行車對數和位置對活塞風井通風特性的影響

閆春利 雷 波

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行車對數和位置對活塞風井通風特性的影響

閆春利 雷 波

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

采用數值模擬的方法對設雙活塞風井的屏蔽門地鐵系統的風井通風特性進行了研究，以活塞風井的風量和通風效率作為活塞風井通風特性的評價指標，主要分析了行車對數和風井與車站的距離對于活塞風井通風特性的影響，研究結果對于地鐵環控系統設計具有參考意義。

屏蔽門系統；雙活塞風井；通風效率

0 引言

合理的地鐵環控系統能夠有效控制地鐵系統內熱濕環境。利用列車運行形成的活塞效應設置的活塞通風系統是隧道正常工況下在溫度滿足要求時的主要通風形式。活塞風量的大小直接影響著隧道內余熱消除及污染物排出，因此研究活塞風井的通風性能非常重要。

王麗慧[1,2]研究了設雙活塞風井的地鐵系統的風井通風特性，得到活塞風井風速與車速呈線性正比例關系，進站風井的最大風速大于出站風井的風速，且活塞風井橫截面積對區間和車站各單元速度場和風量的影響明顯。吳妍[3]研究了地鐵設單活塞風井和雙活塞風井時風井的通風效率，得出雙風井工況時有效排氣量和有效吸氣量遠高于單風井工況；單風井工況時，出站端設風井時通風效果稍優于進站端設風井，雙風井工況時，出站端風井通風性能大大提高，而進站端風井通風性能顯著降低。華正博[4]研究了只在出站端設置活塞風井時，區間隧道長度、活塞風井橫截面積和長度、活塞風井數量和位置對隧道換氣量的影響。Chi Ji Lin[5]針對冬季開式運行、夏季閉式運行的設雙活塞風井的地鐵系統，研究了活塞風井氣流參數和換氣效率，指出活塞風井通風量隨著風井截面積的增大而增大，但是通風量增長率低于截面積的增長率。Huang Yuandong[6]建立了一個長39m，設三個風井的隧道模型，分析了列車運行時風井附近壓力、氣流特征以及列車運行狀態對風井通風效率的影響。Kim JY和Kim KY[7]通過數值模擬分析了只在進站端設置活塞風井時風井位置對通風效率的影響。

在對活塞風井通風特性的研究中，主要研究各參數對單活塞風井通風特性的影響，對于雙活塞風井的通風特性的研究較少。本文將對采用雙活塞風井的屏蔽門地鐵系統活塞風井的通風特性進行研究，研究改變行車對數和風井位置對活塞風井通風特性的影響。

1 活塞風井通風效率

列車周期性運行使活塞風井的進風過程和排風過程交替進行。由于活塞風井有一定的長度，進風空氣和排風空氣首先要通過活塞風井才能進入隧道或者排出室外。當活塞風井進風時，上一排風過程中的空氣還未排出活塞風井就被進風空氣擠壓又經活塞風井返回隧道；同樣的，活塞風井排風時，上一進風過程空氣在活塞風井中未進入隧道就又被排風空氣擠壓返回室外。由于活塞風井通風的目的是要將室外新鮮空氣引入隧道和將隧道內溫度較高的污染空氣排出室外，因此在討論活塞風井通風特性時應該考慮進風階段和排風階段開始時活塞風井內留存的空氣。

一個周期內，每個排風過程中隧道向外排出的總排風量為Q，這部分空氣真正排出室外的部分為有效排風量Q；每個進風過程中室外空氣進入地鐵系統的總進風量為Q，真正進入隧道的部分為有效進風量Q，則有：

式中，L為活塞風井的長度；為活塞風井的面積。

定義一個周期內所有排風過程中的總有效排風量與總排風量的比值為排風效率η，所有進風過程中的總有效進風量與總進風量的比值為進風效率η。

式中，為1個周期內排風過程或進風過程的個數，≥1。

2 計算模型和參數

本文以成都某地鐵為基礎，利用SES建立典型地鐵模型。設一條6個車站的地鐵線，全長7260m，車站為島式車站、屏蔽門系統，軌行區長度118m，列車長度117m，軌行區隧道截面積為19m2，區間隧道截面積為25.1m2。設置軌排系統，軌排風機風量為50m3/s。車站兩端設活塞風井，由于每個車站兩側活塞風井的通風特性及變化趨勢一致，取中間車站（第四個車站）兩側風井作為研究對象?；钊L井橫截面積為20m2，長度為39m。模擬夏季工況，外界干球計算溫度取隧道通風夏季室外計算溫度25.6℃。

