵車站環(huán)境和地鐵火災(zāi)成為研究人員越來越關(guān)心的課題。建立良好的地鐵環(huán)境的目的不僅僅在于提供一個(gè)安全、舒適的乘車環(huán)境,而且對于節(jié)省能源,降低建設(shè)費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用都有實(shí)際的意義。正確的選擇模型方程,合理的劃分計(jì)算網(wǎng)格,對CFD數(shù)值模擬的結(jié)果有著重要的影響。本課題比較了現(xiàn)場測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果,分析了湍流模型的選擇對整個(gè)地鐵系統(tǒng)溫度場、氣流場的計(jì)算結(jié)果的影響,得到了雙方程計(jì)算準(zhǔn)確性優(yōu)于零方程的結(jié)論。計(jì)算網(wǎng)格是由計(jì)算域內(nèi)不連續(xù)的部分組

2、成的,在每一個(gè)成分中,求解控制室內(nèi)流動(dòng)和熱傳遞的方程。計(jì)算網(wǎng)格的劃分對計(jì)算結(jié)果、計(jì)算時(shí)間以及計(jì)算收斂都將會有很大的影響。求解的時(shí)間和精確度直接取決于網(wǎng)格的質(zhì)量,好的網(wǎng)格劃分將會節(jié)省計(jì)算時(shí)間以及提高計(jì)算的準(zhǔn)確性,本文對不同網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行了分析比較,得到了較為優(yōu)化的網(wǎng)格劃分。現(xiàn)場測試的目的是獲取計(jì)算模擬所需要的邊界條件(溫度、速度等,驗(yàn)證湍流模型用于模擬站臺通風(fēng)的可行性。本文利用CFD方法模擬一個(gè)島式站臺冬季工況的溫度場和氣流場,在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下測得一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證,證明了地鐵車站計(jì)算機(jī)模擬的可靠性,并從中采集并確定了某些邊界條件。并對列車進(jìn)站過程進(jìn)

3、行了仿真模擬。不同城市的氣候條件、室外溫濕度差異很大,因此選用何種環(huán)控方案,應(yīng)根據(jù)客觀條件、工程造價(jià)、運(yùn)行效果等方面綜合分析。本文以南方的深圳,北方的天津和東北的沈陽為例,對這三個(gè)不同地區(qū)的夏季空調(diào)工況的氣流場和溫度場進(jìn)行了模擬計(jì)算。對天津島式和側(cè)式車站的不同氣流組織進(jìn)行了方案優(yōu)化,對沈陽空調(diào)通風(fēng)方案進(jìn)行了比較,提出了適合于天津和沈陽地鐵車站的通風(fēng)方式。通過CFD數(shù)值模擬對屏蔽門的經(jīng)濟(jì)性、軌底排風(fēng)與頂部局部排風(fēng)的作用進(jìn)行了分析。本文針對地鐵火災(zāi)發(fā)生的各種狀況如有屏蔽門和無屏蔽門的站臺、站廳及列車火災(zāi)的各種情況的溫度場和氣流場進(jìn)行了CFD仿真模擬,并分析了火災(zāi)發(fā)生的位置及排煙量對地鐵車站氣流場和

4、溫度場的影響。鹽水實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究方法屬于小尺寸模擬試驗(yàn)。本文針對站臺及列車著火兩種情況進(jìn)行了鹽水實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。利用實(shí)體燃燒實(shí)驗(yàn)與模擬的結(jié)果分析比較,對CFD方法研究火災(zāi)的可靠性和適用性進(jìn)行了近一步的驗(yàn)證。本課題開發(fā)了一套專門用于地鐵環(huán)控?cái)?shù)值模擬的漢化專用軟件。關(guān)鍵詞:CFD模擬地鐵環(huán)控現(xiàn)場測試地鐵火災(zāi)鹽水實(shí)驗(yàn)實(shí)體燃燒ABSTRACTmore Along with the development of subway in city,researchers pay more andattention to the subway environment and subway fi

5、re.To build good subwayenvironment but also environment means notonly to provide a safe and comfortableto reduce energy consumption,construction costs and operation costs.To select model equation properly and compartmentalize calculating mesh rationally is very important to the results of CFD numefi

6、cal simulation.This PaDer compares the results of field tests and simulation,analyses the effects of turbulence model on temoeramre field and air distribution in subway system and draw the conclusion that the calculating results of two.equation are more accurate than those of zero equation.Calculati

7、ng meshes are made up of many inconfinuous parts in calculating district.In every part calculate the equation of airflow and heat transfer. The determination of calculating meshes has huge effects on calculating results,time consumption and conservation results.This paper gives the optimizing meshes

8、.The purpose of field tests is to obtain山e boundary condition and verifv the feasibillty of using turbulence model to simulate platforlrl ventilation,which arc the two important conditions of simulating ventilation scheme.T1lis parIer use CFD method to simulate temperature field and air distribution

9、 of all island platfoFin in winter condition.and measure some experiment data under permit condition to compare with the results of simulation in order to prove the reliability of computer simulation and select some boundary conditions.Which environment control scheme should be selecteddepends on ob

10、jective condition,construction cost,operation effect,etc.for the large difierence of climatic conditions and temperature and humidity.This Per calculates the temperature field and air distribution of Shenzhen(south,Tianjin(northand Shenyang(northeast under summer condition.Optimizes the air distribu

11、tion of island and side subway platform of Tianjin,compares air conditioning scheme and ventilation scheme of Shenzhen,and giyes the suitable ventilation scheme.Analyses the econonfical efficiency of shield gate,the action of exhaust air under railway and top part exhaust using CFD simulation.This p

12、aper analog simulates temperature field and air distribution of some fireconditionsusing CFD method and analyses the effect of fire location and exhaust smoke level on temperature field and air distribution.The method of saltwater experiment belongs to small size simulation experiment.This PaDer mak

13、es saltwater experiment of platform fire and train fire and compares the results with computer simulation results.To testifie the reliability and applicability,this paper analyses and compares results of CFD method and substantive fire.The thesissoftware of the simulation on subway station in develo

14、ps a set ofChinese.Keywords CFD simulation,subway environment control,field test,substantive fire,saltwater experiment獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得苤鲞叁芏或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名:習(xí)多7。把論簽字日期:聊鏟年/月/.Z

15、R學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解墨壅盤鱟有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)苤注盤生可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。(保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明學(xué)位論文作者簽名:勁枕孑令導(dǎo)師簽名簽字日期:zJ年/三月/r日 較小。由此決定了其火災(zāi)特征與地上建筑有著很大的差別,采取的火災(zāi)防治對策也應(yīng)當(dāng)有所不同。地鐵系統(tǒng)與外界連通的出入口少,發(fā)生火災(zāi)后,煙、熱不能及時(shí)排出,熱量聚集,建筑空間溫度上升快,可能較早地出現(xiàn)轟燃,使火災(zāi)溫度很快升高到800以上,煙氣急

