地铁车站通风与火灾的CFD仿真模拟与实验研究_图文

1、天津大学博士学位论文地铁车站通风与火灾的CFD仿真模拟与实验研究姓名:那艳玲申请学位级别:博士专业:建筑技术科学指导教师:涂光备20031201摘要随着城市地铁的大规模建设,地铁车站环境和地铁火灾成为研究人员越来越关心的课题。建立良好的地铁环境的目的不仅仅在于提供一个安全、舒适的乘车环境,而且对于节省能源,降低建设费用与运行费用都有实际的意义。正确的选择模型方程,合理的划分计算网格,对CFD数值模拟的结果有着重要的影响。本课题比较了现场测试结果与计算结果,分析了湍流模型的选择对整个地铁系统温度场、气流场的计算结果的影响,得到了双方程计算准确性优于零方程的结论。计算网格是由计算域内不连续的部分组

2、成的,在每一个成分中,求解控制室内流动和热传递的方程。计算网格的划分对计算结果、计算时间以及计算收敛都将会有很大的影响。求解的时间和精确度直接取决于网格的质量,好的网格划分将会节省计算时间以及提高计算的准确性,本文对不同网格的计算结果与实测值进行了分析比较,得到了较为优化的网格划分。现场测试的目的是获取计算模拟所需要的边界条件(温度、速度等,验证湍流模型用于模拟站台通风的可行性。本文利用CFD方法模拟一个岛式站台冬季工况的温度场和气流场,在实验条件允许的情况下测得一些实验数据,将模拟结果与实验结果进行对比验证,证明了地铁车站计算机模拟的可靠性,并从中采集并确定了某些边界条件。并对列车进站过程进

3、行了仿真模拟。不同城市的气候条件、室外温湿度差异很大,因此选用何种环控方案,应根据客观条件、工程造价、运行效果等方面综合分析。本文以南方的深圳,北方的天津和东北的沈阳为例,对这三个不同地区的夏季空调工况的气流场和温度场进行了模拟计算。对天津岛式和侧式车站的不同气流组织进行了方案优化,对沈阳空调通风方案进行了比较,提出了适合于天津和沈阳地铁车站的通风方式。通过CFD数值模拟对屏蔽门的经济性、轨底排风与顶部局部排风的作用进行了分析。本文针对地铁火灾发生的各种状况如有屏蔽门和无屏蔽门的站台、站厅及列车火灾的各种情况的温度场和气流场进行了CFD仿真模拟,并分析了火灾发生的位置及排烟量对地铁车站气流场和

4、温度场的影响。盐水实验模拟研究方法属于小尺寸模拟试验。本文针对站台及列车着火两种情况进行了盐水实验,实验结果与模拟结果进行了比较。利用实体燃烧实验与模拟的结果分析比较,对CFD方法研究火灾的可靠性和适用性进行了近一步的验证。本课题开发了一套专门用于地铁环控数值模拟的汉化专用软件。关键词:CFD模拟地铁环控现场测试地铁火灾盐水实验实体燃烧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独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得苤鲞叁芏或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:习多7。把论签字日期:聊铲年/月/.Z

15、R学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤注盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名:劲枕孑令导师签名签字日期:zJ年/三月/r日 较小。由此决定了其火灾特征与地上建筑有着很大的差别,采取的火灾防治对策也应当有所不同。地铁系统与外界连通的出入口少,发生火灾后,烟、热不能及时排出,热量聚集,建筑空间温度上升快,可能较早地出现轰燃,使火灾温度很快升高到800以上,烟气急

16、剧膨胀。因通风不足,燃烧不充分,一氧化碳、二氧化碳等有毒气体的浓度迅速增加。高温烟气的扩散流动,不仅使所到之处的可燃物会全部蔓延,更严重的是导致疏散通道能见度降低,影响人员疏散和消防队员救火。1987年11月18日,伦敦地铁金克罗斯站发生大火,由于站内设各陈旧,对火灾初期的反应及报警不及时,酿成31人死亡的重大事故。事故发生后,英国消防部门成立了调查组,对事故进行了深入细致的调查,火灾是因为未熄灭的烟头掉进木质电梯缝间,引燃电梯下可燃杂物致灾的。得到的既有安全技术措施不当方面的教训,也有地铁管理部门的领导者和管理人员安全意识不强、火灾隐患整改不力方面的教训。1981年6月,纽约地铁因电线短路发

