地铁侧式站台的cfd空调通风模拟

地铁侧式站台的CFD空调通风模拟摘要：随着城市地铁的大规模建设，地铁环境控制倍受关注。本文结合天津市地铁改造项目，选择西北角站作为典型车站，采用AIRPAK2.1专业软件对三种不同的远期空调送风模式进行模拟，研究站台温度场分布状况，为确定合理的侧式站台空调送风方案提供了一定的依据。关键字：地铁侧式站台CFD模拟空调送风1引言天津地铁是中国第二条的地铁，始建于1970年。既有线共8个站，全长7.335公里。随着天津经济的快速发展，既有的地铁线路已经不能满足交通的需要。经国务院批准，天津地铁一号线扩改建工程项目已于2001底动工，计划2005年底竣工[1]。为了降低工程投资，在既有线改造中，原有车站轨道标高不变，但是原有地铁埋层过浅，无法设置顶送风道，对环控设计带来一定困难。本文结合天津市地铁建设项目，在天津市建委立项支持下，选择西北角站作为典型车站，提出在站台板下加设送风道，沿侧墙设置送风立管，构成站台横向通风的气流组织。通过建立单层侧式站台的三维几何模型，根据天津市环控要求和空调冷负荷的计算以及对旧有车站的测试数据，确定符合实际的边界条件，对站台负荷分布情况进行模拟，给出了较为合理的空调送风方案及站台空气温度分布预测。在研究过程中采用有限容积法，选用标准湍流模型作为物理模型，在优质的网格生成的基础上，对所要研究的物理量进行离散化处理，用AIRPAK2.1专业软件进行模拟。2模型的建立与问题的提出2.1模型建立的假设和前提由于地铁站台内的空气流动是不可压缩的三维瞬态湍流流动，再加上地铁车站结构的复杂性，如果按瞬态来模拟全尺寸的三维流动，问题将十分复杂，而且数值解可能是发散的。为简化计算，必须引入下列假设：（1）对于这一瞬态流动来说，本文所关注的是站台上出现最大气流的时间段，即列车进站和出站的时候。因此，包括现场测试，本文模拟的时间区段是：从由于列车进站引起站台端部流速开始变化时刻起始，到列车完全停靠在站台的时刻为止（本文称为“进站过程”）。（2）这个过程的气流流动是瞬态的，CFD模拟计算将可能涉及复杂的动态滑移网格的生成，为简化计算，本文将此过程视为稳态流动。（3）边界条件中与负荷相关的设定采用时均值[2]。这是由于负荷，尤其是与列车相关的负荷发生的时段较小，且负荷值较大，若以瞬时值计算则会造成巨大的能源浪费，所以采用时均值。2.2研究对象几何模型的建立[6-7]本文所研究的西北角站为既有站，形式为单层侧式站台。有效站台长120m，车站结构全长308.51m，设四个出入口，两座风道。车站主体结构净宽17.8m，站台层结构净高4.65m。本次模拟计算选取的结构尺寸为L×W×H＝140m×17.8m×4.65m，站端的设备用房在模型中简化为四个尺寸为L×W×H＝10m×3m×3.1m的房间。列车尺寸：L×W×H=117.12m´2.8m´3.51m，列车冷凝器在车顶部，制动电阻在车厢底部。人员的设定为：人群站立于列车运行线一米之外，模拟中简化为厚度为1.2米、高1.7米、长100米的两个块。图2站台模型侧视图图3设置局部排风的站台模型剖面图图4设置局部排风的站台模型侧视图本文将要分析的两种基本模型为站台板下回风的侧送式空调送风模型（如图1、2所示），以及加入局部排风的站台板下回风的侧送式空调送风模型（如图3、4所示）2.3边界条件的设定地铁内各种热、湿源产生的热量和湿量是决定地铁边界条件设定的重要因素，他们将决定站内模型中各种块的热边界条件，同时决定站台空调送风形式及风量，从而最终决定风口的速度边界条件的设定。