16、劇膨脹。因通風(fēng)不足,燃燒不充分,一氧化碳、二氧化碳等有毒氣體的濃度迅速增加。高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散流動(dòng),不僅使所到之處的可燃物會全部蔓延,更嚴(yán)重的是導(dǎo)致疏散通道能見度降低,影響人員疏散和消防隊(duì)員救火。1987年11月18日,倫敦地鐵金克羅斯站發(fā)生大火,由于站內(nèi)設(shè)各陳舊,對火災(zāi)初期的反應(yīng)及報(bào)警不及時(shí),釀成31人死亡的重大事故。事故發(fā)生后,英國消防部門成立了調(diào)查組,對事故進(jìn)行了深入細(xì)致的調(diào)查,火災(zāi)是因?yàn)槲聪绲臒燁^掉進(jìn)木質(zhì)電梯縫間,引燃電梯下可燃雜物致災(zāi)的。得到的既有安全技術(shù)措施不當(dāng)方面的教訓(xùn),也有地鐵管理部門的領(lǐng)導(dǎo)者和管理人員安全意識不強(qiáng)、火災(zāi)隱患整改不力方面的教訓(xùn)。1981年6月,紐約地鐵因電線短路發(fā)

17、生火災(zāi),21名乘客受傷,他們擠在黑洞洞的地下客車內(nèi),一片嘈雜,混亂不堪。1981年6月,莫斯科“十月線”發(fā)生火災(zāi),雖然沒有公布有關(guān)數(shù)字,估計(jì)情況是非常嚴(yán)重的。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),日本1961-1975年共發(fā)生地鐵火災(zāi)45起。每年平均3起“。2003年2月18日上午,韓國大邱地鐵被人縱火,造成嚴(yán)重的人員傷亡。首先1079號地鐵列車發(fā)生縱火案,列車迅速燃燒時(shí),正巧1085號地鐵列車也抵達(dá)中央路車站。此時(shí)地鐵已斷電,1085號列車在無法開門的情形下也隨即燃燒起來。據(jù)悉,在火災(zāi)發(fā)生時(shí),出事兩列地鐵列車上總共約有800多名乘客。圖為韓國地鐵著火的現(xiàn)場及被燒毀的車輛。我國的北京地鐵幾年來也先后幾次發(fā)生火警和火災(zāi)

18、,造成36人死亡。他們是因?yàn)榈叵露緹煔夂投趸紝?dǎo)致窒息身亡的【”l。 圖1i韓國地鐵火災(zāi)現(xiàn)場星二童墮堡.目前,我國對地鐵系統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)防火問題,沒有相應(yīng)的規(guī)范,也缺乏有關(guān)的研究設(shè)計(jì)資料,特別是那些建成較早的地鐵系統(tǒng),由于歷史原因和技術(shù)條件,對地鐵系統(tǒng)的火災(zāi)特點(diǎn)和防治技術(shù)的研究比較薄弱,隨著地鐵的廣泛應(yīng)用,應(yīng)該對地鐵火災(zāi)的研究給予足夠的重視。1.2地鐵環(huán)控系統(tǒng)的研究進(jìn)展19l原始人類在穿越非洲大陸以及在橫跨歐洲大陸時(shí)留下的痕跡,表明了人類對遷徙的內(nèi)在渴望。不久,原始人學(xué)會了在雪橇上運(yùn)送重物。公元前4000年,美索不達(dá)米亞地區(qū)的居民發(fā)明了車輪,隨后即是兩輪馬車。早期的車輪做的很寬,以便運(yùn)送重物,人

19、們不久便認(rèn)識到有必要做出一種很堅(jiān)固、更光滑的表面,使之有利于運(yùn)輸。隨著貨運(yùn)量的增加,人們又轉(zhuǎn)向了四輪車,并且修建的道路也更直更好,能通到更遠(yuǎn)的地方。最終,這種道路的發(fā)展導(dǎo)致了鐵路在英國的出現(xiàn)。第一條穿越城區(qū)而過的鐵路,同時(shí)也是世界上的第一條地鐵“大都會”號,于1863年1月10日在倫敦開通。列車是在地下運(yùn)行,但它們卻是由蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的。盡管由于冒煙的發(fā)動(dòng)機(jī)在地下部分運(yùn)行時(shí)造成環(huán)境很不舒適,“大都會”號還是立即獲得了成功。它是如此之成功以至倫敦不久便開始擴(kuò)建地鐵使之通向迅速擴(kuò)大的新的城區(qū)部分。最初“大都會”的通風(fēng)是由表面是格柵的“通風(fēng)孔”送風(fēng),給乘客以舒適的感覺。幾年后,中部倫敦地鐵公司安裝了名為

20、“臭氧發(fā)生器”(空氣凈化器的裝置。它能將新鮮的空氣吸入車站內(nèi),但這種裝置對被吹入的空氣中加入的臭氧量過多,使旅客們感到氣味很難聞。所以不久以后這種裝置也廢棄了。在倫敦進(jìn)行的更近一些的嘗試,還包括將隧道中的空氣用功率強(qiáng)大的風(fēng)扇從特別設(shè)計(jì)的風(fēng)管中排出去,新鮮空氣經(jīng)車站入口、樓梯間和通風(fēng)豎井引入。另外,還將隧道內(nèi)的列車作為一種主要的通風(fēng)方式,為增加這種“活塞效應(yīng)”的通風(fēng)作用,新鮮空氣在進(jìn)入車站月臺之前,是經(jīng)過設(shè)在階梯型豎井和特殊井口中的通風(fēng)通道吹入的。“大都會”號,即以后的倫敦地鐵,在電力機(jī)車引入時(shí)又遇到了新的問題。由于電力機(jī)車的功率很大,放出的熱量更多,新鮮空氣在被強(qiáng)制引入車站月臺的同時(shí),也要被強(qiáng)

21、制送入隧道內(nèi),以防止由于這種大功率發(fā)動(dòng)機(jī)造成溫度悶益升高。散熱量增加的同時(shí),也由于客運(yùn)量的增大,饋倫敦地鐵內(nèi)形成了一種難以忍受的窒息狀態(tài)。1904年10月,紐約的第一條地鐵開通運(yùn)行。但是開通不到一年,由于地面通風(fēng)口不足而引起的地鐵內(nèi)溫度過高的問題變得嚴(yán)重起來。為增加通氣量,車站的頂部設(shè)置了更多的通風(fēng)口,車站之間還修建了風(fēng)機(jī)室和通風(fēng)管。事實(shí)上,紐約地鐵并不是北美第一條地鐵,波士頓地鐵開通于1897年,它是北美最早的地鐵。在通常情況下,給地鐵的通風(fēng)問題幾乎完全是依靠列車的“活塞效應(yīng)”來解決的,排氣扇只在緊急情況下才打開。建成于1943年的芝加哥地鐵,以及1954年開通的加拿大多倫多地鐵早期都是采用