3 計算結果及分析

本文以活塞風井風量和通風效率作為活塞風井通風特性的評價指標，討論行車對數和活塞風井與車站距離對活塞風井通風特性的影響規律。

3.1 行車對數的影響

地鐵列車運行的時間間隔隨地鐵系統運行的時間長短分為初期、近期、遠期工況，行車對數不同，一天內高峰時間和非高峰時間的發車間隔也不相同，本文取行車對數為15對/h，18對/h，24對/h，30對/h進行模擬。

（1）進站風井

圖1為行車對數不同時的進站風井風速，從中可以看出，當行車對數增加時，進站風井第一個排風過程的風速先增大后減小，行車對數為18對/h時，風速最高，當行車對數為30對/h時，第一個排風過程的風速接近于0；第一個進風過程的風速和持續時間隨行車對數增加變化不大；第二個排風過程的速度隨行車對數的增加先增加后減少，行車對數為24對/h時，排風風速最高；第二個進風過程風井風速隨行車對數的增加而增大，但是進風時間縮小。

圖1 行車對數不同時進站風井的風速

圖2給出了進站風井總風量和有效風量隨行車對數增加的變化情況，從中可以看出：隨著行車對數的增加，進站風井的總進風量和有效進風量不斷減少，總排風量和有效排風量先增加后減小，從圖1可以看出，行車對數從15對/h增加至18對/h時，風井的第一個排風過程的風速增大，因此總排風量和有效排風量增加；當行車對數在18對/h，24對/h和30對/h變化時，排風速度和排風時間不斷減少，因此總排風量和有效排風量不斷減少。

圖2 行車對數不同時進站風井的風量

表1為行車對數不同時進站風井的通風效率，從中可以看出，隨著行車對數的增加，進站風井的進風效率不斷減少，排風效率先增加后減少，行車對數為18對/h時排風效率最高。

表1 行車對數不同時進站風井的通風效率

（2）出站風井

圖3為行車對數不同時出站風井的風速，從中可以看出，行車對數為15對/h、18對/h和24對/h時，出站風井一個周期內有兩個排風過程，每個排風過程的排風速度和排風時長隨行車對數的增加減小，當列車對數為30對/h的時候，出站風井一個周期中只有一個排風過程。行車對數為15對/h、18對/h和24對/h時，出站風井一個周期內有兩個進風過程，第一個進風過程的進風速度和進風時長在18對/h時最大，第二個進風過程的進風速度在24對/h時最大，進風時長不斷減小；行車對數為30對/h時，出站風井只有一個進風過程。

圖3 行車對數不同時出站風井的風速

圖4是行車對數不同時出站風井總風量和有效風量的變化情況，從中可以看出，隨著行車對數的增加，出站風井的總進風量出現起伏，無明顯變化規律，有效進風量先減小后增加，行車對數為24對/h時有效進風量最低，為87745m3/h，行車對數為30時有效進風量最高為132270m3/h，有效進風量在行車對數為30對/h最高的原因是出站風井只有一個進風過程，進風時間增加，室外空氣更多進入隧道；隨著行車對數的增加，出站風井的總排風量先增加后減少，有效排風量為0。

圖4 行車對數不同時出站風井的風量

表2是行車對數不同時出站風井的通風效率，從中可以看出，行車對數從15對/h增加至24對/h時，進風效率減小，當行車對數從24對/h增加至30對/h時，進風效率增加；出站風井的排風效率始終為0。

表2 行車對數不同時出站風井的通風效率

行車對數相同時，進站風井的有效進風量低于出站風井的有效進風量；進站風井有效排風量高于出站風井有效排風量。

3.2 風井位置的影響

以軌行區兩端為基準，記列車運行的方向前端的車站端為出站點，后端的車站端為進站點。研究改變進站風井與進站點距離和出站風井與出站點的距離對活塞風井通風效率和有效風量的變化情況，行車對數取15對/h。

（1）進站風井

圖5為進站風井與進站點距離不斷增加時，一個周期內進站風井內的風速變化情況，從中可以看出進站風井與進站點的距離從20m增加到140m過程中，進站風井的第一個進風過程的進風速度和持續時長隨距離增加而增加；第一個排風過程的排風速度和持續時長隨距離的增加而減小；第二個進風過程初期進風速度隨距離的增加而減小，當進風過程持續一段時間后，速度變化曲線趨近一致；第二個排風速度的風速隨距離的增加而增加。

