不同湍流模型模擬地鐵站臺氣流組織比較

劉 庚 劉 磊 張 鑫 王新軻

(1.西安市地下鐵道有限責任公司 西安 710016;2.北京城建設計研究總院有限責任公司 北京 100037;3.西安交通大學人居環境與建筑工程學院 西安 710049)

不同湍流模型模擬地鐵站臺氣流組織比較

劉 庚1劉 磊2張 鑫3王新軻3

(1.西安市地下鐵道有限責任公司 西安 710016;2.北京城建設計研究總院有限責任公司 北京 100037;3.西安交通大學人居環境與建筑工程學院 西安 710049)

以某地鐵站臺為例，利用計算流體力學方法，采用標準k－ε模型、RNGk－ε模型、混合長度零方程模型、Chen零方程模型以及v2f模型，對其通風系統下站臺、站廳內的溫度場和速度場進行數值模擬。通過對不同模型下結果的比較分析，發現Chen零方程湍流模型在較少的收斂迭代次數下，能夠得到與標準k－ε模型和RNGk－ε模型較為接近的流場和溫度場，而混合長度零方程模型和近年來興起的v2f模型則與其他模型的計算結果有較大差異。結果表明，在對地鐵站臺建立熱環境數值模型時，湍流模型的選擇也需謹慎。

地鐵;站臺;計算流體力學;湍流模型;熱環境;數值模擬

1 研究背景

地鐵作為緩解城市交通壓力的重要手段，在國內一些大城市的發展中日益受到重視。在修建地鐵的過程中，車站站臺的環境控制設計尤為重要，地鐵內空氣運動方向和速度大小以及空氣溫度高低直接影響站臺候車人員的舒適度。因此，在地鐵真正實施建設之前，對各種環境控制方案下的流場和溫度場進行科學可靠的計算模擬和分析，避免投資過大反而效果不好的問題是非常必要的。由于地鐵站臺空間較大，流場既受到站臺通風空調系統的影響，也受到隧道活塞風的影響，所以情況較為復雜。國際上發展相對較為成熟的地鐵環控模擬軟件SES［1］，可提供車站、區間、通風井和風機的空氣速度、溫度和濕度的動態模擬;清華開發的地鐵熱環境模擬軟件STESS，可對不同通風方案下及地鐵運行時期的地鐵區間及站臺熱環境進行模擬［2］。上述兩類軟件的原理主要是基于網絡法，因此無法預測通風時站臺內的熱環境空間分布。近年來，由于計算機硬件的迅速發展，使得利用計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)方法預測站臺內氣流組織、優化通風方案成為可能。但在大多數文獻中，利用CFD進行模擬時，湍流模型基本上采用CFD軟件中的默認模型，對選擇不同湍流模型對模擬結果造成的影響鮮有考慮［3］。在室內小空間內的研究表明，不同湍流模型模擬室內氣流的結果會有很大差異［4］。下面擬比較不同湍流模型模擬地鐵站臺氣流組織的結果，評估其差異。

2 幾何模型

本研究的模擬對象為文獻［5］中所提到的天津地鐵下瓦房站。該站為典型雙層島式站臺，整個車站站臺全長120 m(x方向)，寬 19.2 m(y方向)，高 8.13 m(z方向)。下層為站臺層，站臺寬11 m;上層為站廳層。站廳、站臺采用均勻上送風，站臺車行道頂部和站臺下集中回/排風，站廳不設回風口。站臺層和站廳層之間有3個樓梯連接，站廳層有4個出/進站口和外界相通。基于文獻［5］的描述，建立幾何模型如圖1所示。站廳層只設送風口，尺寸為600 mm×300 mm，共64個，布置在距站廳底部裝修面3.0 m的高度上。站臺層采用上送風、軌頂排風以及軌底回/排風的氣流組織形式。送風口尺寸為700 mm×350 mm，共72個，分兩排均勻布置在距站臺地板3.0 m高度的地方。

軌頂排風口尺寸為1000mm×500mm，共108個，距站臺板3.0m。軌底回/排風口尺寸為500 mm×300mm，兩排共120個，均勻布置在站臺板下面。在站臺兩側距站臺邊緣約200 mm的位置，設有平均高度1.4 m的安全門。

圖1 車站幾何模型

3 邊界條件

按照文獻［5］中所提到的車站，邊界條件設置如下。

3.1 溫度邊界條件(實測值)

