活塞風效應(yīng)下地鐵站廳公共區(qū)域壓力分布特性與出入口滲透風量研究

中圖分類號：U231；TU96 文獻標志碼：A

Abstract： Taking a standard island-platform metro station in Shanghai as the research object， a physical model of the concourse level was established. Using computational fluid dynamics simulation， this study analyzes the pressure distribution characteristics during a single train operation cycle and investigates the variation of entrance infiltration airflow with mechanical air supply/return adjustment based on pressure distribution， so as to reduce cooling load loss caused by infiltration at station entrances and exits during air-conditioning seasons and provide theoretical support for energy-saving and carbon reduction in metro station environmental control systems. Results show that significant dynamic pressure fluctuations occur near three entrances and exits during a single operation cycle， with an average dynamic pressure of 0.50Pa at 1.5m height in the concourse， while reaching 3.82 Pa near entrances and exits. While the total air supply volume is maintained constant， increasing the air supply velocity by 50% only in high-pressure-fluctuation areas can effectively reduce infiltration airflow by approximately 19%

Keywords： metro station; pressure distribution; entrances and exits; infiltration airflow

隨著我國地鐵建設(shè)的飛速發(fā)展，地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)的能耗問題日益凸顯[1。地鐵車站為半敞開式建筑。伴隨著列車進、出站，活塞風效應(yīng)會導致地鐵車站內(nèi)部及站廳出入口的風壓產(chǎn)生周期性波動，在出入口處會引起大量滲透風量。夏季室外空氣溫度較高、室內(nèi)空氣溫度較低時，出入口滲透風負荷大幅增加了車站環(huán)控系統(tǒng)的能耗。經(jīng)現(xiàn)場實測及理論計算，在設(shè)置屏蔽門系統(tǒng)的地鐵車站，夏季由車站出入口滲透風引起的空調(diào)冷負荷約占整個公共區(qū)域空調(diào)冷負荷的 30%～50%[2]。因此，研究地鐵車站內(nèi)部壓力波動規(guī)律特性，對減少出人口滲透風冷量損失，以及降低車站環(huán)控系統(tǒng)能耗很有必要。

在地鐵車站風壓特性研究方面，董夢雪等[3]采用SST k-ω 模型進行非定常計算，研究了地鐵列車進站過程中產(chǎn)生的活塞風對站臺全封閉屏蔽門的影響。結(jié)果表明，列車在進站過程中會引起屏蔽門表面壓力的變化。該壓力在車頭通過第一個活塞風井后達到峰值，且越靠近該活塞風井的屏蔽門表面壓力波動幅值越大，在 -266～ 1188Pa 之間。曾令偉等4針對 A+ 型標準地鐵列車模型，通過動模型彈射試驗研究了地鐵列車過隧道、過站臺、跟隨工況下的隧道內(nèi)風壓、屏蔽門風壓分布與變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，列車過區(qū)間泄壓井時產(chǎn)生的壓縮波傳遞至屏蔽門后，壓力極值將會保持在 300Pa 左右并持續(xù)約 5s 。這一側(cè)向壓力是導致屏蔽門無法正常開閉的主要原因。Yang等[5采用六節(jié)車廂地鐵列車模型、RNGk-ε 湍流模型和滑動網(wǎng)格技術(shù)，模擬了相鄰月臺間地鐵列車運行對隧道內(nèi)滑流、活塞風、阻力和壓力波等空氣動力學效應(yīng)。結(jié)果表明：地鐵隧道內(nèi)列車在加速和減速階段的氣動行為存在差異；

隧道內(nèi)壓力波對前車和尾車的氣動阻力影響較大，隧道內(nèi)壓力波的最大峰值出現(xiàn)在加速階段結(jié)束時，可達 700Pa_? 。以上研究多基于列車運行規(guī)律，探討隧道活塞風特性以及隧道風壓對屏蔽門承壓方面的影響，但對地鐵車站內(nèi)部的壓力分布場探討較少。

本文以上海市某標準島式地鐵車站為研究對象，根據(jù)站廳尺寸建立物理模型，利用計算流體力學（CFD）數(shù)值模擬軟件，分析單個行車周期內(nèi)地鐵站廳壓力分布特性，并根據(jù)站廳各區(qū)域壓力分布特性，探究機械送、回風調(diào)節(jié)對出入口滲透風量的影響，以期為地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能減碳提供理論參考。

1 研究方法

本文利用Fluent軟件建立上海市某標準島式地鐵站廳物理模型，并對該站廳樓梯口與出入口風速進行現(xiàn)場實測。將樓梯口風速作為模擬邊界條件，利用出入口風速實測結(jié)果驗證站廳物理模型的準確性。