22、“活塞效應(yīng)”來通風(fēng)的。采用這種方法,早期芝加哥車站的氣溫保持在422之間,相對濕度為40%80%(芝加哥地區(qū)平均氣溫是IO,一年內(nèi)氣溫在一2737之間變化,相對濕度為20%98%?？傊?早期的地鐵環(huán)境控制,都僅限于自然(活塞效應(yīng)通風(fēng),或者在后期改造中,以安裝機(jī)械式強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備作為最終解決措施。盡管自然通風(fēng)好像能夠保持一定的車站、隧道熱環(huán)境,但是,活塞效應(yīng)被利用的程度和早期地鐵運(yùn)行情況、土建結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。客流量小,隧道阻塞比大,機(jī)車功率小,散熱量少,軌道以單線單洞居多等等,這些因素造成了地鐵內(nèi)部比較大的活塞風(fēng)量,較小的熱、濕負(fù)荷,因此,采用自然通風(fēng)有時(shí)大致能夠滿足需要。但是也有例外:美國的克

23、利夫蘭地鐵的阻塞比只有0.22,列車前方所推動(dòng)的空氣柱幾乎是可以忽略的,站臺的任何部分都不存在可以起到通風(fēng)作用的空氣流動(dòng)。因此,它的通風(fēng)是依靠安置于距站臺約200m處的一臺軸流風(fēng)機(jī)來解決的。人口的增長和世界各主要城市交通的日益擁擠,要求地鐵系統(tǒng)以更快的速度發(fā)展,主要表現(xiàn)在車速的提高,同向行駛列車之間距離的縮短,能夠提供更大的客運(yùn)量,而機(jī)車的功率和速度的增加成正比平方關(guān)系,除非采用能量循環(huán)裝置,否則,這些能量都將轉(zhuǎn)化為熱能排放到地鐵中;在一些新建和現(xiàn)存的地鐵中,車廂內(nèi)的空調(diào)成為了必需品,這種情況造成了地鐵所產(chǎn)生的熱量大量增加,使得地鐵空氣和周圍四壁的溫度都迅速上升:同時(shí),雙線,多線軌道日益增多,

24、隧道阻塞比變小,活塞風(fēng)量減小,其作為自然通風(fēng)的價(jià)值也就減小;另一方面,人們對地下環(huán)境舒適程度的要求越來越高。因此,綜上所述,現(xiàn)代新建地鐵都采用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng),同時(shí)考慮活塞效應(yīng)的影響。對于新建為采用空調(diào)的車站,預(yù)留空調(diào)系統(tǒng)的空間,作為地鐵系統(tǒng)長期發(fā)展的需要。在閉式系統(tǒng)中,由于列車的活塞作用,使車站空調(diào)區(qū)受到隧道熱空氣的影響,增大了空調(diào)負(fù)荷,降低了空調(diào)效果,若活塞風(fēng)過大,還會使車站上的乘客有吹風(fēng)感,感覺不舒適?？刹捎脤④嚭退淼栏綦x的方法:屏蔽門和空氣幕。屏蔽門是一道修建在站臺邊沿的帶門的透明屏障,屏蔽門上的各扇門之間的間隔距離與列車上的車門距相對應(yīng),看上去就像是一排電梯的門。列車到站時(shí),列車車門正好

25、對著屏蔽門上的小門,乘客可自由上下列車,關(guān)上屏蔽門后,所形成的一道隔墻可有效阻止隧道內(nèi)熱流、氣壓波動(dòng)和灰塵等進(jìn)入車站,有效地減少了空調(diào)負(fù)荷,為車站創(chuàng)造了較為舒適的環(huán)境。但屏蔽門的初投資費(fèi)用較高,對列車?？课恢煤涂煽啃砸蠛芨?若客流密度較大,車門口可能出現(xiàn)擁擠,且對長時(shí)間隧道內(nèi)溫度超標(biāo)難以解決,目前采用站臺屏蔽門的有法國和新加坡。我國上海地鐵一號站和即將開工的深圳地鐵均按屏蔽門系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？諝饽谎剀囌菊九_方向布置,由空氣射流形成的空氣簾,將隧道和車站隔離,減少空調(diào)負(fù)荷,并且造價(jià)比屏蔽門低,同時(shí)避免了屏蔽門出現(xiàn)故障的危險(xiǎn)性,但隔離效果不如屏蔽門,并且當(dāng)列車活塞風(fēng)運(yùn)動(dòng)或機(jī)械通風(fēng)引起的空氣速度超過空氣

26、幕的流速時(shí),隔離效果將會下降,甚至破壞空氣簾。地鐵的建設(shè)投入巨大,設(shè)計(jì)人員在圖紙上的每一條線都可能意味著上萬,甚至上百萬的投入,每一點(diǎn)小的更動(dòng),都可能導(dǎo)致實(shí)際建設(shè)上的巨大變化。地鐵旦建成,將要運(yùn)行幾十年以至上百年,因此,在真正實(shí)施建設(shè)之前,對各種方案進(jìn)行科學(xué)可靠的分析比較、模擬計(jì)算、模型試驗(yàn)是十分必要的。1.3地鐵環(huán)控系統(tǒng)研究方法及存在的問題地鐵環(huán)控的研究,主要包括理論研究和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究分實(shí)測實(shí)驗(yàn)9和模型實(shí)驗(yàn)。對于地鐵環(huán)控設(shè)計(jì),會有多種可選方案。若對每種方案都進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將耗費(fèi)大量的人力物力。而模擬實(shí)驗(yàn)又難以完全模擬復(fù)雜的運(yùn)行過程。因此,地鐵環(huán)控的研究普遍采用CFD數(shù)值計(jì)算的方法“”1。地

27、鐵環(huán)控設(shè)計(jì)必須從實(shí)際出發(fā),從經(jīng)濟(jì)和環(huán)控效果兩方面綜合考慮,通過實(shí)測確定已營運(yùn)地鐵的環(huán)控效果并指導(dǎo)如何改進(jìn),以及通過模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行方案優(yōu)選并校核數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性,而數(shù)值計(jì)算對確定合理的環(huán)控設(shè)計(jì)和地鐵運(yùn)行安排有著重要的指導(dǎo)作用。地鐵火災(zāi)屬于緊急狀況下的環(huán)境控制,對于地鐵火災(zāi)的研究手段主要有三種:一是實(shí)體實(shí)驗(yàn)研究,二是縮尺實(shí)驗(yàn)研究,三是計(jì)算機(jī)模擬研究。對于火災(zāi)研究來講,實(shí)體實(shí)驗(yàn)研究是最理想、最有說服力的。但是,它有許多難以克服的缺點(diǎn):a實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴。首先,要想進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)就必須建立實(shí)體實(shí)驗(yàn)建筑,這是一筆相當(dāng)大的投資,對于地鐵這種大型建筑幾乎是不可能的。其次,若采用實(shí)際火源,每次實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用也是相當(dāng)可觀的

