地鐵站臺氣流狀況現(xiàn)場測試及CFD模擬_圖文

1、地鐵站臺氣流狀況現(xiàn)場測試及CF D模擬天津大學(xué)邢金城m涂光備那艷玲美國普渡大學(xué)王良柱鐵道部第三設(shè)計研究院劉英杰鄭東文摘要地鐵站臺的氣流流動屬湍流流動,采用CFD對站臺通風(fēng)方式進行模擬時需要確定相關(guān)的邊界條件和適用的湍流模型。通過對既有地鐵站臺氣流狀況的現(xiàn)場測試,獲得了有參考價值的數(shù)據(jù);建立了CFD模型。CFD模擬結(jié)果與測試數(shù)據(jù)的比較表明,所選的湍流模型能正確模擬復(fù)雜的站臺氣流流動。關(guān)鍵詞地鐵站臺活塞風(fēng)CFD邊界條件湍流模型File d te st a nd CFD sim ula tion o f a irflo w inund e rg ro und ra ilwa y sta tio n

2、p la tfo rm sB y X ing J in ch en g n,Tu G uangb ei,N a Y anling,W ang L iang zh u,Liu Y in gjie and Zheng D ongw enAbstr a ct Air flow in underground r ailwa y sta tion platf or ms is tur bule nt.Bounda ry c onditions a nd pr ope r turbulence m odel ar e r equired to deter mine whe n adopting CF D

3、to simulate platf or m ventila tion.Based on f ield tests a nd me asur eme nt of air f low of some existing pla tforms,obtains va luable data.Sets up a CFD simulation model.The compar ison r esults of CF D simulation and field tests show that the se lected tur bule nce model can corr ectly simulate

4、c omplicate d a ir flow in the platf or ms.Keywor ds undergr ound ra ilwa y station pla tform,piston flow,CF D,boundar y condition,turbulence modeln Tianjin University,Tianji n,C hinay0引言地鐵站臺通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計是地鐵環(huán)境控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在建設(shè)之前對各種通風(fēng)方案進行科學(xué)可靠的分析比較、計算模擬和模型試驗是十分必要的。近些年來,CFD計算技術(shù)在隧道、地下鐵路的通風(fēng)工程中有許多卓有成效的應(yīng)用實例12?；诖?國內(nèi)

5、外的專家學(xué)者也開始將CFD計算技術(shù)引入到地鐵環(huán)控系統(tǒng)研究中來37。準確的模擬預(yù)測需要準確地設(shè)置CFD計算的邊界條件。對于實際的地鐵通風(fēng)狀況進行研究,離不開有參考價值的現(xiàn)場測試。另外,在工程領(lǐng)域中,湍流模型是應(yīng)用較廣的描述流動的方法之一。本文以天津地鐵既有站改造為背景,對天津地鐵海光寺車站、西南角車站站臺進行了現(xiàn)場測試,獲得了模擬所需要的邊界條件(出入口風(fēng)速、壁面溫度等;并且建立了上述站臺的全尺寸三維幾何模型,采用適合的湍流物理模型進行數(shù)學(xué)分析處理,將計算結(jié)果和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行了比較,以驗證模擬的有效性。現(xiàn)場測試所得的邊界條件可以作為后續(xù)模擬的參考數(shù)據(jù),并為天津地鐵改造提供參考。y m邢金城,男

6、,1962年6月生,博士研究生,講師300072天津市南開區(qū)衛(wèi)津路92號天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院(02287401917收稿日期:20030627一次修回:20040315二次修回:200503151地鐵車站現(xiàn)場測試1.1天津海光寺站測試測試時間:2001年6月26日測試地點:海光寺站北側(cè)站臺測試內(nèi)容:地鐵車站圍護結(jié)構(gòu)各壁面溫度,車站內(nèi)空氣流速(包括活塞風(fēng)風(fēng)速的測試,車站內(nèi)外溫濕度測試儀器:接觸式表面溫度計、非接觸式溫度計、熱球風(fēng)速儀將站臺按長度分為5段測試壁溫,數(shù)據(jù)見表1。表1海光寺站北側(cè)站臺圍護結(jié)構(gòu)溫度e第1段第2段第3段第4段第5段側(cè)墻接觸上21.0站臺頂燈附近溫度2518e,站臺柱溫

