1、無屏蔽門地鐵車站活塞風控制方案優化分析李翠1 張培紅2童勁松3 蓋群31.同濟大學機械工程學院，上海 200029 2. 沈陽建筑大學市政與環境學院，遼寧 沈陽 110168 3.浙江梅霖設備安裝有限公司，浙江 杭州 311200摘 要：地鐵活塞風對站臺熱環境造成很大的影響，無屏蔽門地鐵車站可利用冷卻阻尼風可以阻擋活塞風進入站臺，緩和活塞風對前方站臺的熱侵入。利用橫流射流理論知識，分析冷卻阻尼風對活塞風控制原理。為了合理利用冷卻組尼風有效控制活塞風，采用計算流體動力學數值模擬的方法，模擬計算垂直90°和傾斜45°兩種冷卻阻尼風送風角度及在冷卻阻尼風噴口下加0.5m長管段對活

2、塞風的控制。分析不同模擬方案下站臺上速度分布和溫度分布，以判斷活塞風控制效果。通過了大量的模擬得出了可有效控制活塞風的冷卻組尼風噴口送風形式，在冷卻組尼風噴口下加0.5m長斜管45°射流可以大大改善對活塞風的變控制。合理利用冷卻阻尼風對于節約能源具有重要意義。關鍵詞：地鐵 活塞風 冷卻阻尼風 射流0 前言地鐵列車運行時產生的活塞風對前方車站站臺層的熱環境造成很大的影響1.活塞風速度大小與隧道、通過車站的阻力、通風井、列車速度以及空氣與列車速度之比有關在閉式系統中，常采用在車站兩端上下行隧道之間設置迂回風道的結構形式，以減少活塞風對站臺熱環境影響的目的但由于車站端頭的各種設備，使得迂回

3、風道與車站端頭間的距離受到限制，因此設置迂回風道對于活塞風的泄壓效果不明顯2.屏蔽門系統具有安全、節能、環保等特點但屏蔽門系統投資大，安裝后還會增加維修費用3，使得屏蔽門系統不能普遍使用如香港地鐵公司在它的30個車站的總投資達到20億港元，這也是國內許多城市在地鐵建設中為了節約成本而不得不放棄采用屏蔽門系統的主要原因。在站臺層與列車進站端隧道頂板的交匯處設置噴口向下噴射空調冷風以阻擋活塞風進入站臺，噴射的空調冷風為冷卻阻尼風。冷卻阻尼風在區間隧道和站臺層之間形成一道屏障，在活塞風進入站臺層之前通過垂直向下送入空調冷風2，以降低活塞風的溫度，從而有效地控制活塞風對車站公共區空調負荷的影響。冷卻阻

4、尼風不僅需要消耗空調系統大量的冷量，而且要通過風機使冷卻阻尼風具備一定的動量以阻擋活塞風直接進入站臺層。目前冷卻阻尼風的應用還存在一些問題需要進一步研究。本文以沈陽地鐵為例，研究有效控制活塞風的最佳冷卻阻尼風噴口送風方案。通過模擬計算，分析不同噴口形式、不同送風角度對活塞風的控制的影響。文獻4中研究了冷卻阻尼風噴口高度對活塞風控制的影響。1 理論基礎1.1 理論基礎橫流射流理論的應用，當射流射入主氣流中，射流進入主氣流后，即與主氣流發生動量交換.當射流射入主氣流一定深度后，逐漸被主氣流壓迫而轉向，最后被主氣流同化。實驗表明，射流進入主氣流基金項目：建設部研究開發項目（2008-k5-7）后，隨

5、著射流軌跡向前發展，軸心速度不斷降低，并逐漸轉向，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，單位質量的動量相應也大，故冷射流穿透深度比熱射流大伊萬諾夫由試驗得到下述射流軌跡方程，這是一個經驗公式，其中體現了速度比、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 平面勢流疊加原理計算模擬中冷卻阻尼風和活塞風被簡化成兩種不可壓縮的理想流體6，冷卻阻尼風對活塞風混合發生勢

6、流疊加，將活塞風流場、冷卻阻尼風流場 進行疊加以X-Z平面為例：XZ 圖1 冷卻阻尼風對活塞風阻擋原理圖橫流： （2） (3) (4) (5)式中 -對熱壓的影響系數；-室外空氣密度，kg/m3；-活塞風密度，kg/m3；-隧道長度，m;-動靜壓轉換系數射流： (6)式中 -射流出口速度，m/s;b-冷卻阻尼風口寬度，m;-紊流系數；-射流軸線與軸夾角 （7）2 物理模型及邊界條件2.1計算模型以沈陽某地鐵車站為研究對象，該地鐵車站隧道通風空調系統包括冷卻阻尼風送風、站臺軌頂排風以及站臺下軌底排風建立三維地鐵車站模型，以冷卻阻尼風口中點為坐標原點（X為橫向，Y為縱向），計算模擬單列車進站工況，

7、計算區域的選取沒有考慮對面隧道，計算區域平面圖如圖2所示有效站臺尺寸為110m×12m×3.5m，隧道斷面尺寸為4.4m×5.4m，冷卻阻尼風口尺寸為1m×3.6m，噴口高度5.4m，風口位于距站臺25m處隧道的頂端圖2 計算區域平面結構圖形地鐵車站的結構非常復雜，經過一定的簡化建立三維地鐵車站的幾何模型，利用非結構化網格生成技術，由于站臺送、排風口尺寸遠小于有效站臺尺寸，在進行非結構化網格劃分時，站臺總體網格尺寸為0.5×0.5，并對送、排風口進行局部細化，網格尺寸為0.2×0.2，站臺進出口樓梯的網格尺寸為0.3×0.3