28、。b模擬工況有限。c實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性較差。由于影響火災(zāi)發(fā)展過程的因素很多,有些因素難以精確再現(xiàn)。計(jì)算機(jī)模擬是人們對于火災(zāi)認(rèn)識過程的一個(gè)質(zhì)的飛躍,它以數(shù)學(xué)物理模型為基礎(chǔ),具有信息代價(jià)少、模擬工況靈活、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展會成為未來研究火災(zāi)問題的主要手段o”。但它目前受到以下條件的制約,使得其模擬準(zhǔn)確程度還不能令人完全滿意:8對于一些基本的物理現(xiàn)象(如湍流尚未有明晰的數(shù)學(xué)認(rèn)識。b為獲得封閉方程所做的大量假設(shè)與實(shí)際情況有出入。C求解偏微分方程的計(jì)算量大,求解時(shí)間長,求解的穩(wěn)定性差?？s尺實(shí)驗(yàn)具有真實(shí)直觀、便于分析、資金消耗小和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),目前在火災(zāi)的研究工作中有著極強(qiáng)的生

29、命力。本文將采用計(jì)算機(jī)模擬與縮尺實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對地鐵火災(zāi)進(jìn)行研究?？s尺實(shí)驗(yàn)采用鹽水實(shí)驗(yàn),它可以提供較好的觀察、測量環(huán)境和視覺效果。鹽水實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)展?fàn)顩r及其優(yōu)缺點(diǎn)將在本文第七章結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況加以詳細(xì)介紹。1.4計(jì)算流體力學(xué)(CFD的發(fā)展概況隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的迅速發(fā)展,計(jì)算速度的不斷提高,計(jì)算流體力學(xué)(Computationsl Fluid DynamiCS,CFD作為一門獨(dú)立的學(xué)科在近30年成為流體力學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)的熱門研究內(nèi)容,在傳熱與流體流動(dòng)問題的研究中起10著越來越重要的作用“”3。傳熱與流體流動(dòng)問題的研究可以通過兩個(gè)主要的方法:實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算。實(shí)驗(yàn)研究所得到的資料可靠,但其成本高,在許

30、多情況下還存在測量上的困難。理論計(jì)算是對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值求解,得出物理過程的預(yù)測。與實(shí)驗(yàn)研究相比,理論計(jì)算具有以下優(yōu)點(diǎn)?！?1.成本低用計(jì)算的方法進(jìn)行預(yù)測的最重要優(yōu)點(diǎn)是它的成本低。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中,計(jì)算機(jī)運(yùn)算的成本要比相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究的成本低好幾個(gè)數(shù)量級。隨著所研究的物理對象變得愈來愈大、愈來愈復(fù)雜,這個(gè)因素的重要性還會不斷的增長。2.速度快計(jì)算機(jī)模擬能以極其驚人的速度進(jìn)行。設(shè)計(jì)者可以在很短的時(shí)間內(nèi)研究多種不同的方案,并從中選出最佳的設(shè)計(jì)。而相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究將需要非常多的時(shí)間。3.資料完備對一個(gè)問題進(jìn)行計(jì)算機(jī)求解可以得到詳盡而又完備的資料。它能夠提供在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)所有的有關(guān)變量(如速度、壓力、溫

31、度、濃度、湍流強(qiáng)度等的值。顯然不可能期望實(shí)驗(yàn)研究能夠測出整個(gè)計(jì)算域內(nèi)所有變量的分布。因此,即使在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,同時(shí)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬來補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)資料也是很有價(jià)值的。4.具有模擬真實(shí)條件的能力在理論計(jì)算中,可以很容易地模擬真實(shí)條件,不需要采用縮小的模型。對計(jì)算機(jī)模擬而言,不論是具有很大或很小尺寸的物體、處理很低或很高的溫度、控制有毒或易燃的物體,都不會有什么困難。5.具有模擬理想條件的能力在研究某種現(xiàn)象時(shí),人們希望把注意力集中在幾個(gè)基本的參數(shù)上而設(shè)法消除所有無關(guān)的因素,在理論計(jì)算中,可以很容易的限定一些條件,達(dá)到理想化的條件。當(dāng)然,理論計(jì)算也有其缺點(diǎn)或限制。理論計(jì)算是在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,因此,所

32、用的數(shù)學(xué)模型的適用程度限制著計(jì)算的效能。對于一些幾何形狀復(fù)雜、非線性強(qiáng)、流體物性變化大的困難問題,數(shù)值解可能很難獲得。從20世紀(jì)60年代末期以來,傳熱問題的數(shù)值解法很快地發(fā)展成為解決實(shí)際問題的一種重要工具。數(shù)值解法是一種離散近似的計(jì)算方法。它所能獲得的不是被研究區(qū)域中未知量的連續(xù)函數(shù),而只是某些代表性的點(diǎn)(稱為節(jié)點(diǎn)上的近似值。為了用計(jì)算機(jī)解出節(jié)點(diǎn)上未知量的近似值,首先需要從給定的微分方程或基本物理定律出發(fā),建立起關(guān)于這些節(jié)點(diǎn)上未知量近似值之間的代數(shù)方程(稱為離散方程,然后對之進(jìn)行求解。在傳熱學(xué)中所應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算方法的基本思想可以歸結(jié)為:把原來在時(shí)間、空間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(如速度場、溫度場

33、、濃度場等,用有限個(gè)離散點(diǎn)上的值的集合來代替,按一定方式建立起關(guān)于這些值的代數(shù)方程并求解,以獲得物理量場的近似解。一個(gè)傳熱問題數(shù)值求解的總體步驟大致如圖卜1所示。線性問題!立控制方程、確7始條件與邊界條t4分子區(qū)域,確定點(diǎn)(區(qū)域離散化建立離散方程(方程離散化t初始與邊界條件離散化!l 琴解收斂否?>o:善解的分析l以當(dāng)前值重建離散方程圖卜2物理問題數(shù)值求解的基本過程計(jì)算傳熱學(xué)或數(shù)值傳熱學(xué)(Numerical Heat Transfer,NHT與計(jì)算流體力學(xué)(CFD所研究的主要內(nèi)容是一致的。不少文獻(xiàn)把熱流問題的數(shù)值計(jì)算一概稱為CFD“。因此,數(shù)值傳熱學(xué)的發(fā)展史就是計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展史。當(dāng)然