绍宪养环控标准怕根据可行性研霉究报告任[1]彩和《地下铁道资设计规范驼》肚(衰GB5015春7-92)刻[3]友，天津地铁环浅控标准如下：证室外空调计算工参数为干球温掀度洋32.枪4你℃歪，湿球温度孩26.绳9拢℃宿；逼站台在夏季空蜓调设计参数为璃干球温度虽2盐9泊℃咱，相对湿闻度场45杀%摆～诉70乓%往；味正常工况区间海隧道空气温度考不超过柏3涨5丛℃樱；列车阻塞时摩温度不超过汗4晃0隙℃顶；竟采用空调系统炊时人均新鲜空惊气量为小12.6m江3瓶/茅h经。房述床空调冷负荷与王送风量的确定示如食图猎5泰所坑示惰i宇—菊d筛图（焓湿图）妈根据设计要求多确定车站内空盛气状态盘点如N勾；根据空调系偿统工作方式确非定经表冷器后旋的空气状态宗点迈K搭，，计算送风箭量及满足新风沿量要求的空气删混合状态谣点袄M捧，即可求得车欢站空调的送风饼量和冷负荷量彻。变式园中编笔V民—宝空调系统的送渗风量草，颗m并3胖/仅h搭；肯—互空调系统的冷涌负荷荐，芦k寻W谈；之Δ脾—荒车站所得的余坝热量伙，莲k灵W浑；三r煌—粱空气密度冠，疗kg/m势3裙；棕—妙各空气状态点谷的空气焓值驾，姥kJ/k缝g句。堪根据站台在夏苍季空调设计参塑数为干球温度顶2犯9谅℃俩，相对湿矿度妖45析%硬～捐70痒%翁。可以得到车点站内空气状态懂点奋N耐的范围，为方轻便计算，我们总可以乔把副N缠点定为干球温裁度铃2颤9无℃询，相对湿蝶度拌55兄%敌。膛为了讨论送风束温度对于站台述环境的影响，甜选择送风温差童分别为珍8唯℃胆和薯5落℃葬，即送风温度司为腐2堵1路℃沙和煌2具4赚℃秘。由车站余湿丰量和余热量计悼算空气变化的鲁热湿比扰值捉ε资，确定送风状稼态点。通过计校算我们可以发统现，送风温差留为活8和℃深时，只需要设絮定表冷器利用侍管道温升至送险风状态点就可求以满足送风要乡求。而设定送喝风温差为切5何℃愧时，需要设置重二次回风装置职，提高送风温寇度至送风状态从点进行送风。婶空调冷负荷可牵以分为两大部匠分，一部分是芒室内冷负荷，虑另一部分是新柿风负荷。焦式中淘—赖空调系统的新举风负荷哑，地k谷W纷；准V蔑x菊—预空调系统的新鞋风量执，拼m3/记h瓶；策—美室外空气状态跪点的空气焓值计，容kJ/k谜g殊。渠按规范要求，春新风百分比取匙为黑1舍0派％箱[3-4]扁，如果已知空删调总送风量，结并通过天津市兔气象资料查出唇室外逐时空气金焓值，这样我招们就可以确定未车站空调系统萌的新风负荷。报将室内冷负荷榴与新风负荷相医加，就可以得脊到车站空调冷锐负荷。送风速治度与回风速度班的设定将根据逆送风量的变化驶而变化，即根均据《地下铁道喊设计规范》规也定的允许风速绝范围，选定送棚风口与回风口配的尺寸，从而歇计算送风风速蓄。饮3CF被D透模拟结果及其纺分析女本文主要进行狠了三组模拟，友第一、二组模咳拟均采用站台岔板下回风的侧织送式空调送风收模式，送风温稀差分别为钓5毒℃富和昌8霸℃让。第三组模拟冷采用加入局部民排风的站台板肃下回风的侧送菜式空调送风模芹式，送风温差奉为翁8乱℃箱。捎图夫6便谅送风温差为臣5猴℃脂时站台温度场割剖面图、俯视住图户警图某7劈滤送风温差为先8门℃型时站台温度场奏剖面图、俯视佛图唐革图吨8闯奋设置局部排风锡，神舱送风温差为松8知℃宫时站台温度场庆剖面图、俯视篇图挂饰需要特别说明藏的是：剖面图就均爸为背X=版20.愤4搭米僻列车进站端，碎因为在这个位阳置活塞风的影傅响较大，这个京位置的站台环肥境是我们较为验关注的内容。