圖5 位置不同時進站風井的風速

圖6是進站風井與進站點距離增大時，進站風井總風量和有效風量的變化情況，從中可以看出隨著進站風井遠離車站，總進風量逐漸增加，有效進風量逐漸減小，總排風量和有效排風量逐漸增加，在風井位置從20m～140m的變化范圍內，有效進風量減小了4966m3/h，有效排風量增加了6485m3/h。

圖6 進站風井位置不同時進站風井的風量

表3為進站風井與進站點距離增加時，進站風井通風效率的變化情況，從中可以看出，隨著進站風井遠離車站，進站風井的進風效率逐漸減小，排風效率逐漸增大，這主要是由于活塞風壓隨列車速度的增加而增加。隨著進站風井遠離車站，活塞風井所在處列車速度越來越大，活塞風壓越來越大，使得排風效率逐漸增強，相應的進風效率就逐漸減小。

表3 進站風井位置不同時進站風井的通風效率

（2）出站風井

圖7為出站風井與出站點距離不斷增加時，一個周期內出站風井的風速變化情況，從中可以看出，出站風井第一個排風過程的速度隨距離的增加而減小，排風速度最高點出現的時間變晚；第一個進風過程的速度隨距離的增加而增加；第二個排風過程的風速隨距離的增加先增加后減?。坏诙€進風過程的進風速度在進風開始初期速度相差不大，持續一段時間后進風風速隨距離的增加而減小。

圖7 位置不同時出站風井的風速

圖8是出站風井與出站點距離增大時，出站風井總風量和有效風量的變化，從中可以看出，隨著出站風井遠離車站，出站風井的總進風量和有效進風量逐漸減少，有效進風量減小了10250m3/h，減少率為8.7%；總排風量逐漸增加，有效排風量始終為0。

圖8 出站風井位置不同時出站風井的風量

表4為出站風井與出站點距離增加時進站風井通風效率的變化情況，從中可以看出，隨著出站風井遠離車站，出站風井的進風效率逐漸減小但減小幅度不大，排風效率始終為0。

表4 出站風井位置不同時出站風井的通風效率

風井與車站距離相同時，進站風井有效進風量低于出站風井有效進風量，進站風井排風量高于出站風井排風量。

4 結論

本文針對設雙活塞風井的屏蔽門地鐵系統，分析了車站兩側活塞風井通風性能，研究了行車對數和風井位置對活塞風井風量和通風效率的影響。

（1）行車對數的增加使進站風井總進風量、有效進風量和進風效率減小，總排風量、有效排風量和排風效率先增加后減小（行車對數為18時最高，行車對數為30時最低）；出站風井總進風量出現起伏，有效進風量和進風效率先減少后增加，出站風井的總排風量先增加后減少，有效排風量和排風效率始終為0。

（2）進站風井與車站距離的增加使總進風量增加，有效進風量和進風效率減小，總排風量、有效排風量和排風效率逐漸增大；出站風井與車站距離的增加使其總進風量、有效進風量和進風效率逐漸減小，總排風量增加，有效排風量和排風效率始終為0。

[1] 王麗慧,施逵,宋潔,等.地鐵活塞風井及迂回風道速度場特性研究[J].流體機械,2010,(3):22-28.

[2] 王麗慧.地鐵活塞風與地鐵環控節能[D].上海:同濟大學,2007.

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[6] HUANG Yuandong. Numerical Study of the Train-Induced Unsteady Airflow in a Subway Tunnel with Natural Ventilation Ducts Using the Dynamic Layering Method[J]. Journal of Hydrodynamics, 2010,22(2):164-172.

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Effects of Train Pairs and Location on the Ventilation Performance of Vent Shaft

Yan Chunli Lei Bo

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

In this paper, a typical subway model using PSD system with double piston air shaft is established by SES software. Taking the ventilation volume and ventilation efficiency as the evaluation index of the ventilation performance of the piston shaft, the effects of train pairs and the distance between shaft and station on the ventilation performance of the piston shaft is analyzed. The results are of reference significance for the design of subway environment control system.

PSD system; double piston shaft; ventilation efficiency

1671-6612（2018）01-001-06

U453.5

A

閆春利（1992.02-），女，在讀碩士研究生，E-mail：chunliyan2017@163.com

雷 波（1961.05-），男，博士，教授，博士生導師，E-mail：leibo@home.swjtu.edu.cn

2017-06-13