1.1物理模型建立與簡化

以上海市某標準島式地鐵車站為研究對象，建立地鐵站廳公共區(qū)域物理模型。站廳公共區(qū)域尺寸（長 × 寬 × 高）為 102.3m×19.64m×3.4m 。站廳與站臺之間有2個樓梯口，樓梯口尺寸為6m×4m 。該車站共3個出入口，出入口1尺寸為 6m×2.5m ，出入口2與出入口3尺寸均為 5m×2.5m 。送風口共32個，單個送風口尺寸為 0.8m×0.4m ，分兩行布置。回風口共10個，單個回風口尺寸為 0.8m×0.8m 。站廳物理模型如圖1所示。

本文對模型作如下簡化：

（1）地鐵車站內(nèi)空氣為不可壓縮流體，穩(wěn)態(tài)流動，且符合Boussineq假設(shè)。（2）計算過程中假設(shè)風速方向垂直于空調(diào)送風口，且整個送風口平面的風速保持恒定；（3）計算過程中熱源如人員的散熱量、照明設(shè)備的散熱量均勻分布于其相對應(yīng)的表面上。人員的散熱量均勻分布于地板上，照明設(shè)備的散熱量均勻分布于天花板上。（4）計算時不考慮站廳兩側(cè)的設(shè)備管理用房及員工休息室。

1.2計算方法與邊界條件

本文中壓力離散差分格式采用BodyForceWeighted格式，其他變量對流項均采用一階迎風格式離散，壓力速度耦合算法為SIMPLE算法。

站廳2個樓梯口均定義為速度入口邊界，其速度與溫度均為實測所得，并被編譯成UDF函數(shù)輸入CFD模型中。站廳送、回風總量為136000m³/h ，模擬中按照新風量不小于 10% 的送風量的標準來進行回風量的計算；送風風速為 3.6m/s ，回風風速為 5.3m/s 。模擬中，送風溫度按實測溫度 17°C 設(shè)置。

1.3車站樓梯口與出入口風速實測

選取上海市某標準島式地鐵車站，實測站廳樓梯口與出入口風速。樓梯口與出入口風速均采用由單點風速儀組裝而成的多點風速儀TESTO405i測得。儀器參數(shù)如表1所示。實測工況如表2所示。圖2為實測儀器及現(xiàn)場實測圖。圖3為樓梯口風速實測結(jié)果。

1.4地鐵站廳物理模型準確性驗證

本文利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)進行對比驗證，分析模擬結(jié)果和實測結(jié)果的誤差。皮爾遜相關(guān)系數(shù)

表1風速儀參數(shù)

的計算公式為

式中： P 為皮爾遜相關(guān)系數(shù)； i 為樣本序號； n 為樣本序號最大值； 為測試值的平均值； 為模擬值的平均值； E_i 為樣本測試值； S_i 為樣本模擬值。

選取出人口1與出入口2風速模擬值和測試值進行對比分析，如圖4所示。

根據(jù)式（1）計算得到出入口1測試值與模擬值的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.83，出入口2的測試值與模擬值的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為 0.87 。按照皮爾遜相關(guān)系數(shù)大于等于0.8時可認為測試值與模擬值高度相關(guān)的論述，可以認為本文的模型是準確的。

2 結(jié)果與分析

2.1典型時刻地鐵站廳壓力波動特性

選取單側(cè)列車停站、列車離站以及下一班列車進站，共3個時段作為單個典型行車周期，分析典型時刻站廳動壓與靜壓分布特性。

（1）活塞風效應(yīng)下典型時刻站廳動壓分布特性圖5為典型時刻站廳 1.5m 高度處截面動壓隨時間分布云圖。由圖可知，單個行車周期內(nèi)，站廳 1.5m 高度處截面動壓整體分布均勻，其中，在時間 t=144 、244和 444s 即第一班列車離站時，臨近3個出入口區(qū)域動壓均出現(xiàn)明顯波動。站廳 1.5m 高度處截面動壓平均值約為0.50Pa ，而典型時刻臨近出入口區(qū)域動壓可達到 3.82Pa 。在第一班列車離站階段，受活塞風負壓效應(yīng)影響，站廳通過樓梯口向站臺進風的風速較大，同時，出入口由室外引入大量滲透風，導致臨近出入口區(qū)域動壓波動明顯。在下一班列車進站階段即 t=612s 時，樓梯口風速達到峰值，且站廳只有在樓梯口2和出入口1附近的動壓出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。這說明站廳受活塞風正壓效應(yīng)影響時，樓梯口2和出入口1的空氣擾動比樓梯口1和出入口2、3的強烈。