17、生火灾,21名乘客受伤,他们挤在黑洞洞的地下客车内,一片嘈杂,混乱不堪。1981年6月,莫斯科“十月线”发生火灾,虽然没有公布有关数字,估计情况是非常严重的。据不完全统计,日本1961-1975年共发生地铁火灾45起。每年平均3起“。2003年2月18日上午,韩国大邱地铁被人纵火,造成严重的人员伤亡。首先1079号地铁列车发生纵火案,列车迅速燃烧时,正巧1085号地铁列车也抵达中央路车站。此时地铁已断电,1085号列车在无法开门的情形下也随即燃烧起来。据悉,在火灾发生时,出事两列地铁列车上总共约有800多名乘客。图为韩国地铁着火的现场及被烧毁的车辆。我国的北京地铁几年来也先后几次发生火警和火灾

18、,造成36人死亡。他们是因为地下毒烟气和二氧化碳导致窒息身亡的【”l。 图1i韩国地铁火灾现场星二童堕堡.目前,我国对地铁系统建筑设计防火问题,没有相应的规范,也缺乏有关的研究设计资料,特别是那些建成较早的地铁系统,由于历史原因和技术条件,对地铁系统的火灾特点和防治技术的研究比较薄弱,随着地铁的广泛应用,应该对地铁火灾的研究给予足够的重视。1.2地铁环控系统的研究进展19l原始人类在穿越非洲大陆以及在横跨欧洲大陆时留下的痕迹,表明了人类对迁徙的内在渴望。不久,原始人学会了在雪橇上运送重物。公元前4000年,美索不达米亚地区的居民发明了车轮,随后即是两轮马车。早期的车轮做的很宽,以便运送重物,人

19、们不久便认识到有必要做出一种很坚固、更光滑的表面,使之有利于运输。随着货运量的增加,人们又转向了四轮车,并且修建的道路也更直更好,能通到更远的地方。最终,这种道路的发展导致了铁路在英国的出现。第一条穿越城区而过的铁路,同时也是世界上的第一条地铁“大都会”号,于1863年1月10日在伦敦开通。列车是在地下运行,但它们却是由蒸汽机驱动的。尽管由于冒烟的发动机在地下部分运行时造成环境很不舒适,“大都会”号还是立即获得了成功。它是如此之成功以至伦敦不久便开始扩建地铁使之通向迅速扩大的新的城区部分。最初“大都会”的通风是由表面是格栅的“通风孔”送风,给乘客以舒适的感觉。几年后,中部伦敦地铁公司安装了名为

20、“臭氧发生器”(空气净化器的装置。它能将新鲜的空气吸入车站内,但这种装置对被吹入的空气中加入的臭氧量过多,使旅客们感到气味很难闻。所以不久以后这种装置也废弃了。在伦敦进行的更近一些的尝试,还包括将隧道中的空气用功率强大的风扇从特别设计的风管中排出去,新鲜空气经车站入口、楼梯间和通风竖井引入。另外,还将隧道内的列车作为一种主要的通风方式,为增加这种“活塞效应”的通风作用,新鲜空气在进入车站月台之前,是经过设在阶梯型竖井和特殊井口中的通风通道吹入的。“大都会”号,即以后的伦敦地铁,在电力机车引入时又遇到了新的问题。由于电力机车的功率很大,放出的热量更多,新鲜空气在被强制引入车站月台的同时,也要被强

21、制送入隧道内,以防止由于这种大功率发动机造成温度闷益升高。散热量增加的同时,也由于客运量的增大,馈伦敦地铁内形成了一种难以忍受的窒息状态。1904年10月,纽约的第一条地铁开通运行。但是开通不到一年,由于地面通风口不足而引起的地铁内温度过高的问题变得严重起来。为增加通气量,车站的顶部设置了更多的通风口,车站之间还修建了风机室和通风管。事实上,纽约地铁并不是北美第一条地铁,波士顿地铁开通于1897年,它是北美最早的地铁。在通常情况下,给地铁的通风问题几乎完全是依靠列车的“活塞效应”来解决的,排气扇只在紧急情况下才打开。建成于1943年的芝加哥地铁,以及1954年开通的加拿大多伦多地铁早期都是采用

22、“活塞效应”来通风的。采用这种方法,早期芝加哥车站的气温保持在422之间,相对湿度为40%80%(芝加哥地区平均气温是IO,一年内气温在一2737之间变化,相对湿度为20%98%。总之,早期的地铁环境控制,都仅限于自然(活塞效应通风,或者在后期改造中,以安装机械式强制通风设备作为最终解决措施。尽管自然通风好像能够保持一定的车站、隧道热环境,但是,活塞效应被利用的程度和早期地铁运行情况、土建结构有密切的关系。客流量小,隧道阻塞比大,机车功率小,散热量少,轨道以单线单洞居多等等,这些因素造成了地铁内部比较大的活塞风量,较小的热、湿负荷,因此,采用自然通风有时大致能够满足需要。但是也有例外:美国的克

