1、CFD 在地鐵站臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，100013）（建研【摘要】以典型的的地鐵建國(guó)門站為研究對(duì)象，以 Navier-Stokes 方程為基礎(chǔ)，引入了廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)式中， 代表速度、溫度以及湍流參數(shù)等物理量，上式代表流體的動(dòng)量方程、能量方程以及湍能和湍能耗散率方程。對(duì)于實(shí)際物理問(wèn)題，需有定解條件才能封閉煙氣流控制微分方程組組，得出問(wèn)題的解。本次模擬以列車進(jìn)出站臺(tái)一次間隔 3 分鐘內(nèi)的分布情況為計(jì)算目標(biāo)，故簡(jiǎn)化為定常，所涉及定解條件只含邊界條件89。典型地鐵站臺(tái)模型簡(jiǎn)介幾何模型描述建國(guó)門地鐵站位于建國(guó)門內(nèi)大街與東二環(huán)交點(diǎn)處，是地鐵一號(hào)與二號(hào)線的換乘車站，地鐵站共有：A、B、C 三個(gè)出。車站形式

2、為島式車站，站廳布置在站臺(tái)兩端，根據(jù)該車站的空調(diào)負(fù)荷確定空調(diào)系統(tǒng)的送回風(fēng)方案見(jiàn)圖 1 所示。圖 1 建國(guó)門站一號(hào)線與二號(hào)線站臺(tái)空調(diào)方案簡(jiǎn)圖站廳層設(shè)置送風(fēng)口，尺寸為 1500mm400mm，一號(hào)線有 10 個(gè)，二號(hào)線有 15 個(gè)，回風(fēng)口尺寸為 400mm500mm，布置于人行出入通道兩側(cè)，站臺(tái)層采用上部送風(fēng)，軌頂排風(fēng)以及軌底回/排風(fēng)的氣流組織形式，站臺(tái)送風(fēng)口尺寸為 1500mm400 mm，一號(hào)線與二號(hào)線各有 42 個(gè)，軌頂排風(fēng)口尺寸定為 1000mm400mm，各 40 個(gè)，位于軌道上方，軌底回/排風(fēng)口尺寸為 400mm500mm，各 80 個(gè)，均勻布置于站臺(tái)板下方。2.2 數(shù)值模型描述本模擬

3、設(shè)定車站候車站臺(tái)有效斷面尺寸為 120m12m；隧道尺寸為 150m4.1m4.3m，列車尺寸為 117m2.8m3.5m。列車?yán)淠魑挥诹熊図敳浚苿?dòng)電阻位于列車底部。站立于列車隧道邊界半米之外，模擬中簡(jiǎn)化為尺寸為 100m1m1.7m 的長(zhǎng)方體。根據(jù)建國(guó)門站的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷，車站一號(hào)線站臺(tái)車站公共區(qū)總空調(diào)送風(fēng)量為 22.7104m3/h，其中補(bǔ)充新風(fēng)量為 2.27104m3/h，二號(hào)線站臺(tái)公共區(qū)總空調(diào)送風(fēng)量為 18.45104m3/h，其中補(bǔ)充新風(fēng)量為 2.27104m3/h。根據(jù)站臺(tái)形式及空調(diào)方案，建立的 CFD 模型如圖 2 所示。圖 2 建國(guó)門地鐵站 CFD 模擬物理模型數(shù)值模擬定解條

4、件站臺(tái)各項(xiàng)發(fā)熱量設(shè)定根據(jù)站臺(tái)各項(xiàng)熱源發(fā)熱量的計(jì)算方法計(jì)算出各項(xiàng)發(fā)熱量結(jié)果設(shè)定見(jiàn)表 1。表 1 模擬各熱源項(xiàng)邊界條件設(shè)置列車散熱啟動(dòng)與制動(dòng)散熱客流散熱設(shè)備與照明冷凝散熱286.935W/m2229.548W/m2面熱源位于列車頂部333.552W/m2266.842W/m2面熱源位于列車底部539.6W/m3404.7W/m3體熱源55.3KW63.2KW根據(jù)情況確定一號(hào)線站臺(tái)二號(hào)線站臺(tái)備注有關(guān)溫度邊界設(shè)定根據(jù)空調(diào)要求，設(shè)定典型時(shí)刻空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為度:21.336；隧道空氣溫度:35.779。有關(guān)速度邊界設(shè)定32.1；空調(diào)工況下送風(fēng)溫根據(jù)站臺(tái)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)回風(fēng)量及各風(fēng)口尺寸，各風(fēng)口速度