壁面溫度為24.3℃(頂部除外)，隧道空氣溫度為

25.3℃;通風工況下送風口的送風溫度25.2℃。

3.2 速度邊界條件(實測值)

活塞風的速度值取現場實測時間段內的累計平均值:站廳送風口的送風速度1.98 m/s，站臺送風口的送風速度1.87 m/s，列車軌頂的排風速度0.67 m/s，站臺底部排風口的排風速度0.85 m/s，列車進站口的活塞風速度3.1 m/s，列車對面出站口的活塞風速度 0.5 m/s，列車進站口的相鄰隧道活塞風速度1.08 m/s，列車進站口的斜對面隧道活塞風速度0.6 m/s。

3.3 熱源設定

1)人員散熱量:車站內人員顯熱散熱量，站臺人員負荷為44 kW。

2)列車發熱量:基于文獻［5］，按6節編組列車考慮，冷凝器散熱位于列車的頂部，大約有320 kW冷凝熱。制動電阻的散熱位于列車的底部，列車停站時，既有站列車平均有200 kW左右的制動電阻散熱量散發到車站，冷凝器和制動電阻均可看作是沿軌道方向均勻散熱的熱源。

3)照明燈具散熱量:在車站公共區為13 W/m2(由鐵三院提供數據)，位于站臺層和站廳層頂部。

4)廣告燈箱散熱量:在地鐵站臺為30kW(由鐵三院提供數據)，散熱位置在地鐵站臺的側墻壁上。

4 物理模型

流場和溫度場的控制方程可統一表述為

式中，各參數的含義可參見文獻［6］，此處不再贅述。

與湍流模擬相關湍流黏性系數μt的獲得需要求解湍流模型。筆者比較了5種湍流模型，即混合長度零方程模型［6］、Chen 零方程模型［7］、標準k-ε 模型［6］、RNGk-ε 模型［6］以及v2f模型［8-9］。

網格劃分:用四面體對幾何模型進行劃分，共生成913 378個網格，網格最小尺寸為0.2 m，并經過了網格依賴性驗證，能夠滿足精度要求。

5 結果比較

5.1 橫截面x=40 m的速度場比較

由于空間較大，沿著x方向的流場不易全局展現，此處僅用x=40 m橫截面(普通截面，不存在樓梯口等特殊邊界)上的圖為例來比較不同湍流模型計算出的速度場，見圖2。可以看出，標準k-ε模型、RNGk-ε模型以及Chen零方程模型，計算出來的流場比較接近，在站臺層人員活動區均有3個漩渦存在，且位置也較為一致;混合長度零方程模型計算出來的左側漩渦非常不明顯，右側兩個漩渦則較為明顯;v2f模型計算出來的左側因隧道活塞流對其影響非常大，漩渦并沒有形成，且速度較高。

圖2 不同湍流模型計算x=40 m的橫截面流場

5.2 沿著x方向的速度和溫度場變化

選取通過y=14.6 m、z=3.18 m 以及y=14.6 m、z=6.58 m沿著x方向的直線，分別代表右側站臺人員活動區人的頭部位置和站廳人員活動區人的頭部位置，圖3和圖4為不同湍流模型計算出來的速度分布。從中可見，在站臺層長度方向60～120 m的空間內，除v2f模型外，其他模型的計算結果較為接近，但在前半段空間內，所有模型的計算結果均相差不大，這也與圖2站臺層右半邊的流場較為接近。站廳層的規律與站臺層的規律類似，但RNGk-ε模型與標準k-ε模型間的差距要大一些。這主要是因為RNGk-ε模型比較適合于低速流動，而站臺層由于活塞風的作用，流速較高，故兩者之間的差距不大，但站廳層整個空間內的速度都不大，因此RNGk-ε模型計算低速流場的特性就顯示了出來，圖5和圖6分別給出了這兩條直線上溫度隨x的變化。可以看出，對站臺層，混合長度零方程模型計算得到的溫度與其他模型間存在不小的差距，偏低約2℃;而對于站廳層，v2f模型與其他模型的模擬結果普遍有較大差異，在90～120 m空間內，除了Chen零方程模型與混合長度零方程模型較為接近，其他模型間都存在較大差異。