23、利夫兰地铁的阻塞比只有0.22,列车前方所推动的空气柱几乎是可以忽略的,站台的任何部分都不存在可以起到通风作用的空气流动。因此,它的通风是依靠安置于距站台约200m处的一台轴流风机来解决的。人口的增长和世界各主要城市交通的日益拥挤,要求地铁系统以更快的速度发展,主要表现在车速的提高,同向行驶列车之间距离的缩短,能够提供更大的客运量,而机车的功率和速度的增加成正比平方关系,除非采用能量循环装置,否则,这些能量都将转化为热能排放到地铁中;在一些新建和现存的地铁中,车厢内的空调成为了必需品,这种情况造成了地铁所产生的热量大量增加,使得地铁空气和周围四壁的温度都迅速上升:同时,双线,多线轨道日益增多,

24、隧道阻塞比变小,活塞风量减小,其作为自然通风的价值也就减小;另一方面,人们对地下环境舒适程度的要求越来越高。因此,综上所述,现代新建地铁都采用机械通风系统,同时考虑活塞效应的影响。对于新建为采用空调的车站,预留空调系统的空间,作为地铁系统长期发展的需要。在闭式系统中,由于列车的活塞作用,使车站空调区受到隧道热空气的影响,增大了空调负荷,降低了空调效果,若活塞风过大,还会使车站上的乘客有吹风感,感觉不舒适。可采用将车和隧道隔离的方法:屏蔽门和空气幕。屏蔽门是一道修建在站台边沿的带门的透明屏障,屏蔽门上的各扇门之间的间隔距离与列车上的车门距相对应,看上去就像是一排电梯的门。列车到站时,列车车门正好

25、对着屏蔽门上的小门,乘客可自由上下列车,关上屏蔽门后,所形成的一道隔墙可有效阻止隧道内热流、气压波动和灰尘等进入车站,有效地减少了空调负荷,为车站创造了较为舒适的环境。但屏蔽门的初投资费用较高,对列车停靠位置和可靠性要求很高,若客流密度较大,车门口可能出现拥挤,且对长时间隧道内温度超标难以解决,目前采用站台屏蔽门的有法国和新加坡。我国上海地铁一号站和即将开工的深圳地铁均按屏蔽门系统设计。空气幕沿车站站台方向布置,由空气射流形成的空气帘,将隧道和车站隔离,减少空调负荷,并且造价比屏蔽门低,同时避免了屏蔽门出现故障的危险性,但隔离效果不如屏蔽门,并且当列车活塞风运动或机械通风引起的空气速度超过空气

26、幕的流速时,隔离效果将会下降,甚至破坏空气帘。地铁的建设投入巨大,设计人员在图纸上的每一条线都可能意味着上万,甚至上百万的投入,每一点小的更动,都可能导致实际建设上的巨大变化。地铁旦建成,将要运行几十年以至上百年,因此,在真正实施建设之前,对各种方案进行科学可靠的分析比较、模拟计算、模型试验是十分必要的。1.3地铁环控系统研究方法及存在的问题地铁环控的研究,主要包括理论研究和实验研究。实验研究分实测实验9和模型实验。对于地铁环控设计,会有多种可选方案。若对每种方案都进行实验,将耗费大量的人力物力。而模拟实验又难以完全模拟复杂的运行过程。因此,地铁环控的研究普遍采用CFD数值计算的方法“”1。地

27、铁环控设计必须从实际出发,从经济和环控效果两方面综合考虑,通过实测确定已营运地铁的环控效果并指导如何改进,以及通过模型实验进行方案优选并校核数值计算的准确性,而数值计算对确定合理的环控设计和地铁运行安排有着重要的指导作用。地铁火灾属于紧急状况下的环境控制,对于地铁火灾的研究手段主要有三种:一是实体实验研究,二是缩尺实验研究,三是计算机模拟研究。对于火灾研究来讲,实体实验研究是最理想、最有说服力的。但是,它有许多难以克服的缺点:a实验费用昂贵。首先,要想进行实体实验就必须建立实体实验建筑,这是一笔相当大的投资,对于地铁这种大型建筑几乎是不可能的。其次,若采用实际火源,每次实验的费用也是相当可观的