5、設(shè)定見(jiàn)表 2。表 2 地鐵站各風(fēng)口速度設(shè)定站廳送風(fēng)(m/s)站臺(tái)送風(fēng)(m/s)站臺(tái)底板排風(fēng)(m/s)軌頂排風(fēng)(m/s)1.9461.4991.9461.4993.0842.6210.3940.320.9一號(hào)線二號(hào)線隧道口處活塞風(fēng)邊界條件根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)際測(cè)量，取典型模擬時(shí)刻活塞風(fēng)量的平均值，給定速度邊界條件見(jiàn)表 3。表 3 本模擬隧道活塞風(fēng)邊界條件設(shè)置列車進(jìn)站口（m/s）列車進(jìn)站口對(duì)口（m/s）一號(hào)線二號(hào)線0.6950.5560.1040.083數(shù)值模擬結(jié)果分析速度場(chǎng)分析圖 3 為站臺(tái)送風(fēng)口所在截面速度矢量分布圖；圖 4 為乘客候車平面呼吸高度線速度沿站臺(tái)長(zhǎng)度方向分布圖。圖中，速度均為 m/s

6、。（a）一號(hào)線站臺(tái)（b）二號(hào)線站臺(tái)圖 3 送風(fēng)口截面速度矢量圖（a）一號(hào)線站臺(tái)（b）二號(hào)線站臺(tái)圖 4 乘客候車平面呼吸高度線沿站臺(tái)長(zhǎng)度方向速度變化圖由圖 3、4 分析可知，由于送風(fēng)口均勻布置，風(fēng)口間距相等，各送風(fēng)口的出風(fēng)速度也相等，一號(hào)線與二號(hào)線站臺(tái)送風(fēng)區(qū)域氣流混合較為均勻，不存在明顯的氣流“死區(qū)”，一號(hào)線站臺(tái)除了列車進(jìn)站端附近局部區(qū)域受列車進(jìn)站活塞風(fēng)影響空氣流速達(dá)到 0.8m/s 之外，腳踝高度線沿站臺(tái)長(zhǎng)度方向速度分布波動(dòng)很小，在 0.1m/s-0.2m/s 之間波動(dòng)，由于列車發(fā)車頻率的不同，典型模擬時(shí)刻以內(nèi)一號(hào)線站臺(tái)候車區(qū)氣流速度受活塞風(fēng)影響相對(duì)二號(hào)線較大，大范圍區(qū)域二號(hào)線站臺(tái)腳踝高度線沿

7、站臺(tái)長(zhǎng)度方向速度波動(dòng)在 0.1m/s-0.3m/s 范圍內(nèi)。3.2 溫度場(chǎng)分析圖 5 反映了站臺(tái)呼吸高度平面（即高出站臺(tái)地面 1.65m 平面）的溫度分布圖；圖6 為站臺(tái)呼吸高度平面與站臺(tái)中部對(duì)稱面交線溫度分布沿站臺(tái)長(zhǎng)度方向的變化情況。圖中，溫度均為。(a)一號(hào)線站臺(tái)圖 5 站臺(tái)（b）二號(hào)線站臺(tái)呼吸高度平面溫度分布圖（a） 一號(hào)線站臺(tái)(b)二號(hào)線站臺(tái)圖 6 站臺(tái)對(duì)稱平面呼吸高度線沿站臺(tái)長(zhǎng)度方向溫度變化圖由圖 5、6 分析可知，建國(guó)門地鐵站調(diào)出站臺(tái)地面 1.65m 平面一號(hào)線與二號(hào)線站臺(tái)溫度分布均介于 24.5-35.4之間。在乘客候車區(qū)的平均呼吸高度平面，大部分區(qū)域溫度可以維持在 26-28范