34、,CFD與NHT之間也還有不少區(qū)別。NHT中不討論無黏流動(dòng)及跨、超音速流動(dòng)數(shù)值計(jì)算中的一些特殊問題(如激波的捕獲等,而后者卻是CFD中的一個(gè)重要研究內(nèi)容。數(shù)值傳熱學(xué)的發(fā)展可分為三個(gè)階段。:這一階段的重大事件有:a交錯(cuò)網(wǎng)格的提出。1965年美國科學(xué)家Harlow Welch提出了交錯(cuò)網(wǎng)格的思想,即把速度分量和壓力存放在相差半個(gè)步長的網(wǎng)格上,使每個(gè)速度分量的離散方程中同時(shí)出現(xiàn)相鄰兩點(diǎn)間的壓力差。b對流項(xiàng)差分迎風(fēng)格式的再次確認(rèn)。c世界上第一本介紹計(jì)算流體及計(jì)算傳熱學(xué)的雜志“Journal ofComputational Physics”于1966年創(chuàng)刊。dPatankar 與Spalding于196

35、7年發(fā)表了求解拋物型流動(dòng)的PS方程。在產(chǎn)一s方法中,把Xy平面上的計(jì)算區(qū)域(邊界層轉(zhuǎn)換到x一平面上(CO為無量綱流函數(shù),從而不論在邊界層起始段還是在其后的發(fā)展段,所設(shè)置的計(jì)算節(jié)點(diǎn)均可落在邊界層范圍內(nèi)。e1972年SIMPLE算法問世。SIMPLE算法的一個(gè)基本思想是:在流場迭代求解的任何一個(gè)層次上,速度場都必須滿足質(zhì)量守恒方程。這一思想被以后的大量數(shù)值計(jì)算實(shí)例證明是保證流場迭代計(jì)算收斂的一個(gè)十分重要的原則。f1974年美國學(xué)者Thompxon,Thomes及Mastin提出了采用微分方程來生成適體坐標(biāo)的方法(TTM方法。TTM方法的提出為有限差分法與有限容積法處理不規(guī)則邊界問題提供了一條嶄新的

36、道路一一通過變換把物理平面上的不規(guī)則區(qū)域(二維問題變換到計(jì)算平面上的規(guī)則區(qū)域,從而在計(jì)算平面上完成計(jì)算,再將結(jié)果傳遞到物理平面上。初期萌芽階段以TTM方法的提出為結(jié)束標(biāo)志。從此CFD/NHT的發(fā)展成果已為向工程實(shí)際的應(yīng)用推廣創(chuàng)造了基本的條件。這一階段的重要事件有:a1977年由Spalding及其學(xué)生開發(fā)的GENMIX 程序公開發(fā)行。b1979年在計(jì)算傳熱學(xué)的發(fā)展中有三件大事:由美國11linoi s 大學(xué)的Minkowyes教授任主編的國際雜志“Numerical Heat Transfer”創(chuàng)刊,為全世界數(shù)值傳熱學(xué)的研究與使用者開辟了一個(gè)發(fā)表研究結(jié)果的國際論壇;由Spalding教授及其合

37、作者開發(fā)的流動(dòng)傳熱計(jì)算的大型通用軟件PHOENICS 第一版問世;對流項(xiàng)離散格式QuIcK格式的提出。C1980年P(guān)atankar 教授的名著“NumericaHeat Transfer and Fluid Flow”出版。d關(guān)于處理不可壓縮流體流場計(jì)算流速與壓力的耦合關(guān)系的算法,先后提出了SIMPLER、SIMPLEC算法。這一階段主要的主要事件包括:a前后處理軟件的迅速發(fā)展,GRAPHER, GRAPH TOOL,IDEAS,PATRAN,ICEMCFD等,均是在這一時(shí)期問世的。b巨型機(jī)的發(fā)展促使了并行算法及湍流直接數(shù)值模擬(DNS與大渦模擬(LES的發(fā)展。cPC機(jī)成為CED/NHT研究領(lǐng)

38、域中的種重要工具是該時(shí)期的一個(gè)特色。d一批CFD/NHT新喇吱材、參考書及期刊出版或創(chuàng)刊。e多個(gè)計(jì)算傳熱與流動(dòng)問題的大型商業(yè)通用軟件陸續(xù)投入市場,如FLUENT,FIDAP,STARCD, FLOW一3D等。f數(shù)值計(jì)算方法向更高的計(jì)算精度和更好的區(qū)域適應(yīng)性的方向發(fā)展,歸結(jié)起來有以下幾個(gè)方面;在網(wǎng)格生成技術(shù)方面,同位網(wǎng)方法得到進(jìn)一步發(fā)展,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的研究蓬勃展開;在對流項(xiàng)格式研究方面,一批具有有界性的高分辨率格式相繼出現(xiàn):在壓力與速度耦合關(guān)系的處理方面,提出了算子分裂算法PISO,SIMPLE系列的算法也由不可壓流推廣到可壓流;CFD 及NHT學(xué)術(shù)界對于數(shù)值計(jì)算結(jié)果的不確定度分析進(jìn)一步予以重視

39、,一些國際雜志開始對所采用的對流項(xiàng)格式的精度提出限制性的要求。1.5地鐵CFD模擬研究現(xiàn)狀及本課題的研究意義近些年來,隨著CFD計(jì)算技術(shù)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展,許多的工程領(lǐng)域都開始利用它來作為評價(jià)、優(yōu)化設(shè)計(jì)的手段,并取得了很大的成功。在隧道、地下鐵路的通風(fēng)工程當(dāng)中,CFD也有許多卓有成效的應(yīng)用實(shí)例“”“6“。比如“Analyzing a transit subway station during fire emergency using computational fluid dynamics、“CFDmodelingconsiderationsfortrainfiresin underground

40、 subway stations”和“Numerical simulation of subway station fires and ventilation1等等。由于一般情況下,乘客在地鐵站臺停留的時(shí)間短,乘客對空氣物理狀態(tài)舒適度反應(yīng),也是短時(shí)間的,因此,有些文獻(xiàn)明確指出:地鐵站臺的溫度和速度標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)降低,站臺空氣速度的大小甚至可以沒有上限,只要不產(chǎn)生“吹起灰塵、撩起衣裙”速度就可以接受”。地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范“”中也明確說明“既然乘客在站廳和站臺的時(shí)間特別短,只是通過和短暫停留,為了節(jié)約能源,只考慮乘客由地面進(jìn)入地下鐵道車站有較涼快的感覺,滿足于短暫舒適就可以了。人們對溫度變化有明顯感覺