28、。b模拟工况有限。c实验的可重复性较差。由于影响火灾发展过程的因素很多,有些因素难以精确再现。计算机模拟是人们对于火灾认识过程的一个质的飞跃,它以数学物理模型为基础,具有信息代价少、模拟工况灵活、可重复性强等优点,并且随着计算机技术的不断发展会成为未来研究火灾问题的主要手段o”。但它目前受到以下条件的制约,使得其模拟准确程度还不能令人完全满意:8对于一些基本的物理现象(如湍流尚未有明晰的数学认识。b为获得封闭方程所做的大量假设与实际情况有出入。C求解偏微分方程的计算量大,求解时间长,求解的稳定性差。缩尺实验具有真实直观、便于分析、资金消耗小和不污染环境等优点,目前在火灾的研究工作中有着极强的生

29、命力。本文将采用计算机模拟与缩尺实验相结合的方法对地铁火灾进行研究。缩尺实验采用盐水实验,它可以提供较好的观察、测量环境和视觉效果。盐水实验的研究发展状况及其优缺点将在本文第七章结合实验情况加以详细介绍。1.4计算流体力学(CFD的发展概况随着计算机工业的迅速发展,计算速度的不断提高,计算流体力学(Computationsl Fluid DynamiCS,CFD作为一门独立的学科在近30年成为流体力学与应用数学的热门研究内容,在传热与流体流动问题的研究中起10着越来越重要的作用“”3。传热与流体流动问题的研究可以通过两个主要的方法:实验研究和理论计算。实验研究所得到的资料可靠,但其成本高,在许

30、多情况下还存在测量上的困难。理论计算是对数学模型进行数值求解,得出物理过程的预测。与实验研究相比,理论计算具有以下优点。“:1.成本低用计算的方法进行预测的最重要优点是它的成本低。在大多数实际应用中,计算机运算的成本要比相应的实验研究的成本低好几个数量级。随着所研究的物理对象变得愈来愈大、愈来愈复杂,这个因素的重要性还会不断的增长。2.速度快计算机模拟能以极其惊人的速度进行。设计者可以在很短的时间内研究多种不同的方案,并从中选出最佳的设计。而相应的实验研究将需要非常多的时间。3.资料完备对一个问题进行计算机求解可以得到详尽而又完备的资料。它能够提供在整个计算域内所有的有关变量(如速度、压力、温

31、度、浓度、湍流强度等的值。显然不可能期望实验研究能够测出整个计算域内所有变量的分布。因此,即使在做实验的时候,同时进行计算机模拟来补充实验资料也是很有价值的。4.具有模拟真实条件的能力在理论计算中,可以很容易地模拟真实条件,不需要采用缩小的模型。对计算机模拟而言,不论是具有很大或很小尺寸的物体、处理很低或很高的温度、控制有毒或易燃的物体,都不会有什么困难。5.具有模拟理想条件的能力在研究某种现象时,人们希望把注意力集中在几个基本的参数上而设法消除所有无关的因素,在理论计算中,可以很容易的限定一些条件,达到理想化的条件。当然,理论计算也有其缺点或限制。理论计算是在数学模型的基础上进行的,因此,所

32、用的数学模型的适用程度限制着计算的效能。对于一些几何形状复杂、非线性强、流体物性变化大的困难问题,数值解可能很难获得。从20世纪60年代末期以来,传热问题的数值解法很快地发展成为解决实际问题的一种重要工具。数值解法是一种离散近似的计算方法。它所能获得的不是被研究区域中未知量的连续函数,而只是某些代表性的点(称为节点上的近似值。为了用计算机解出节点上未知量的近似值,首先需要从给定的微分方程或基本物理定律出发,建立起关于这些节点上未知量近似值之间的代数方程(称为离散方程,然后对之进行求解。在传热学中所应用的数值计算方法的基本思想可以归结为:把原来在时间、空间坐标中连续的物理量的场(如速度场、温度场

33、、浓度场等,用有限个离散点上的值的集合来代替,按一定方式建立起关于这些值的代数方程并求解,以获得物理量场的近似解。一个传热问题数值求解的总体步骤大致如图卜1所示。线性问题!立控制方程、确7始条件与边界条t4分子区域,确定点(区域离散化建立离散方程(方程离散化t初始与边界条件离散化!l 琴解收敛否?>o:善解的分析l以当前值重建离散方程图卜2物理问题数值求解的基本过程计算传热学或数值传热学(Numerical Heat Transfer,NHT与计算流体力学(CFD所研究的主要内容是一致的。不少文献把热流问题的数值计算一概称为CFD“。因此,数值传热学的发展史就是计算流体力学的发展史。当然

