基于FLUENT的地鐵屏蔽門通風數值模擬研究

陳薈多，周東一*

(1.邵陽學院機械與能源工程學院，湖南 邵陽 422000；2.邵陽學院高效動力系統智能制造湖南省重點實驗室，湖南 邵陽 422000)

地鐵列車運行時，隧道內由于受列車運行活塞效應的影響，會產生大量氣流。過大的活塞風會對隧道內設備以及列車上的乘客產生不利影響，這是現代城市軌道交通運營中不可忽視的問題。應用地鐵環控系統可有效解決上述問題。屏蔽門系統是地鐵環控系統的重要組成部分，因此對地鐵屏蔽門通風進行研究具有重要意義。

當前，國內外學者主要針對地鐵環控系統及節能優化展開了研究[1-3]。趙西平等人基于西安地鐵站臺屏蔽門測試了地鐵隧道內風速及溫度變化，提出了調控通風量的變頻技術策略[4]；袁中原等人對復合式屏蔽門系統通風展開研究，提出了兩種通風方案并進行了仿真分析，得到了“進站端活塞風井通風模式”優于“出站端活塞風井通風模式”的結論[5]。上述研究都沒有針對列車停站時的工況進行相應分析。

綜合上述文獻分析，筆者首先建立一個前方列車在站內停車、屏蔽門開啟且后方列車在隧道內行駛的仿真模型；然后進行相應的計算網格劃分，確定好邊界條件；最后利用FLUENT進行流場仿真并對屏蔽門系統仿真時的通風進行研究分析，為進一步開展在實際工況下地鐵屏蔽門通風的研究奠定基礎。

1 模型建立及理論基礎

1.1 模型建立

為對地鐵運營時地鐵屏蔽門系統通風量變化進行研究,建立了一個前方列車在站內停車、屏蔽門開啟且后方列車在隧道勻速行駛的仿真模型。考慮到三維仿真方法建模復雜且對計算機要求較高，在保證數值模擬準確性的基礎上采用二維仿真模型進行仿真，所建仿真模型如圖1所示。

圖1 仿真模型示意圖

1.2 理論方程

流場數值模擬中控制方程為流場流體的數學表達，筆者所建模型的控制方程表達如下。

連續性方程

式中：ρ為密度，t為時間，u為速度矢量。

能量方程

式中：T為溫度，c為比熱容，k為導熱系數。

動量方程：

式中：μ為動力粘度，S為廣義源項，θ為速度變量。

2 數值模擬及結果分析

為了對地鐵屏蔽門系統開門狀態下的通風狀況進行研究[6-7]，采用FLUNET對所建模型進行流場仿真。

2.1 計算網格劃分

在流體力學計算中，計算網格的劃分對流場計算有著至關重要的影響。合理劃分出高質量的網格可以使得CFD計算更加準確。考慮到地鐵隧道模型建模復雜且模型內部存在動邊界問題，筆者基于ICEM的非結構網格對模型進行網格劃分，所劃分網格最小尺寸為500mm。劃分后的計算網格模型如圖2所示。

圖2 計算網格模型

2.2 邊界條件及求解器設置

將ICEM中劃分好的網格模型導入到FLUENT中。為了實現仿真模型中列車行駛工況，采用動網格來實現列車與隧道之間的相對運動。在FLUENT仿真中進行任意仿真都需設置好邊界條件，邊界條件的設置對求解結果的準確性有較大的影響。將所建地鐵屏蔽門通風模型邊界條件設置如下：

(1)隧道出入口分別為壓力入流、壓力出流，且存在一定壓力差。

(2)井和屏蔽門處為壓力出流，壓力設置與大氣壓一致。

(3)其余部分均設置為靜止壁面。

2.3 仿真結果分析

各項參數設置完成后，開始進行仿真。考慮到計算精度與計算時長，設置時間步長為0.01s，計算500步長，總計算時間為5.0s。仿真結束時，仿真模型車站處速度云圖如圖3所示。

圖3 停站列車處速度云圖

由圖3可以看出，仿真結束時，隧道內氣流進入車站內時分別沿著停站列車向兩端隧道間隙流入；由于車站站廳與車站隧道存在壓力差且車站隧道內氣壓高于站廳氣壓，因此，靠站廳測氣流速度更大，部分氣流通過屏蔽門流入站廳，仿真模型中車站屏蔽門處存在速度極小區域。

針對車站屏蔽門整體[8-10]進行分析研究。通過CFD-POST將所研究車站的屏蔽門系統中每一扇屏蔽門處的氣流速度變化圖分別提取出，并求得其通風量。仿真模型中站臺屏蔽門處速度變化如圖4所示，各屏蔽門的通風量如圖5所示。

圖4 站臺屏蔽門處速度變化圖

圖5 各屏蔽門通風量

由圖4可以看出，在仿真過程中，1號至7號屏蔽門處的風速變化較大，8號至24號屏蔽門處的風速變化相對平穩。由圖5可看出，各屏蔽門的通風量變化總體呈現先下降再上升最后趨于穩定的趨勢，其中1號至7號屏蔽門的通風量變化相對較大。1號屏蔽門的通風量最大，為6.85m3/s；隨著通風量的逐漸降低，最低值出現在3號屏蔽門處，為3.97m3/s；4號至7號屏蔽門的通風量逐漸上升；從8號屏蔽門開始，通風量趨于穩定。

3 結論

為對地鐵屏蔽門通風進行研究，筆者建立了一個前方列車在站內停車、屏蔽門開啟且后方列車在隧道勻速行駛的仿真模型，進行了數值仿真，并對仿真時同一站臺各屏蔽門的通風量變化進行了研究。研究結果表明，各屏蔽門的通風量變化總體呈現先下降再上升最后趨于穩定的趨勢，其中1號屏蔽門的通風量最大，3號屏蔽門的通風量最小。