41、得溫差為2以上,因此站廳的計(jì)算溫度比室外計(jì)算溫度低2,就能滿足暫時(shí)舒適的要求?！彼?以上對站臺風(fēng)速、溫度尺度的放寬,在一定程度上使得人們對站臺熱環(huán)境的關(guān)注降低。基于上述原因,地鐵在正常運(yùn)行當(dāng)中,站臺熱流場相關(guān)內(nèi)容的CFD模擬相對來說較少,相關(guān)研究不多。隨著地鐵環(huán)境研究的不斷深入以及計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展,地鐵環(huán)控?cái)?shù)值模擬得以引入到地鐵的環(huán)境中來?？茖W(xué)家對地鐵內(nèi)不穩(wěn)定氣體動(dòng)力學(xué)和熱動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了大量深入的研究。1973年舉行的第一次氣體動(dòng)力學(xué)和隧道通風(fēng)國際會議上,上述問題已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注。1975年,美國交通部開發(fā)出地鐵環(huán)境控制計(jì)算機(jī)模擬軟件SES。該程序可以模擬地鐵內(nèi)各種運(yùn)行工況下車站、14第一章

42、緒論隧道和通風(fēng)井中的風(fēng)速、風(fēng)量、氣溫和濕度以及車站的空調(diào)負(fù)荷,為以后許多的地鐵環(huán)控設(shè)計(jì)和方案選擇提供了較好的計(jì)算工具。隨著地鐵氣體動(dòng)力學(xué)和熱動(dòng)力學(xué)研究的不斷完善,計(jì)算軟件也得到了發(fā)展。如日本的吉日治典利用反應(yīng)系數(shù)法進(jìn)行地鐵熱狀況計(jì)算:J.Valensi等人對地鐵隧道內(nèi)活塞作用對氣流的影響作過大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。對于新建或正在籌建的地鐵系統(tǒng)來說,如果要實(shí)現(xiàn)建設(shè)現(xiàn)代化地鐵的目標(biāo),實(shí)現(xiàn)一流的乘客乘車環(huán)境,同時(shí)最大可能的降低能源消耗,就必須對站臺通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的評價(jià)和優(yōu)化。不合理的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),將在很大程度上影響建設(shè)初投資、地鐵運(yùn)營的效益以及將來整個(gè)地鐵系統(tǒng)的發(fā)展。準(zhǔn)確的模擬預(yù)測需要準(zhǔn)確地設(shè)置CF

43、D計(jì)算的邊界條件。對于實(shí)際的地鐵通風(fēng)狀況進(jìn)行研究,離不開全面的現(xiàn)場測試。自從地鐵誕生以來,測試工作幾乎一直沒有停過,獲得了許多很有價(jià)值的數(shù)據(jù)。關(guān)于地鐵站臺的通風(fēng)狀況,也有一些科研人員通過建立站臺的微觀模型進(jìn)行過相關(guān)研究,比如“Investigation of Pistoneffect and jet fan-effect in model vehicle tunnels”170】等等。對于地鐵系統(tǒng)的氣流場溫度場的科學(xué)研究,現(xiàn)場測試是十分必要的,如果能夠建立合適的微觀模型,進(jìn)行通風(fēng)實(shí)驗(yàn),會更有助于通風(fēng)的研究。因?yàn)楸菊n題時(shí)間、經(jīng)費(fèi)有限,只采取了現(xiàn)場測試的方法。國內(nèi)一直活躍在地鐵模擬領(lǐng)域的高等院校有

44、清華大學(xué)、西南交通大學(xué)等學(xué)校,他們很早就開展了和地鐵環(huán)境控制相關(guān)的研究,并自主開發(fā)了水平較高的地鐵熱環(huán)境模擬軟件STESS,以及CFD軟件STACH.3等等,對深圳地鐵、天津地鐵的環(huán)控系統(tǒng)都做過很深入的研究。他們曾經(jīng)利用STACH.3對天津地鐵既有線站臺的氣流組織做過模擬。但是,他們的湍流模型是最為簡單的零方程模型,這種模型的特點(diǎn)是計(jì)算收斂快,穩(wěn)定性好,可是準(zhǔn)確性差,因?yàn)樵诿枋鐾牧髁鲃?dòng)時(shí),這種模型忽略了湍流黏度,即只計(jì)算了湍流的時(shí)間平均值,沒有考慮脈動(dòng)對湍流的影響。在本課題以后的模擬計(jì)算中,將會看到湍流模型的選擇對整個(gè)地鐵系統(tǒng)溫度場、氣流場的計(jì)算結(jié)果將會產(chǎn)生什么樣的影響。計(jì)算網(wǎng)格是由計(jì)算域內(nèi)不

45、連續(xù)的部分組成的。在每一個(gè)成分中,求解控制室內(nèi)流動(dòng)和熱傳遞的方程。計(jì)算網(wǎng)格的劃分對計(jì)算結(jié)果、計(jì)算時(shí)間以及計(jì)算收斂都將會有很大的影響。如果在計(jì)算當(dāng)中采用均勻網(wǎng)格,網(wǎng)格分布過于稀疏,將會使計(jì)算的準(zhǔn)確性大大降低,同時(shí)很難達(dá)到收斂的目的,計(jì)算次數(shù)也將會相應(yīng)地增加。網(wǎng)格分布過于細(xì)密,將會使每一次的計(jì)算時(shí)間增加,沒有必要,如果某些區(qū)域太稀疏,而在別的區(qū)域太細(xì)密,求解可能不會收斂?？傊?求解的時(shí)間和精確度直接取決于網(wǎng)格的質(zhì)量,好的網(wǎng)格劃分將會節(jié)省計(jì)算時(shí)間以及提高計(jì)算的準(zhǔn)確性,本文在后面的研究中將會對不同網(wǎng)15第一章緒論格的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較。在過去的研究中,為簡化模型,只計(jì)算了四分之一或二分之一的站臺,認(rèn)

46、為整個(gè)站臺的流動(dòng)具有足夠的對稱性,而且對站臺的研究過程當(dāng)中,把站臺獨(dú)立起來分析,忽略了站廳層對站臺層的影響。事實(shí)上,當(dāng)列車停靠站時(shí),只設(shè)立二分之一的站臺模型是不合理的,因?yàn)閷τ趥?cè)式站臺來講,在沒有列車的另一側(cè)站臺與列車?？總?cè),流動(dòng)是不對稱的,相應(yīng)的邊界條件不能采用對稱的邊界條件;事實(shí)上,站廳層和站臺層是相通的,對于整個(gè)地鐵系統(tǒng)來講,站廳層或站臺層都屬于地鐵系統(tǒng)的內(nèi)部空間。在過去的研究當(dāng)中,不是把它們的相通之處忽略不計(jì),就是在那里設(shè)定一個(gè)速度或壓力邊界,但是這個(gè)內(nèi)部邊界與許多因素有關(guān),例如站廳、站臺層的送排風(fēng)狀況,以及它們的結(jié)構(gòu)尺寸和內(nèi)部設(shè)施等,所以很難對那里設(shè)定一個(gè)準(zhǔn)確的邊界條件。本課題首次將