34、,CFD与NHT之间也还有不少区别。NHT中不讨论无黏流动及跨、超音速流动数值计算中的一些特殊问题(如激波的捕获等,而后者却是CFD中的一个重要研究内容。数值传热学的发展可分为三个阶段。:这一阶段的重大事件有:a交错网格的提出。1965年美国科学家Harlow Welch提出了交错网格的思想,即把速度分量和压力存放在相差半个步长的网格上,使每个速度分量的离散方程中同时出现相邻两点间的压力差。b对流项差分迎风格式的再次确认。c世界上第一本介绍计算流体及计算传热学的杂志“Journal ofComputational Physics”于1966年创刊。dPatankar 与Spalding于196

35、7年发表了求解抛物型流动的PS方程。在产一s方法中,把Xy平面上的计算区域(边界层转换到x一平面上(CO为无量纲流函数,从而不论在边界层起始段还是在其后的发展段,所设置的计算节点均可落在边界层范围内。e1972年SIMPLE算法问世。SIMPLE算法的一个基本思想是:在流场迭代求解的任何一个层次上,速度场都必须满足质量守恒方程。这一思想被以后的大量数值计算实例证明是保证流场迭代计算收敛的一个十分重要的原则。f1974年美国学者Thompxon,Thomes及Mastin提出了采用微分方程来生成适体坐标的方法(TTM方法。TTM方法的提出为有限差分法与有限容积法处理不规则边界问题提供了一条崭新的

36、道路一一通过变换把物理平面上的不规则区域(二维问题变换到计算平面上的规则区域,从而在计算平面上完成计算,再将结果传递到物理平面上。初期萌芽阶段以TTM方法的提出为结束标志。从此CFD/NHT的发展成果已为向工程实际的应用推广创造了基本的条件。这一阶段的重要事件有:a1977年由Spalding及其学生开发的GENMIX 程序公开发行。b1979年在计算传热学的发展中有三件大事:由美国11linoi s 大学的Minkowyes教授任主编的国际杂志“Numerical Heat Transfer”创刊,为全世界数值传热学的研究与使用者开辟了一个发表研究结果的国际论坛;由Spalding教授及其合

37、作者开发的流动传热计算的大型通用软件PHOENICS 第一版问世;对流项离散格式QuIcK格式的提出。C1980年Patankar 教授的名著“NumericaHeat Transfer and Fluid Flow”出版。d关于处理不可压缩流体流场计算流速与压力的耦合关系的算法,先后提出了SIMPLER、SIMPLEC算法。这一阶段主要的主要事件包括:a前后处理软件的迅速发展,GRAPHER, GRAPH TOOL,IDEAS,PATRAN,ICEMCFD等,均是在这一时期问世的。b巨型机的发展促使了并行算法及湍流直接数值模拟(DNS与大涡模拟(LES的发展。cPC机成为CED/NHT研究领

38、域中的种重要工具是该时期的一个特色。d一批CFD/NHT新喇吱材、参考书及期刊出版或创刊。e多个计算传热与流动问题的大型商业通用软件陆续投入市场,如FLUENT,FIDAP,STARCD, FLOW一3D等。f数值计算方法向更高的计算精度和更好的区域适应性的方向发展,归结起来有以下几个方面;在网格生成技术方面,同位网方法得到进一步发展,非结构化网格的研究蓬勃展开;在对流项格式研究方面,一批具有有界性的高分辨率格式相继出现:在压力与速度耦合关系的处理方面,提出了算子分裂算法PISO,SIMPLE系列的算法也由不可压流推广到可压流;CFD 及NHT学术界对于数值计算结果的不确定度分析进一步予以重视

39、,一些国际杂志开始对所采用的对流项格式的精度提出限制性的要求。1.5地铁CFD模拟研究现状及本课题的研究意义近些年来,随着CFD计算技术的突飞猛进的发展,许多的工程领域都开始利用它来作为评价、优化设计的手段,并取得了很大的成功。在隧道、地下铁路的通风工程当中,CFD也有许多卓有成效的应用实例“”“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。由于一般情况下,乘客在地铁站台停留的时间短,乘客对空气物理状态舒适度反应,也是短时间的,因此,有些文献明确指出:地铁站台的温度和速度标准可以适当降低,站台空气速度的大小甚至可以没有上限,只要不产生“吹起灰尘、撩起衣裙”速度就可以接受”。地下铁道设计规范“”中也明确说明“既然乘客在站厅和站台的时间特别短,只是通过和短暂停留,为了节约能源,只考虑乘客由地面进入地下铁道车站有较凉快的感觉,满足于短暂舒适就可以了。人们对温度变化有明显感觉