圖3 站臺通過y=14.6 m、z=3.18 m沿x方向的速度分布

圖4 站廳通過y=14.6 m、z=6.58 m沿x方向的速度分布

圖5 站臺通過y=14.6 m、z=3.18 m沿x方向的溫度分布

圖6 站臺通過y=14.6 m、z=3.18 m沿x方向的溫度分布

5.3 整個車站的平均溫度及各模型迭代次數

表1給出了5種模型計算得到的整個車站內的平均溫度和迭代次數。從中可以看出，盡管本文第5.2節所說不同模型計算在兩條直線上所得的結果存在較大差異，但從整體來看，5種模型得到的平均值差異很小。這主要是因為不論采用哪種湍流模型，整個計算均滿足能量守恒方程，因此其平均溫度不會有太大的差異，差異主要體現在溫度的空間分布。從迭代次數來看，在這幾類模型中，兩類零方程模型較為簡單，也較容易收斂。

表1 不同湍流模型計算整個車站平均溫度和迭代次數

6 結語

通過對上述模擬結果的比較分析，可以得到以下幾點結論:

1)整體比較而言，Chen零方程模型與標準k-ε模型相比，不論是在整體還是在局部都有較為接近的結果，同時迭代次數較少，計算效率較高，是標準k-ε較好的替代模型。

2)RNGk-ε模型在地鐵站臺速度較高區域，與標準k-ε模型較為接近，但在速度較低的空間內存在一定的差異。

3)v2f模型與其他常見的模型計算相比，無論是速度場還是溫度場，均存在不小的差異。在某些斷面上，基本流形都與其他模型有較大差異，特別是在某些活塞風較大的區域，所獲得的結果更顯出活塞風的影響。

當然，由于本研究中的模擬結果缺乏與實驗測量數據的比較，因此在用不同湍流模型計算地鐵通風系統氣力組織和溫度場時，對可靠性并沒有給出評判，還有待做更進一步的研究。

［1］Lin C J，Chuah Y K，Liu C W.A study on underground tunnel ventilation for piston effects influenced by draught relief shaft in subway system［J］.Applied Thermal Engineering，2008，28(5/6):372-379.

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［3］Ke M，Cheng T，Wang W.Numerical simulation for optimizing the design of subway environmental control system［J］.Building and Environment，2002，37(11):1139-1152.

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［5］袁鳳東，由世俊.地鐵島式站臺空調氣流CFD模擬［J］.重慶建筑大學學報，2007，29(1):89-92.

［6］陶文銓.數值傳熱學［M］.2版.西安:西安交通大學出版社，2005:341-344;347-353.

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［8］Zhang Z，Zhai Z Q，Chen Q，et al.Evaluation of various turbulence models in predicting airflow and turbulence in enclosed environments by CFD:Part 2:comparison with experimental data from literature［J］.HVAC ＆ R Research，2007，13(6):871-886.

［9］李孔清，龔光彩，湯廣發.v2f模型在室內空氣流動數值模擬中與其他湍流模型的比較研究［J］.暖通空調，2009，39(1):37-42.

Comparison between Simulated Subway Station Thermal Environments by
Different Turbulence Models

Liu Geng1Liu Lei2Zhang Xin3Wang Xinke3
(1.Xi’an Metro Company Limited，Xi’an 710016;2.Beijing Urban Engineering Design ＆ Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100037;3.School of Human Settlement and Civil Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049)

Abstract:For a subway station in Tianjin，temperature fields and velocity fields were simulated by a computational fluid dynamics(CFD)method adopting 5 turbulence models including the standardk-εmodel， RNGk-εmodel，mixing length zero equation model，Chen’s zero equation model andv2fmodel.A comparison between the simulated results showed that the flow field and temperature field obtained by Chen’s zero equation turbulence model was close to that by the standardk-εmodel and RNGk-εmodel with less iteration steps while the results by mixing length equation model andv2fmodels were distinct from those by the above three models.Therefore，it should be careful to choose turbulence models when thermal environment is simulated by CFD method.

Key words:subway stations;CFD;turbulence models;thermal environment;numerical simulation

U231.5

A

1672-6073(2012)02-0049-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.013

收稿日期:2011-07-01

2011-07-22

作者簡介:劉庚，男，工程師，從事地鐵站臺設計理論與技術的研究，wangxinke@mail.xjtu.edu.cn

中央高校基本科研業務項目(xjj20100138)

(編輯:郭 潔)