债俯视图都在站执台板上逃1钥米低处客流活动区词，因为这个区兄域的温度场与用速度场是对人获员影响感受最疮为明显的区域恶。另外我们图饺中所示的进站委端的人员出入床口，指的是列关车停靠侧的进侦站端的人员出豪入口，这个出危入口受到列车如进站气流的影惑响最为明显，膨产生的风速与敌温度的波动最敌大，也是人员澡在进入舒适的虑站台环境之前幻的一个过渡区胁，因而对于我丹们要研究的站捏台环境也是至励关重要的。冈从娱图嚷6周中可以看到：举5简℃猎温差送风，站偷台纵向的温度匙分布均匀，混义合较好；站台绳板乱一米号人员活动区的扒温度分布也很踏均匀，列车进萍站后乘客感受司到的温度谋在灰2加8贞～洽2饶9坑℃胞左右，满足了庸设计要求。对畅比锁图废7尿，我们可以看爆到，钩8昨℃讯温差送风由于喘加大了送风温仪差，减小了送颜风的风速，站贵台空气混合与悄5裹℃袜温差送风相比谈较差，从温度默的分布来看，哨局部温度较高岩，但在人员站呜立区基本上还泄是可以满足空迅调的设计温度雨的。要对比表图失7瑞和全图搅8丽可以看到，列改车作为主要的恢散热源所产生鸽的热气流对站无台的扩散方式准有了很大的变仪化。列车顶部庄的冷凝器所产许生的热量不再住是由于横向送算风而横向扩散倍，而是由于顶怨部的排风作用波向上扩散。列芦车下部的制动诞与启动的热量票所产生的热气陕流也有向上扩蝇散的趋势，不吴再像未设局部寺排风时一样基蜂本上单方向向俭站台板下的回寒风口扩散。从块图式7迅中我们可以发盼现，由于横向北的扩散，列车理顶部冷凝器所虑产生的热气流激与下部的制动脱与启动所散发坟的热气流产生不了合流，对非康列车停靠侧的夺站立人群产生条了一定的影响制，使站立人群福迎面的温度局最部有了一些提除高。从总图挠7丘和至图淹8剧中的温度场的愉俯视图，我们浑也可以看到，瓣热气流对非停掠靠侧的人群的港扩散由于加入韵了顶部局部排鹰风而有了明显身的减少。转这样设置了顶剖部的局部排风收使得列车作为局主要热源的扩俘散在轨道空间乐内完成，从而结很好地完成了舍区间与站台热滔环境的隔离。钥同时，热空气枝所携带的区间计中产生的尘土让，或者轨道的略金属碎屑将在债区间的范围内须得到排除，不敏对站台环境发热生影响。对比谱设置屏蔽门与懒加设空气幕的除方法，设置局驶部排风初投资涛少，技术简单嫩易操作，有很听好的应用前景遭，建议在活塞舰风对站台影响胃不是十分突出制的场合应用。4结论稻经过典型的侧命式车站空调通构风模拟研究，厉可以得出以下轧结论：流1恨.液在站台板下设宫置送风道，沿拍侧墙布置送风预立管，站台板晨下回风，构成微站台横向通风旗的气流组织方楼案是可行的。瞧2给.羡对站台环境影谋响最大的热源最因素就是列车以的散热，尤其击是底部制动与倍启动的散热，景主要的影响方释式是从底部向因列车非停靠侧号扩散。啊3璃.胃适当地提高送只风温度，加大川送风量可以起混到改善站台环鞋境的作用，可诚以使温度场与炼速度场分布更酷加均匀。丢4播.义采用加设顶部所排风口的方法炎，使列车进站御时冷凝器放出排的热量及时排剖走，减少对站隆台环境的影响迅。参考文献院[1]桃床天津市地下铁弓路闲1王号线工程可行郑性研究报告，虽铁道部第三勘虏察设计研究院门，殿2001.1裕2慢[2]迁示顾松瞒彬蚂,液深圳地铁车辆幻空调通风量和容制冷量的初步测计算，铁道机壶车车辆象，沙200呼0也（蛾5盲）狸[3]歪喉中华人民共和赢国国家标准，码地下铁道设计临规范击（饼GB5015广7-9早2泪）矮,粗中国计划出版怪社烫，围1993午[4]电呀中华人民共和宗国国家标放准染.伐采暖通风与空葱气调节设计规秒范怕（型GBJ19-海