基于液體縮尺模型的地鐵活塞風與站臺送風耦合

劉佳妮 沈 麗 唐道發 羅 成 杜曉明

（上海理工大學環境與建筑學院，200093，上海∥第一作者，助理工程師）

1 試驗臺及試驗方案

1.1 試驗原理

由流體力學相似性原理可知，要保證兩個流動的力學相似，就必須使兩個流動的幾何相似、運動相似，動力相似、以及兩個流動的邊界條件和起始條件相似。但是在模型幾何尺寸和流動介質等發生變化不同于原型時，很難保證所有的相似準則數同時對應相等。因此，應抓住對流動起決定性作用的力，保持原型和模型中該力的相應準則數相等。

實際情況中，活塞風與站臺送風射流因溫差較小，密度相差不大，因此可以認為實際中耦合氣流所受重力與浮力相平衡。模型試驗中可不考慮弗諾得數的影響；且實際中活塞風與站臺送風射流速度較大，流動處于自模區，這時模型設計不受模型律制約，即只需滿足模型流動同時進入自模區，就可以實現模型和原型流動在速度分布上的相似，達到用模型試驗模擬原型流動的目的。

1.2 試驗臺簡介

本試驗通過搭建液體示蹤縮尺模型試驗臺，運用液體代替氣體模擬閉式系統列車活塞風與站臺送風射流的耦合氣流，并對其氣流組織的速度場與流線進行研究。原理圖如圖1所示。

圖1 試驗原理圖

本模型試驗，以上海南京西路地鐵車站站臺層為原型搭建1∶16的縮尺模型實驗臺，原型與模型幾何尺寸對應表見表1。

表1 站臺原型與模型裝置幾何尺寸對應表 m

通過現場實測，在列車入口處的活塞風最大風速為7.6m／s，送風口風速約為6m／s，故分別選取活塞風與站臺送風射流的最大上限風速為8m／s，均滿足試驗要求。原型中，隧道和送風口的當量直徑分別為2.84m和0.6m。以原型中選取活塞風和空調送風風速均為2m／s為例，對應的Re（雷諾數）分別為3 616 197和76 433，均處于自模區。模型試驗中，需運用圓管代替站臺隧道口和方形空調送風口，按照等面積的原則，可以計算得出相應半徑分別為0.105m和0.02m，查PVC（聚氯乙烯）管規格分別選擇公稱直徑為200mm和40mm的管件。由流體力學可知，當液體流動進入紊流狀態時，管道斷面流速分布比較均勻，能夠實現模型中站臺送風射流的均勻送風要求。選擇Re＝2 400，求得此時模型站臺送風射流水速為0.06m／s，因此選取流速值v＝0.06m／s模擬原型0.84m／s的風速，故得速度比例尺為λv＝0.06／0.84＝1∶14。同理，可得送風口和隧道口的流體在原型與模型中的速度和雷諾數（對應表分別如表2和表3所示）。

表2 送風口原型與模型參數表

表3 隧道口原型與模型參數表

1.3 試驗方案

為了能夠得到活塞風與站臺送風射流的耦合軌跡，試驗中利用紅色色素調節站臺送風射流水箱中液體顏色，以便試驗中觀察活塞風與站臺送風射流耦合的軌跡。在軌跡線上布置測點9、10，測點布置如圖2所示。

本試驗所用儀器有轉子流量計、循環水泵、電動閥門、LGY—Ⅲ型多功能智能流速儀等，其中LGY—Ⅲ型多功能智能流速儀用于測量耦合流場水流速度。

試驗流程粗選I作業為銅鉬等可浮（優先浮選），粗選II為強化浮選，通過采用黃藥或其他強捕收力的藥劑進行強化捕收，提高目的礦物回收率。此次試驗進行了四種藥劑的對比，試驗結果見圖10。從試驗結果可以看出，采用丁黃藥與BK404B組合時，銅、鉬作業回收率較高。