7、度為2312e。軌道溫度為2210e,對面站臺側(cè)壁溫度一端為2310e,另一端為2312e。車站站臺溫度為2418e,相對濕度為7215%,車站外溫度為35 e,相對濕度為70%。在車站站臺一端靠區(qū)間側(cè),無列車通過時風(fēng)速為012m/s,車輛進站風(fēng)速逐漸加大,最高達018 m/s,車停時為013m/s,車離站階段最大為014 m/s。一輛列車進,一輛列車出時,風(fēng)速最大能達113m/s。在站臺中間靠區(qū)間側(cè),無車時風(fēng)速為012 0125m/s,車進站時為015017m/s,最大風(fēng)速發(fā)生在車剛停時。車剛開時,風(fēng)速為018m/s。對面有列車時,最高風(fēng)速為016m/s。在列車出入口外側(cè)走道測風(fēng)速,無列車通

8、過時,風(fēng)速由上至下為013,0135,019m/s;有列車進站時,風(fēng)速可達212314m/s;列車出站時為016 m/s。由于測試儀器比較簡單,所以,未能得到站臺兩端斷面及站臺上斷面具體各點的速度、溫度值。但是,這次測試使我們對既有站臺氣流狀況有了大致了解,并發(fā)現(xiàn)以下問題:a由于是雙線側(cè)式站臺,橫斷面比較大,所以,活塞風(fēng)的影響不是很大(對速度的增加量在016018m/s之間,列車停靠時對?？總?cè)站臺氣流速度的影響要大于對對面站臺的影響。b乘客出入口斷面上速度分布很不均勻,靠近地面的速度要比高處大許多,因此,若要準確確定由乘客出入口流出的風(fēng)量,應(yīng)該在同一斷面設(shè)多個測點測量計算。c如果以列車離站時間

9、為零點計,那么在前80s左右在站臺列車進口端能感受到即將進站的列車產(chǎn)生的風(fēng),列車在前70s左右進入站臺,前1 min左右停車。由列車進站而引起的站臺速度場變化的時間段是在前80s至前60s之間,即進站階段,歷時20s左右,因此這恰恰就是本課題所關(guān)心的時間段。因為活塞風(fēng)產(chǎn)生影響的時候,是站臺上各點速度出現(xiàn)最大值的時間段,而且,在這個進站時間內(nèi),列車運行也帶來了很大的熱負荷。d從測試結(jié)果可以看出,列車離站造成的站臺上的風(fēng)速要比進站小,因此,最不利時間段取在列車進站這個時間段內(nèi)是恰當?shù)摹站臺四壁的溫差基本不大,取一個平均溫度值作為模擬的邊界條件是可行的。1.2天津西南角地鐵車站測試測試時間:200

10、1年9月11日測試地點:西南角站測試內(nèi)容:地鐵車站圍護結(jié)構(gòu)各壁面溫度,站臺上5個斷面上12個測點的瞬時速度(被處理為斷面平均速度、乘客出入口斷面12個測點的瞬時速度(以獲得流出乘客出入口的平均流量,站臺端部斷面上的速度(以獲得活塞效應(yīng)平均風(fēng)量測試儀器:阿斯曼溫濕度計、紅外線測溫儀、Multichannel Anemomaster熱線風(fēng)速儀、Kanomax熱電偶溫度自記器、微壓計等測試斷面的位置以及斷面上測點的布置如圖1所示。 圖1 測試斷面及測點布置圖a圍護結(jié)構(gòu)溫度分布見表2。b斷面A 上的溫度分布。斷面A 的平均溫表2 西南角站北側(cè)站臺圍護結(jié)構(gòu)測試溫度溫度/ex =1218m x =2516

11、m x =3814m x =5112m站臺壁3323.223.823.423.4注:站臺有效長度約為64m,均分為5段,一段約1218m,共測4個斷面上的溫度。表3是計算處理后所得的斷面平均風(fēng)速與斷面上的瞬時最大風(fēng)速。表3 斷面平均風(fēng)速與瞬時最大風(fēng)速斷面A斷面B 斷面C 斷面D 斷面E 斷面F斷面G斷面H0.670.362.88 1.81$v =v max -v min /(m /s0.440.250.360.120.092.25 1.40作為邊界條件的風(fēng)量/(m 3/s20.181.556.8622.315.03a圍護結(jié)構(gòu)壁面溫度和上一個車站的測試結(jié)果略有差別,這與列車的季節(jié)運行狀況等有關(guān)。