8、.計算模擬的風口形式如圖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對活塞風的控制原理是基于橫流中的紊動射流模擬計算中的速度進口邊界條件與速度出口邊界條件的設定與橫流中紊動射流相似，如文獻7所述，地鐵隧道冷卻阻尼風噴口安裝高度5.4m，在冷卻阻尼風噴口下加設0.5m長的噴口對活塞風控制效果的影響。冷卻阻尼風送風角度分別為垂直90°和傾斜45°射流計算模擬時冷卻阻尼風送風溫度均為19，冷卻阻尼風的出流速度7.5m/s，動態模擬活塞風，列車進站端隧道斷面活塞風速度變化曲線如圖4所示8 只

9、開啟軌底排風，排風口的速度為2m/s圖4 進站端活塞風速度隨時間變化曲線3.計算模擬結果分析3.1模擬工況論文以列車進站端的一半站臺為主要分析對象，計算模擬單列車進站過程中冷卻阻尼風對活塞風的控制，選取乘客候車比較集中及列車進站過程中對站臺影響比較大的區域，分析其對站臺的熱舒適性的影響采用Fluent軟件計算模擬不同工況下對活塞風的控制的影響，模擬時間為120s，冷卻阻尼風送風溫度均為19，活塞風溫度為35，冷卻阻尼風的出流速度為7.5m/s.在其他邊界條件一定時，冷卻阻尼風的送風角度分別為垂直90°和傾斜45°，冷卻阻尼風噴口加設了0.5m的長管段，各工況的具體說明如表1

10、所示.表1 計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冷卻阻尼風送風角度對活塞風控制的影響在冷卻阻尼風應用中，以垂直向下送入的冷卻阻尼風阻擋橫向活塞風來流時，兩股氣流混合后向站臺側有較大的偏斜，為了加強冷去阻尼風的阻擋力，根據勢流疊加原理，在送風速度不變情況下，改變冷卻阻尼風的送風角度為與橫向來流成反向45°角，計算模擬工況一和工況二兩種情況下對活塞風的控制效果。 送風角度對站臺速度場的影響計算模擬80s時，兩股氣流匯合后相互混合

11、達到最大，對站臺的舒適性影響最大在兩種工況下，垂直90°和傾斜45°射流時，站臺上距列車進站端25m處縱剖面的速度場如圖5和6所示。圖6工況二距站臺25m處縱向剖面速度場圖5 工況一距站臺端25m處縱向剖面速度場站臺上距隧邊緣0.8m處的縱剖面上的速度場如圖7和圖8所示。由圖可知改變送風角度為傾斜45°射流時，站臺速度場小于垂直90°射流，站臺上的速度場得到了改善。圖8 工況二距站臺隧道邊0.8m橫向剖面的速度場圖7 工況一距站臺隧道邊0.8m橫向剖面的速度場 送風角度對站臺溫度場的影響工況一和工況二下，距站臺高度1.7m處的溫度場如圖9和圖10 所示。

12、由圖可知，工況二下距列車進站端處的一半站臺上的溫度場變比較均勻，相對列車進站的一端高溫區域較少。圖10工況二站臺1.7m高處的溫度場圖9 工況一站臺1.7m高處的溫度場通過以上模擬結果的分析可知，改變冷卻阻尼風的送風角度可以改善對活塞風的控制。工況二下傾斜45°射流時，站臺上的溫度場和速度場得到了提到，熱舒適性較好。3.3 冷卻阻尼風噴口下加管對活塞風控制的影響為進一步改善冷卻阻尼風對活塞風的控制效果，減少隧道底部冷卻阻尼風射流速度的衰減，噴口高度為5.4m時，垂直90°射流時，在噴口下加設0.5m長直管段，傾斜45°射流時在噴口下加設0.5m長斜管段。其他邊界條

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

14、加管對站臺溫度場的影響工況三和工況四況下，距站臺高度0.5m處的溫度場如圖15和圖16 所示。由圖可知，工況四下列車進站端溫度較低，相對列車進站端處的一半站臺上的高溫度區域較少。圖15 工況三站臺0.5m高處的溫度場 圖16工況四站臺0.5m高處的溫度場 通過以上分析可知，在冷卻阻尼風噴口下加0.5m長管，工況四對活塞風的控制效果要優于工況三。4 結論控制活塞風所用的冷卻阻尼風是來自車站的空調送風，并且要保證具有一定的冷量、動量和風量才能和活塞風進行熱值交換。因此，在利用冷卻阻尼風對活塞風控制，一定要合理有效利用冷卻阻尼風，減少不必要的浪費。在詳細分析了冷卻阻尼風送風角度分別為垂直90

15、6;和45°時以及在冷卻阻尼風噴口下加0.5m長管段對活塞風的控制，對比分析以上四個模擬工況可知，工況四下對活塞風的控制效果較好些即冷卻阻尼風噴口加管傾斜45°射流時活塞風的控制效果最好。在控制活塞風中有效應用冷卻組尼風，對于節約能源具有重要的意義。參 考 文 獻1 董志周，吳喜平.地鐵車站熱環境分析J.上海節能,2003(5):36-40.2 吳喜平.冷卻阻尼風在地鐵站中應用的研究分析.華東電力J，2001(1)：17-19.3 謝瑞春.屏蔽門系統在城市軌道交通中的應用. 中國科技信息J，2006 年(3)：113-114.4 張培紅，李翠.冷卻阻尼風噴口高度對地鐵活塞風控制效果影響.沈陽建筑大學學報自然科學版，2008（4）：667-670.5 G. S. Theodoridis，D. Lakehal，W. RodiThree-dimensional calculations of the flow field around a