8、圍之內(nèi)，在列車進(jìn)站方向活塞風(fēng)對(duì)乘客候車區(qū)帶來(lái)的度為約 20m。3.3 空調(diào)區(qū)域舒適性分析較大，影響長(zhǎng)由PD的計(jì)算公式10可知，根據(jù)前述計(jì)算所得典型位置的空氣溫度和空氣流速，出相應(yīng)位置的不滿意率。圖7給出了乘客候車平面呼吸高度處不滿意率隨站臺(tái)長(zhǎng)度變化的分布情況，圖8給出了站臺(tái)中心分布圖。呼吸高度線上不滿意率隨站臺(tái)長(zhǎng)度變化的（a）一號(hào)線站臺(tái)（b）二號(hào)線站臺(tái)圖 7 乘客候車平面呼吸高度線沿站臺(tái)長(zhǎng)度方向乘客不滿意率變化圖（a）一號(hào)線站臺(tái)（b）二號(hào)線站臺(tái)圖 8 站臺(tái)對(duì)稱面呼吸高度線沿站臺(tái)長(zhǎng)度方向乘客不滿意率變化圖溫度相同時(shí),由于冷吹風(fēng)引起的不滿意率隨平均風(fēng)速的增大而增加;平均風(fēng)速相同時(shí),不滿意率隨溫度的

9、增加而減少。由圖 7、8 分析可知，站臺(tái)對(duì)稱面及乘客候車平面呼吸高度線沒(méi)站臺(tái)長(zhǎng)度方向的不滿意率呈明顯的波動(dòng)形式。除送風(fēng)口下方部分區(qū)域外，的不滿意率都在可以接受的范圍內(nèi)。4 結(jié)論通過(guò)對(duì)典型的建國(guó)門地鐵站進(jìn)行簡(jiǎn)化模型，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)ANSYS CFX 建立三維數(shù)學(xué)物理模型，給出合理邊界條件，分析軌道交通樞紐內(nèi)采用通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的混合系統(tǒng)氣流溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布、舒適性問(wèn)題，得出如下結(jié)論：（1）地鐵站內(nèi)氣流分布相互影響、相互作用，通過(guò)通道和換乘廳及樓梯等氣流相作用，設(shè)計(jì)方案下采用通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的站臺(tái)溫度比設(shè)計(jì)溫度偏低，送風(fēng)溫度可述溫度的基礎(chǔ)上有所提高或相同送風(fēng)溫度的條件下適當(dāng)降低送風(fēng)量?？照{(diào)系統(tǒng)以犧牲

10、能耗為代價(jià)可換取環(huán)境更低的溫度分布，總體而言溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)及的舒適性均在可接受范圍內(nèi)，可獲得比較滿意的速度和溫度場(chǎng)和滿足乘客的短暫的舒適性要求。（2）地鐵進(jìn)站時(shí)隧道活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)都有擾動(dòng)，使在靠近列車進(jìn)站端乘客候車區(qū)域溫度及速度都有所增加，但總體而言，活塞風(fēng)對(duì)整個(gè)候車站臺(tái)乘客熱舒適性的影響不大。（3）地鐵內(nèi)熱源的分布影響氣流的分布，列車停靠與候車區(qū)域，溫度高于其他區(qū)域，越往非候車區(qū)域溫度呈降低，并在同一時(shí)間段具備相同的變化趨勢(shì)。（4）采用數(shù)值模擬方法（CFD）可以很好的對(duì)復(fù)雜的軌道交通樞紐的通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織進(jìn)行氣流組織和提高與分析，起到對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而為設(shè)

11、計(jì)出合理的的室內(nèi)舒適性提供參考。參考文獻(xiàn)1張慶賀，等編著地鐵與輕軌M：人民交通，2002，20032潘海嘨等城市交通方式和多模式間的轉(zhuǎn)換M：同濟(jì)大學(xué)3，城市大型客運(yùn)交通樞紐國(guó)民經(jīng)濟(jì)效率分析J數(shù)量經(jīng)濟(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究，2003(7)：4043Ming-Tsun Ke，Tsung-Che Cheng，Wen-Por WangNumerical Simulation for Optimizing The Design of Subway Environmental Control SystemJBuilding And Environmental，2002，37:1139-1152Shih-cheng

12、HU,Jen-Ho LeeInfluence of platform screen doors on energy consumption of the environmentcontrol system of a mass ratransit system: case study of the Taipei MRT systemJ EnergyConverand Management2004，45：6396506 Chan Young Yoo，Yong Hyun Cg，Jeong Hee HanAsbestos exure among Seoul metropolitan subwayworkers during renovation of