圖2 模型試驗臺測點布置（單位：mm）

2 試驗結果與分析

2.1 活塞風流量變化曲線

為了模擬活塞風的變化規律，根據地鐵的實際運行規律及縮尺模型時間比例尺，將電動閥設置成加速時間、勻速時間和減速時間，分別為33s、31s和33s。通過調節回水管上的調節閥，控制活塞風的流量值來模擬活塞風射流加速、勻速和減速過程，由速度測點1測得活塞風速度變化從而求出其流量變化。由圖3與圖4可知，本模型試驗的活塞風射流滿足文獻12對隧道活塞風的實測［12］。

圖3 模型試驗活塞風流量變化曲線

圖4 文獻12活塞風實測流量變化曲線

2.2 活塞風與站臺送風射流速度的耦合軌跡

為了試驗的方便，選擇活塞風與站臺送風射流均恒定的工況。縱橫坐標分別表示距離站臺送風射流風口的垂直和水平方向的距離，其中刻度0位置為站臺送風口的位置，橫坐標上坐標距離8cm、15cm處分別是測點9、10的位置。活塞風速分別為5m／s、6m／s、7m／s時活塞風與站臺送風射流的耦合曲線如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 活塞風與站臺逆風射流的耦合曲線（活塞風速為5m／s）

圖6 活塞風與站臺逆風射流的耦合曲線（活塞風速為6m／s）

圖7 活塞風與站臺逆風射流的耦合曲線（活塞風速為7m／s）

由圖5、圖6、圖7可知，在活塞風速度一定的情況下，站臺送風射流速度越小，活塞風與站臺送風射流的耦合軌跡越平緩。

在文獻13中，設橫流的流速為ua，射流出口斷面直徑為D，射流出口射流流速為u0，兩者的比值為R＝u0／ua，垂直于橫流與射流斷的射流中心線方程為z／（R×D）＝2.05×［x／（R×D）］0.28。此處的橫流相當于試驗臺上的活塞風，射流相當于實驗臺上的站臺送風射流，將其帶入射流中心線的方程內，計算得出的軌跡規律與本試驗臺活塞風與站臺送風射流速度耦合軌跡圖基本相吻合。

2.3 活塞風最大值不變，改變站臺送風射流速度

保持活塞風速度最大值不變，改變站臺送風射流速度，觀察在活塞風一定的情況下，不同站臺送風射流對各個測點速度的影響。活塞風速度最大值為6m／s，站臺送風射流流速分別為3m／s、4m／s、5 m／s時各測點的速度分布及對應的擬合曲線如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 各測點的速度分布圖（站臺送風射流流速為3m／s）

圖9 各測點的速度分布圖（站臺送風射流流速為4m／s）

其中測點8是風口前面的測點，即未耦合的測點，測點9和測點10是風口依次往后的測點，即活塞風與站臺送風射流耦合后的測點。

通過對圖8、圖9、圖10觀察和對比，在活塞風最大值為6m／s時可總結如下：

（1）站臺送風射流流速分別為3m／s、4m／s和5 m／s時，各測點速度變化曲線隨著活塞風增大、穩定、減小的過程，與實測活塞風變化曲線相吻合較好。

圖10 各測點的速度分布圖（站臺送風射流流速為5m／s）

（2）改變站臺送風射流速度值的情況下，測點8的速度改變較劇烈，規律不明顯。

（3）改變站臺送風射流速度值的情況下，測點9的速度隨著站臺送風射流流速的增大，速度反而逐漸變小。

（4）改變站臺送風射流速度值的情況下，測點10的速度隨著站臺送風射流流速的增大，速度逐漸增大。

2.4 站臺送風射流流速不變，改變活塞風速度

取站臺送風射流流速為3m／s，活塞風速最大值分別為5m／s、6m／s、7m／s，各測點的速度分布如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 各測點的速度分布圖（活塞風速最大值為5m／s）