12、b站臺上最大風(fēng)速出現(xiàn)在乘客出入口處,這和文獻8相吻合。由于所關(guān)心的時間段比較長(20s,所以斷面平均風(fēng)速不像想象中那么大。各不同測試斷面的最大風(fēng)速和最小風(fēng)速的差值在01092125m/s 之間。從圖2可以看出兩者之間的關(guān)系。過乘客出入口之后的測試斷面D 和E 的平均圖2 斷面速度波動圖風(fēng)速較小并幾乎相等,而且風(fēng)速波動也很小,只有01090112m/s,說明活塞風(fēng)對過乘客出入口之后的站臺區(qū)域的影響不大,由于最大風(fēng)速是由于活塞效應(yīng)引起的,而出現(xiàn)最小風(fēng)速的時候可以認為是活塞效應(yīng)影響最小的時候,因此兩者的差值便在一定程度上反映了活塞效應(yīng)對站臺上不同區(qū)域風(fēng)速影響的大小。對于乘客出入口來說,風(fēng)速的變化是最

13、大的,達2125m/s 之多,說明這里是地鐵的活塞效應(yīng)影響最為突出的地方(對雙線側(cè)式站臺而言。綜合以上的分析,可以得出以下結(jié)論:地鐵的活塞效應(yīng)對于雙線側(cè)式站臺影響不大,對于列車入口和乘客出入口之間的站臺部分,活塞風(fēng)引起的速度變化測試值為01250144m/s;對于乘客出入口的影響最大,達到2125m/s 之多;乘客出入口和列車出口之間的站臺部分,活塞風(fēng)的作用最小,乘客出入口充當了泄流口的作用。這也表明乘客出入口平均斷面風(fēng)速作為一個邊界條件對成功模擬側(cè)式站臺氣流狀況至關(guān)重要,必須加以足夠重視。通過兩次測試得到了進行模擬所需采用的邊界條件,以及驗證湍流模型所需要的站臺上的斷面 風(fēng)速。需要注意的是,

14、圖1中的斷面U 即列車進站斷面速度邊界條件是無法通過測試方法獲得的,因為列車運行,無法在該斷面布置速度場測點,以下的模擬計算中,該面的流量是通過以風(fēng)量平衡等為約束條件的模擬試算得到的。2 西南角既有車站CFD 模擬結(jié)果與分析2.1 西南角舊站的概況及其三維幾何模型西南角車站是很典型的天津地鐵既有站,因此作為測試模擬的首選。車站的尺寸為長寬高(x 1y 1z 1=7414m 1817m 414m,雙線側(cè)式站臺,共有兩個乘客出入口(長高=614m 219m,站臺端部為工作間;站臺上未設(shè)機械排風(fēng)系統(tǒng),排風(fēng)靠乘客出入口排出,車站兩端各有1臺風(fēng)機,風(fēng)口設(shè)于列車進站側(cè),朝垂直于列車的方向送風(fēng),送到對面隧道

15、墻上,然后向兩邊擴散。該數(shù)值模擬的模型是以西南角舊車站為基礎(chǔ)的,其幾何模型見圖1。2.2 數(shù)值模擬的邊界條件、相關(guān)格式及參數(shù)設(shè)置斷面A F 的速度分別為0167,0172,0136,112,0181,0153m/s;風(fēng)量分別為1155,12104,6186,2213,15103,20118m 3模擬的斷面平均風(fēng)速與測試的斷面平均風(fēng)速的比較見圖3,站臺上117m 高度處的速度等值線見圖4。 圖3 斷面平均風(fēng)速分布曲線從圖3(斷面A E 具體位置見圖1可以看圖4 模擬計算速度分布圖到,經(jīng)多次的試算,模擬計算結(jié)果和實際測試的結(jié)果吻合得較好。盡管在斷面C 和E 兩者相差較大(011012m/s,但是在