47、站廳層和站臺層聯(lián)合起來作為一個(gè)整體進(jìn)行了研究。另外,對于壁面的熱邊界條件,他們采用的是絕熱的邊界條件。事實(shí)上,地鐵周圍的土壤通過地鐵壁面要從車站空氣中吸收一定的熱量,并非絕熱,而壁面溫度的波動(dòng)一般不會很大。所以,如果采用合適的等壁溫的熱邊界條件,將會使計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)際情況。缺乏現(xiàn)場實(shí)測來驗(yàn)證模擬的結(jié)果,是他們研究的另一缺陷。為了得到更切近實(shí)際情況的模擬結(jié)果,有必要建立全尺度的、采用復(fù)雜的但更準(zhǔn)確的湍流模型和更合適的邊界條件,由于時(shí)間的限制,本課題只對北京地鐵島式車站進(jìn)行了現(xiàn)場測試來驗(yàn)證這一模擬結(jié)果,評價(jià)其可靠性。對于地鐵系統(tǒng)火災(zāi)的研究,過去大多集中于地鐵隧道的緊急通風(fēng),日本、法國、俄羅斯等

48、國鐵路部門在火災(zāi)事故調(diào)查、火災(zāi)實(shí)驗(yàn)、列車?yán)淼婪罍缁鸺夹g(shù)以及發(fā)生火災(zāi)時(shí)的旅客安全疏散等方面,傲了大量的工作。但有關(guān)于地鐵車站發(fā)生火災(zāi)時(shí)車站的氣流場和溫度場的CFD模擬很少,本文對地鐵車站發(fā)生火災(zāi)的不同情況,進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬。由于受到實(shí)際情況的制約,地鐵車站火災(zāi)模擬也缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,鐵路列車的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)工作,我國目前還是空白,本課題首次將縮尺鹽水實(shí)驗(yàn)引入地鐵車站這樣的大的狹長空間,為了近一步驗(yàn)證CFD方法用于火災(zāi)模擬的可靠性,本文將CFD模擬結(jié)果,鹽水實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與實(shí)體燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。1.6本課題的主要研究內(nèi)容第一章緒論第二章CR3理論基礎(chǔ)及方程模型和網(wǎng)格劃分對計(jì)算結(jié)果的影咆第

49、二章CFI理論基礎(chǔ)及方程模型和網(wǎng)格劃分對計(jì)算結(jié)果的影響本課題根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)的相關(guān)原理,以CFD商業(yè)軟件為工具,對地鐵車站的環(huán)控系統(tǒng)和車站火災(zāi)進(jìn)行研究,本章簡要介紹一些理論基礎(chǔ),針對模擬過程中的實(shí)際情況,結(jié)合模型計(jì)算中得出的一些經(jīng)驗(yàn),分析討論了采用的方程模型和網(wǎng)格的合理劃分對模擬結(jié)果的影響。2。1傳熱與流體流動(dòng)閥題的數(shù)值方法”“”研究地鐵車站的環(huán)控系統(tǒng)和車站火災(zāi)情況,所涉及到的基本內(nèi)容就是傳熱和流體流動(dòng)的問題,本節(jié)簡要介紹研究傳熱與流體流動(dòng)問題的常用數(shù)值方法。從學(xué)科的內(nèi)容而言,數(shù)值傳熱學(xué)所研究的基本內(nèi)容也就是傳熱學(xué)中的四大模塊:熱傳導(dǎo),對流換熱,輻射換熱及傳熱過程、復(fù)雜換熱過程與各類換熱設(shè)備的

50、傳熱特性。目前,大多數(shù)應(yīng)用研究中所涉及到的傳熱與流動(dòng)問題可以分成三大類:導(dǎo)熱與對流換熱、熱輻射與輻射換熱、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性及動(dòng)態(tài)特性分析。下面簡要介紹這三類問題及其常用的數(shù)值計(jì)算方法。2。1。1導(dǎo)熱、對流換熱問題的場模擬這類問題的控制方程是一組描寫守恒原理的偏微分方程組,已發(fā)展出來的主要數(shù)值方法有:有限差分法是將求解區(qū)域用網(wǎng)格線的交點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)所組成的點(diǎn)的集合來代替。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上,描寫所研究的流動(dòng)與傳熱問題的偏微分方程中的每一個(gè)導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用相應(yīng)的差分表達(dá)式來代替,從而在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上形成一個(gè)代數(shù)方程,其中包括了本節(jié)點(diǎn)及其附近節(jié)點(diǎn)上的所求量的束知值。求解這些代數(shù)方程組就獲得了所需的數(shù)值解。在規(guī)則區(qū)域的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)

51、格上,有限差分法是十分簡便而有效的,而且很容易引入對流項(xiàng)的高階格式。其不足之處是離散方程的守恒特性難以保證,而最嚴(yán)重的缺點(diǎn)是對不規(guī)則區(qū)域的適應(yīng)性差。第二章渤理論基砬及方程模型和躊轄劃分對計(jì)算結(jié)果的影響有限容積法從描寫流動(dòng)與傳熱問題的守恒性控制方程出發(fā),對它在控制容積上做積分,在積分過程中需要對界面上被求函數(shù)的本身(對流通量及其一階導(dǎo)數(shù)(擴(kuò)散通量的構(gòu)成方式作出假設(shè)。用有限容積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒性(只要界面上的插值方法對位于界面兩側(cè)的控制容積是一樣的即可,對區(qū)域形狀的適應(yīng)性也比有限差分法好。是且前應(yīng)用最普遍的一種數(shù)值方法。本課題中對地鐵車站氣流場和溫度場的模擬分析研究所采用的數(shù)值方法

52、就是有限容積法,這是因?yàn)榈罔F車站內(nèi)設(shè)備、人員及其他設(shè)施的影響,使得網(wǎng)格劃分時(shí)只能采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,采用有限差分法難以保證結(jié)果的精確度。2.'.1.3有限元法Cflnite ohHnem moffiod,FEM有限元法中把計(jì)算區(qū)域劃分成一組離散的容積或者叫元體.然后通過對控制方程做積分來得出離散方程。它與有限容積法的主要區(qū)別在于:a對每一個(gè)元體要選定一個(gè)形狀函數(shù)(最簡單的為線性函數(shù).通過組件中節(jié)點(diǎn)上的被求變量值來表示該形狀函數(shù)。并在積分之前把所假設(shè)的形狀函數(shù)代入到控制方程中去:b控制方程在積分前應(yīng)乘以一個(gè)選定的權(quán)函數(shù),并要求在整個(gè)區(qū)域上控制方程余量的加權(quán)平均值為零,.從而導(dǎo)出一組關(guān)于節(jié)點(diǎn)上