41、得温差为2以上,因此站厅的计算温度比室外计算温度低2,就能满足暂时舒适的要求。”所以,以上对站台风速、温度尺度的放宽,在一定程度上使得人们对站台热环境的关注降低。基于上述原因,地铁在正常运行当中,站台热流场相关内容的CFD模拟相对来说较少,相关研究不多。随着地铁环境研究的不断深入以及计算机的飞速发展,地铁环控数值模拟得以引入到地铁的环境中来。科学家对地铁内不稳定气体动力学和热动力学进行了大量深入的研究。1973年举行的第一次气体动力学和隧道通风国际会议上,上述问题已经得到了广泛关注。1975年,美国交通部开发出地铁环境控制计算机模拟软件SES。该程序可以模拟地铁内各种运行工况下车站、14第一章

42、绪论隧道和通风井中的风速、风量、气温和湿度以及车站的空调负荷,为以后许多的地铁环控设计和方案选择提供了较好的计算工具。随着地铁气体动力学和热动力学研究的不断完善,计算软件也得到了发展。如日本的吉日治典利用反应系数法进行地铁热状况计算:J.Valensi等人对地铁隧道内活塞作用对气流的影响作过大量的理论和实验研究。对于新建或正在筹建的地铁系统来说,如果要实现建设现代化地铁的目标,实现一流的乘客乘车环境,同时最大可能的降低能源消耗,就必须对站台通风系统进行科学的评价和优化。不合理的通风系统设计,将在很大程度上影响建设初投资、地铁运营的效益以及将来整个地铁系统的发展。准确的模拟预测需要准确地设置CF

43、D计算的边界条件。对于实际的地铁通风状况进行研究,离不开全面的现场测试。自从地铁诞生以来,测试工作几乎一直没有停过,获得了许多很有价值的数据。关于地铁站台的通风状况,也有一些科研人员通过建立站台的微观模型进行过相关研究,比如“Investigation of Pistoneffect and jet fan-effect in model vehicle tunnels”170】等等。对于地铁系统的气流场温度场的科学研究,现场测试是十分必要的,如果能够建立合适的微观模型,进行通风实验,会更有助于通风的研究。因为本课题时间、经费有限,只采取了现场测试的方法。国内一直活跃在地铁模拟领域的高等院校有

44、清华大学、西南交通大学等学校,他们很早就开展了和地铁环境控制相关的研究,并自主开发了水平较高的地铁热环境模拟软件STESS,以及CFD软件STACH.3等等,对深圳地铁、天津地铁的环控系统都做过很深入的研究。他们曾经利用STACH.3对天津地铁既有线站台的气流组织做过模拟。但是,他们的湍流模型是最为简单的零方程模型,这种模型的特点是计算收敛快,稳定性好,可是准确性差,因为在描述湍流流动时,这种模型忽略了湍流黏度,即只计算了湍流的时间平均值,没有考虑脉动对湍流的影响。在本课题以后的模拟计算中,将会看到湍流模型的选择对整个地铁系统温度场、气流场的计算结果将会产生什么样的影响。计算网格是由计算域内不

45、连续的部分组成的。在每一个成分中,求解控制室内流动和热传递的方程。计算网格的划分对计算结果、计算时间以及计算收敛都将会有很大的影响。如果在计算当中采用均匀网格,网格分布过于稀疏,将会使计算的准确性大大降低,同时很难达到收敛的目的,计算次数也将会相应地增加。网格分布过于细密,将会使每一次的计算时间增加,没有必要,如果某些区域太稀疏,而在别的区域太细密,求解可能不会收敛。总之,求解的时间和精确度直接取决于网格的质量,好的网格划分将会节省计算时间以及提高计算的准确性,本文在后面的研究中将会对不同网15第一章绪论格的计算结果进行分析比较。在过去的研究中,为简化模型,只计算了四分之一或二分之一的站台,认

46、为整个站台的流动具有足够的对称性,而且对站台的研究过程当中,把站台独立起来分析,忽略了站厅层对站台层的影响。事实上,当列车停靠站时,只设立二分之一的站台模型是不合理的,因为对于侧式站台来讲,在没有列车的另一侧站台与列车停靠侧,流动是不对称的,相应的边界条件不能采用对称的边界条件;事实上,站厅层和站台层是相通的,对于整个地铁系统来讲,站厅层或站台层都属于地铁系统的内部空间。在过去的研究当中,不是把它们的相通之处忽略不计,就是在那里设定一个速度或压力边界,但是这个内部边界与许多因素有关,例如站厅、站台层的送排风状况,以及它们的结构尺寸和内部设施等,所以很难对那里设定一个准确的边界条件。本课题首次将