圖12 各測點的速度分布圖（活塞風速最大值為6m／s）

通過對圖11、圖12、圖13觀察和對比，在站臺送風射流流速為3m／s，活塞風速最大值分別為5 m／s、6m／s和7m／s時可總結如下：

圖13 各測點的速度分布圖（活塞風速最大值為7m／s）

（1）各測點速度變化曲線隨著活塞風增大、穩定、減小的這個過程，與活塞風變化曲線相吻合較好。

（2）隨著活塞風速度最大值的增大，測點8速度值曲線改變較平緩且測點8的速度值隨著活塞風的增大而增大。

（3）測點9速度曲線改變較劇烈且測點9的速度值隨著活塞風速最大值的增大而增大。

（4）測點10速度曲線改變劇烈且測點10的速度值隨著活塞風速最大值的增大先增大后減小。

3 結語

（1）試驗中各測點速度變化曲線隨著活塞風增大、穩定、減小的這個過程，基本上與實測活塞變化曲線相吻合。

（2）隧道入口處活塞風初始速度越大，入口后站臺各測點速度會隨之增大。

（3）不同活塞風初始值情況下，距隧道入口不同距離的各測量橫斷面上速度分布具有相似性。

（4）在活塞風一定的情況下，站臺送風射流速度越小，活塞風與站臺送風射流的耦合軌跡越平緩；在站臺送風射流一定的情況下，活塞風越小，活塞風與站臺送風射流的耦合軌跡越陡。

由以上結論可知，在非屏蔽門系統的地鐵實際運營過程中，可以適當打開在站臺兩端活塞風的通風井，并增大站臺送風射流流速以達到舒適節能的目的。

［1］OUYANG Q，JIANG Y，Z Y X.Calculation of critical ventilation velocity for the train jam in subway tunnel using CFD simulations［C］／／Proceedings of the 2002International Symposium on Safety Science and Technology（2002ISSST）.Tai’an，China：Safety Science and Technology，2002：1363.

［2］沈翔，吳喜平.地鐵活塞風特性的測試研究［J］.暖通空調，2005（3）：103.

［3］王麗慧，吳喜平.地鐵車站環控溫度場的研究［J］.制冷空調與電力機械，2007（28）：30.

［4］王麗慧，吳喜平.地鐵活塞風對車站環控速度場的影響［J］.地下空間與工程學報，2007（2）：161.

［5］賈力，黃鵬，楊立新.地鐵車站內流動特性的數值模擬［J］.北京交通大學學報，2008，32（1）：83.

［6］Ren M L，Chen C，Guo Q，et al.Numerical analysis and effectively using of piston－effect in subway［J］.Shanghai Jiaotong Daxue Xuebao，2008，42（8）：1376.

［7］袁鳳東，由世俊，楊向勁.地鐵側式站臺空調氣流CFD模擬［J］.西南交通大學學報，2005（6）：303.

［8］毛軍，郗艷紅，呂華，等.數值模擬與仿真在地鐵火災防災減災中的應用［J］.北京交通大學學報，2008，32（4）：52.

［9］楊暉，賈力，黃培雷.列車運動對地鐵站臺環境影響的數值模擬［J］.地下空間與工程學報，2010（2）：270.

［10］楊暉，賈力，楊立新.列車運動對地鐵站臺空氣溫度分布動態影響的數值分析［J］.北京交通大學學報，2009（1）：37.

［11］榮莉.姚楊，姜益強，等.側式站臺和島式站臺活塞風特性分析比較［J］.建筑熱能通風空調，2007，26（4）：87.

［12］沈翔，吳喜平，董志周.地鐵活塞風特性的測試研究［J］.暖通空調，2005，35（3）：104.

［13］余常昭.紊動射流［M］.北京：高等教育出版社，1993.

［14］吳煒，彭金龍.快速地鐵隧道空氣動力學效應研究［J］.城市軌道交通研究，2011（12）：37.