53、被求變量的代數(shù)方程。有限元法的最大優(yōu)點(diǎn)是對不規(guī)則幾何區(qū)域的適應(yīng)性好。缺點(diǎn)是在對流項(xiàng)的離散處理及不可壓縮Navier-Stokes方程的原始變量法求解方面不如有限容積法發(fā)展成熟。此外,應(yīng)用于流動(dòng)與換熱計(jì)算的數(shù)值方法還有有限分析法(F塒、邊界元法(BEM、譜分析方法(SM、數(shù)值積分交換法(ITM、格子-Boltzmann方法(L刪、控制容積有限元法(cyF脒及微分求積法(D刪。熱輻射及輻射換熱是本質(zhì)上與導(dǎo)熱一對流換熱過程不同的一種熱量傳遞方式,其主要區(qū)別有以下三方面:a導(dǎo)熟與對流換熱只能發(fā)生在直接接觸的物體之間,亦即空間某一個(gè)元體只能與其相鄰的元體之間發(fā)生導(dǎo)熱或?qū)α餍问降臒崃拷粨Q。因而其過程的控制

54、方程為微分方程;而輻射換熱則可發(fā)生在兩個(gè)不直接接觸的表面之間。19輻射能量可以遠(yuǎn)距離傳輸,因而描寫傳遞過程的方程是積分方程或積分一微分方程。b導(dǎo)熱和對流換熱是依靠分子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)或流體微團(tuán)的宏觀位移來實(shí)現(xiàn)的,因而控制方程中有擴(kuò)散項(xiàng)和對流項(xiàng):輻射是電磁波的傳播,因而沒有這種遷移項(xiàng)。C導(dǎo)熱與對流換熱的實(shí)際傳遞速度都是有限的,因而控制方程中可能有非穩(wěn)態(tài)項(xiàng),而且在過程達(dá)到穩(wěn)定之前一直存在,而輻射換熱過程由于是以光的速度傳遞電磁波的,一般工業(yè)計(jì)算中都不考慮非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)的影響。工程中常見的輻射換熱問題的數(shù)學(xué)描寫可以分為三種類型:a代數(shù)方程,例如被透明介質(zhì)隔開的等溫漫射表面間(每個(gè)表面的有效輻射是均勻的的輻射

55、換熱問題。b積分方程,例如被透明介質(zhì)隔開的固體表面間的輻射換熱,其中每個(gè)表面或者溫度不均勻、物性不均勻、輻射不均勻,或者表面不是漫射的。C積分一微分方程,例如流體中的導(dǎo)熱和對流與輻射換熱耦合時(shí)的復(fù)合換熱(不論流體本身是否參與輻射換熱;溫度分布未知時(shí)參與性介質(zhì)中的輻射換熱。這-類流動(dòng)和傳熱問題的數(shù)值計(jì)算有三方面的特點(diǎn);2.1.3.1由于許多工程設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,在對發(fā)生于其間的流動(dòng)和傳熱過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí),常常需要對結(jié)構(gòu)或過程做合理的簡化。2.1.3.2這種數(shù)值計(jì)算的主要目的在于獲得對工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義的物理結(jié)果,而不在于發(fā)展數(shù)值方法,因而常常采用經(jīng)過廣泛考核比較成熟的算法、格式等。2.1.3

56、.3發(fā)生在許多工程設(shè)備中的傳熱與流動(dòng)的過程,不僅包括熱量傳遞的三種形式,而且常常伴隨有質(zhì)交換、化學(xué)反應(yīng)及燃燒等,因而需要綜合應(yīng)用各相應(yīng)分支學(xué)科中發(fā)展起來的數(shù)值方法。由于工程實(shí)踐中所需要知道的通常是某種平均特性,目前對換熱設(shè)備與系統(tǒng)所進(jìn)行的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的研究一般不采用場模擬的方法,而是采用降維的簡化模型。常常假定:a在垂直于流動(dòng)方向的通道或容器的截面上或在某一空間區(qū)域內(nèi),速度、溫度及壓力是各自均勻的:b流體與壁面間換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、阻力系數(shù)都是己知的。2.2傳熱與流體流動(dòng)問題數(shù)值計(jì)算的主要環(huán)節(jié)流動(dòng)與傳熱問題場模擬數(shù)值計(jì)算包括以下各個(gè)環(huán)節(jié)。首先對所研究的實(shí)際問題作出一定的簡化假設(shè),以確立其物理模

57、型。例如,當(dāng)物理過程中流體的物性變化不大時(shí)可作常物性的假定;物理量的場在某一方向上變化相對于其它兩個(gè)方向很小時(shí)可作二維的假定,等等。根據(jù)所確定的物理模型寫出該過程的控制方程及相應(yīng)的定解條件(初始條件及邊界條件,建立數(shù)學(xué)模型。建立物理模型時(shí)一般應(yīng)考慮以下諸方面的因素:a空間維數(shù):二維或三維:b時(shí)間因素:定常或非定常;c流動(dòng)形態(tài):層流或湍流。對于湍流,要選定相應(yīng)的湍流模型;d物性參數(shù):常物性或變物性,可壓縮及不可壓縮;e過程類型:拋物型還是橢圓型:f邊界條件是常規(guī)的l,2,3類邊界條件,還是耦合的邊界條件。進(jìn)行物理問題的數(shù)值計(jì)算時(shí),最佳的坐標(biāo)系是坐標(biāo)軸與計(jì)算區(qū)域的邊界相適應(yīng)的坐標(biāo)系。根據(jù)在空間任一點(diǎn)上三個(gè)坐標(biāo)面是否互相垂直,可區(qū)分為正交曲線坐標(biāo)系與非正交曲線坐標(biāo)系兩大類。對某一些特殊的計(jì)算區(qū)域,如果能在相應(yīng)的正交坐標(biāo)系中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,有利于簡化計(jì)算過程并提高數(shù)值結(jié)果的精確度。本課題進(jìn)行的模擬研究中選用正交坐標(biāo)系。數(shù)值計(jì)算中用離散的網(wǎng)格來代替原物理問題中的連續(xù)空間,網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)則是所求解物理量的幾何位置。從網(wǎng)格的構(gòu)造來說,可以分為結(jié)構(gòu)化(Structured、塊結(jié)構(gòu)化(Blockstructured及非結(jié)構(gòu)化(Unstructured三種。本課題中由于求解區(qū)域的復(fù)雜性,劃分的網(wǎng)格不可能全為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對于導(dǎo)熱、對流換熱這一類物理問題,過程的控