47、站厅层和站台层联合起来作为一个整体进行了研究。另外,对于壁面的热边界条件,他们采用的是绝热的边界条件。事实上,地铁周围的土壤通过地铁壁面要从车站空气中吸收一定的热量,并非绝热,而壁面温度的波动一般不会很大。所以,如果采用合适的等壁温的热边界条件,将会使计算结果更接近于实际情况。缺乏现场实测来验证模拟的结果,是他们研究的另一缺陷。为了得到更切近实际情况的模拟结果,有必要建立全尺度的、采用复杂的但更准确的湍流模型和更合适的边界条件,由于时间的限制,本课题只对北京地铁岛式车站进行了现场测试来验证这一模拟结果,评价其可靠性。对于地铁系统火灾的研究,过去大多集中于地铁隧道的紧急通风,日本、法国、俄罗斯等

48、国铁路部门在火灾事故调查、火灾实验、列车利隧道防灭火技术以及发生火灾时的旅客安全疏散等方面,傲了大量的工作。但有关于地铁车站发生火灾时车站的气流场和温度场的CFD模拟很少,本文对地铁车站发生火灾的不同情况,进行了CFD数值模拟。由于受到实际情况的制约,地铁车站火灾模拟也缺乏相关的实验验证,铁路列车的火灾实验工作,我国目前还是空白,本课题首次将缩尺盐水实验引入地铁车站这样的大的狭长空间,为了近一步验证CFD方法用于火灾模拟的可靠性,本文将CFD模拟结果,盐水实验模拟结果与实体燃烧实验结果进行了比较分析。1.6本课题的主要研究内容第一章绪论第二章CR3理论基础及方程模型和网格划分对计算结果的影咆第

49、二章CFI理论基础及方程模型和网格划分对计算结果的影响本课题根据计算流体力学的相关原理,以CFD商业软件为工具,对地铁车站的环控系统和车站火灾进行研究,本章简要介绍一些理论基础,针对模拟过程中的实际情况,结合模型计算中得出的一些经验,分析讨论了采用的方程模型和网格的合理划分对模拟结果的影响。2。1传热与流体流动阀题的数值方法”“”研究地铁车站的环控系统和车站火灾情况,所涉及到的基本内容就是传热和流体流动的问题,本节简要介绍研究传热与流体流动问题的常用数值方法。从学科的内容而言,数值传热学所研究的基本内容也就是传热学中的四大模块:热传导,对流换热,辐射换热及传热过程、复杂换热过程与各类换热设备的

50、传热特性。目前,大多数应用研究中所涉及到的传热与流动问题可以分成三大类:导热与对流换热、热辐射与辐射换热、系统的稳态特性及动态特性分析。下面简要介绍这三类问题及其常用的数值计算方法。2。1。1导热、对流换热问题的场模拟这类问题的控制方程是一组描写守恒原理的偏微分方程组,已发展出来的主要数值方法有:有限差分法是将求解区域用网格线的交点(节点所组成的点的集合来代替。在每个节点上,描写所研究的流动与传热问题的偏微分方程中的每一个导数项用相应的差分表达式来代替,从而在每个节点上形成一个代数方程,其中包括了本节点及其附近节点上的所求量的束知值。求解这些代数方程组就获得了所需的数值解。在规则区域的结构化网

51、格上,有限差分法是十分简便而有效的,而且很容易引入对流项的高阶格式。其不足之处是离散方程的守恒特性难以保证,而最严重的缺点是对不规则区域的适应性差。第二章渤理论基砬及方程模型和踌辖划分对计算结果的影响有限容积法从描写流动与传热问题的守恒性控制方程出发,对它在控制容积上做积分,在积分过程中需要对界面上被求函数的本身(对流通量及其一阶导数(扩散通量的构成方式作出假设。用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性(只要界面上的插值方法对位于界面两侧的控制容积是一样的即可,对区域形状的适应性也比有限差分法好。是且前应用最普遍的一种数值方法。本课题中对地铁车站气流场和温度场的模拟分析研究所采用的数值方法

52、就是有限容积法,这是因为地铁车站内设备、人员及其他设施的影响,使得网格划分时只能采用非结构网格,采用有限差分法难以保证结果的精确度。2.'.1.3有限元法Cflnite ohHnem moffiod,FEM有限元法中把计算区域划分成一组离散的容积或者叫元体.然后通过对控制方程做积分来得出离散方程。它与有限容积法的主要区别在于:a对每一个元体要选定一个形状函数(最简单的为线性函数.通过组件中节点上的被求变量值来表示该形状函数。并在积分之前把所假设的形状函数代入到控制方程中去:b控制方程在积分前应乘以一个选定的权函数,并要求在整个区域上控制方程余量的加权平均值为零,.从而导出一组关于节点上