16、其他斷面相差不大,而且,沿站臺長度方向,速度變化的趨勢也基本相同,結(jié)果比較令人滿意。因此對于圖1中風(fēng)速不可測量的斷面,其模擬的速度值可以作為以后模擬的邊界條件。另外,選用標準雙方程模型對計算復(fù)雜的站臺氣流流動是可行的,其準確度是可信的,相關(guān)模擬設(shè)置可供以后模擬參考。從圖4中可以看出,由于乘客出入口的泄流作用,大部分活塞風(fēng)都通過它流出站臺,靠近列車出口站臺區(qū)域的流速比較小,大致為014m/s,這與實測的數(shù)值比較接近。另外,在站臺上117m 高度處,最大風(fēng)速出現(xiàn)在乘客出入口靠列車進站口側(cè),約1189m/s,這一點和文獻8一致。對于非列車?？總?cè)站臺,乘客出入口的氣流作用依然存在,盡管氣流擴散的空間要

17、比列車停靠側(cè)大許多。選擇合適的乘客出入口處邊界風(fēng)速,是準確模擬站臺通風(fēng)的前提條件之一。3 結(jié)論通過測試及模擬分析,可以看到乘客出入口的泄流作用比較大,因此這個邊界條件對成功模擬側(cè)式站臺氣流狀況至關(guān)重要,必須予以足夠的重視;另外,選用標準雙方程模型對計算復(fù)雜的站臺氣流流動,其準確度是可信的;對于一些不可確定的邊界條件,可以采用特殊的處理方法得到,本文根據(jù)所測試獲得的其他數(shù)據(jù)采用試算的方法。盡管邊界條件的確定比較復(fù)雜,但CFD 模擬應(yīng)用于地鐵站臺通風(fēng)系統(tǒng)的評價是完全可行的。參考文獻1 Abu 2Zaid ,Sameer A .Analyzing a tr ansit subway station(

18、下轉(zhuǎn)第94頁圖9不同用戶負荷分配時的控制曲線組成的封閉區(qū)域即為遠端定壓差控制時系統(tǒng)工況點的變化范圍;OD M為近端定壓差控制曲線。通過上述分析計算,可以得出:a系統(tǒng)近端定壓差時,水泵揚程需求僅取決于負荷大小而與負荷分布無關(guān);遠端定壓差時,水泵揚程需求不僅與負荷大小有關(guān),還與負荷分布有關(guān)。b除用戶全開或全關(guān)兩種工況外,遠端定壓差時系統(tǒng)揚程需求較近端時小,系統(tǒng)運行較為節(jié)能。這是因為遠端定壓差時,系統(tǒng)具有最大的可變揚程。c系統(tǒng)遠端定壓差時,用戶負荷集中于近端時系統(tǒng)揚程需求較負荷比例變化時小,負荷集中于遠端時系統(tǒng)揚程需求較負荷比例變化時大,這是因為遠端負荷需要的輸送能耗大。4結(jié)論在空調(diào)變水量系統(tǒng)設(shè)計中

19、,國內(nèi)常采用分集水器壓差旁通控制的一次泵系統(tǒng),國外常采用帶橋管的二次泵系統(tǒng)。本文對二次泵系統(tǒng)形式、負荷調(diào)節(jié)及壓差控制策略進行了探討,得出以下結(jié)論。4.1二次泵系統(tǒng)通過設(shè)置橋管,不僅有效地解決了制冷機定流量負荷側(cè)變流量的矛盾,而且實現(xiàn)了系統(tǒng)各部分水力工況隔離,同時具有分布式水泵水力穩(wěn)定性好的特點。4.2當供冷系統(tǒng)容量較大且負荷變化范圍較寬時,采用多泵并聯(lián)變速運行可有效降低運行能耗,在低負荷時系統(tǒng)仍能保持較高的效率。4.3水泵調(diào)速采用遠端恒定壓差控制時,系統(tǒng)具有最大的可變揚程,運行能耗較近端壓差控制要小。遠端壓差控制的揚程需求不僅與負荷大小有關(guān),還與負荷分布有關(guān)。參考文獻2Luther K.Var

20、 iable volume pumping fundamenta ls.H eat ing P iping Air Condit ioning,1998(83Luther K.Applying var iable volume pumping.H eat ing P iping Air Condit ioning,1998(104Weinstein T aylor and Associates.T he PST SystemH ydronic circuitry for high efficiency.http:/www.7ASHRAE.ASHRAE H andbook H V AC Applications.19958H egberg R A.Selecting cont rol and balancing valves in var iable flow system.ASHR AE J,1997,39(6:(上接第117頁dur ing fire emer gency using computational fluid dynamics.Transport ation Research Recor d.No1521.1996.1592Elias Steven R,R aw Michael J