53、被求变量的代数方程。有限元法的最大优点是对不规则几何区域的适应性好。缺点是在对流项的离散处理及不可压缩Navier-Stokes方程的原始变量法求解方面不如有限容积法发展成熟。此外,应用于流动与换热计算的数值方法还有有限分析法(F埘、边界元法(BEM、谱分析方法(SM、数值积分交换法(ITM、格子-Boltzmann方法(L删、控制容积有限元法(cyF脒及微分求积法(D删。热辐射及辐射换热是本质上与导热一对流换热过程不同的一种热量传递方式,其主要区别有以下三方面:a导熟与对流换热只能发生在直接接触的物体之间,亦即空间某一个元体只能与其相邻的元体之间发生导热或对流形式的热量交换。因而其过程的控制

54、方程为微分方程;而辐射换热则可发生在两个不直接接触的表面之间。19辐射能量可以远距离传输,因而描写传递过程的方程是积分方程或积分一微分方程。b导热和对流换热是依靠分子不规则的热运动或流体微团的宏观位移来实现的,因而控制方程中有扩散项和对流项:辐射是电磁波的传播,因而没有这种迁移项。C导热与对流换热的实际传递速度都是有限的,因而控制方程中可能有非稳态项,而且在过程达到稳定之前一直存在,而辐射换热过程由于是以光的速度传递电磁波的,一般工业计算中都不考虑非稳态项的影响。工程中常见的辐射换热问题的数学描写可以分为三种类型:a代数方程,例如被透明介质隔开的等温漫射表面间(每个表面的有效辐射是均匀的的辐射

55、换热问题。b积分方程,例如被透明介质隔开的固体表面间的辐射换热,其中每个表面或者温度不均匀、物性不均匀、辐射不均匀,或者表面不是漫射的。C积分一微分方程,例如流体中的导热和对流与辐射换热耦合时的复合换热(不论流体本身是否参与辐射换热;温度分布未知时参与性介质中的辐射换热。这-类流动和传热问题的数值计算有三方面的特点;2.1.3.1由于许多工程设备结构的复杂性,在对发生于其间的流动和传热过程进行数值计算时,常常需要对结构或过程做合理的简化。2.1.3.2这种数值计算的主要目的在于获得对工程设计具有指导意义的物理结果,而不在于发展数值方法,因而常常采用经过广泛考核比较成熟的算法、格式等。2.1.3

56、.3发生在许多工程设备中的传热与流动的过程,不仅包括热量传递的三种形式,而且常常伴随有质交换、化学反应及燃烧等,因而需要综合应用各相应分支学科中发展起来的数值方法。由于工程实践中所需要知道的通常是某种平均特性,目前对换热设备与系统所进行的动态响应特性的研究一般不采用场模拟的方法,而是采用降维的简化模型。常常假定:a在垂直于流动方向的通道或容器的截面上或在某一空间区域内,速度、温度及压力是各自均匀的:b流体与壁面间换热的表面传热系数、阻力系数都是己知的。2.2传热与流体流动问题数值计算的主要环节流动与传热问题场模拟数值计算包括以下各个环节。首先对所研究的实际问题作出一定的简化假设,以确立其物理模

57、型。例如,当物理过程中流体的物性变化不大时可作常物性的假定;物理量的场在某一方向上变化相对于其它两个方向很小时可作二维的假定,等等。根据所确定的物理模型写出该过程的控制方程及相应的定解条件(初始条件及边界条件,建立数学模型。建立物理模型时一般应考虑以下诸方面的因素:a空间维数:二维或三维:b时间因素:定常或非定常;c流动形态:层流或湍流。对于湍流,要选定相应的湍流模型;d物性参数:常物性或变物性,可压缩及不可压缩;e过程类型:抛物型还是椭圆型:f边界条件是常规的l,2,3类边界条件,还是耦合的边界条件。进行物理问题的数值计算时,最佳的坐标系是坐标轴与计算区域的边界相适应的坐标系。根据在空间任一点上三个坐标面是否互相垂直,可区分为正交曲线坐标系与非正交曲线坐标系两大类。对某一些特殊的计算区域,如果能在相应的正交坐标系中进行数值计算,有利于简化计算过程并提高数值结果的精确度。本课题进行的模拟研究中选用正交坐标系。数值计算中用离散的网格来代替原物理问题中的连续空间,网格中的节点则是所求解物理量的几何位置。从网格的构造来说,可以分为结构化(Structured、块结构化(Blockstructured及非结构化(Unstructured三种。本课题中由于求解区域的复杂性,划分的网格不可能全为结构化网格,因此采用非结构化网格。对于导热、对流换热这一类物理问题,过程的控