圖2實測儀器及現(xiàn)場實測圖

（2）活塞風效應(yīng)下典型時刻站廳靜壓分布特性

典型時刻站廳 1.5m 高度處截面靜壓隨時間分布云圖如圖6所示。由圖可以看出，單個行車周期內(nèi)，典型時刻在站廳樓梯口、出入口及承重柱等遮擋物處靜壓會出現(xiàn)較為明顯的分層現(xiàn)象，而在其他區(qū)域則分布較均勻。此外，站廳靜壓平均值先減小再增加，后轉(zhuǎn)為正值，進而回歸至初始值，具有一定的周期性。站廳靜壓平均值先由 0Pa（t=2s） ，逐步減小為 -0.28Pa（t=46s） 、-1.42Pa（t=144s） 和 -3.00Pa （ ，后增加至 t=444s 時的 -0.84Pa 。在 時，站廳靜壓平均值變?yōu)檎登以龃笾?1.21Pa ，在 t= 678s時又減小至0。第一班列車離站時，活塞風負壓效應(yīng)逐漸增大，通過屏蔽門進入站臺的滲透風負壓也逐漸增強，站廳 1.5m 高度處截面靜壓逐漸減小，并隨著活塞風效應(yīng)降低而增加。在下一班列車進站時，活塞風效應(yīng)由負壓轉(zhuǎn)為正壓，站廳 1.5m 高度處截面靜壓由負值轉(zhuǎn)為正值，后又回歸至0。

2.2站廳壓力分區(qū)與各區(qū)域壓力波動特性

由站廳 1.5m 高度處截面動壓及靜壓分布云圖可知，活塞風效應(yīng)下，站廳壓力分布具有顯著的區(qū)域性。因此，對站廳公共區(qū)域進行劃分，進一步分析各區(qū)域壓力波動特性。站廳區(qū)域劃分如圖7所示。站廳左側(cè)分為 Y₁～Y₄4 個部分，站廳中部分為 Y_a～Y_h8 個部分，站廳右側(cè)分為Y₅～Y₁₀6 個部分。

（1）單個行車周期內(nèi)站廳各區(qū)域動壓波動特性

圖8給出了站廳 1.5m 高度處截面各區(qū)域與出入口動壓隨時間的變化。由圖可以看出，出入口動壓波動與站廳各區(qū)域動壓波動有較大的差異性，出人口動壓波動顯著大于站廳內(nèi)部各區(qū)域動壓波動。臨近出入口區(qū)域動壓波動幅度為站廳動壓平均波動幅度的 1.2～1.7 倍。空氣經(jīng)過站廳中部區(qū)域時，沿程阻力較小，導致 Y_a～Y_h 的空氣動壓隨時間的波動較為平緩。這說明 Y_a～ Y_h 區(qū)域與出入口的壓力波動相關(guān)性較小。

（2）單個行車周期內(nèi)站廳各區(qū)域靜壓波動特性圖9為站廳內(nèi)部 1.5m 高度處截面各區(qū)域及出入口靜壓隨時間的變化。由圖可以看出，各處靜壓隨時間的波動趨勢幾乎完全重合，變化幅度均在 -4～2Pa 之間。這說明站廳各區(qū)域靜壓與出入口靜壓隨時間幾乎同步變化。空氣靜壓受勢能影響，各區(qū)域之間相互連通，無大型遮擋物，因此各區(qū)域截面靜壓與出入口靜壓隨時間波動的規(guī)律整體相同。

2.3基于站廳壓力分區(qū)的機械送、回風調(diào)節(jié)對出入口滲透風量的影響

在單個行車周期內(nèi)，站廳部分區(qū)域壓力波動與出入口滲透風量波動關(guān)聯(lián)性較強，因此，本文探究了基于站廳壓力分區(qū)的機械送、回風調(diào)節(jié)對出入口滲透風量的影響，以減少空調(diào)季出入口冷量損失，降低車站環(huán)控系統(tǒng)能耗。基于機械送、回風總量 136 000m³/h 保持不變的原則，將壓力波動較強區(qū)域的送風風速增加 50% ，其他區(qū)域送風風速均勻降低，分析對出入口滲透風量的影響。圖10為送風風速增加區(qū)域（打勾區(qū)域）示意圖。

圖11為變區(qū)域送風工況與代表工況下各出入口滲透風量的變化。由圖可以看出，將 Y₁ 、Y₂ 、 Y₄ 、 Y₆ 、 Y₇ ， Υ₈6 個區(qū)域?qū)?yīng)的送風風速增加 50% 后，3個出入口的滲透風量均有所下降；在 t=244s 時，出入口 1～3 的滲透風量分別下降7.60、6.75、 5.84m³ 。表3為變區(qū)域送風工況與代表工況下3個出入口總滲透風量。由表可知，區(qū)域性送風風速調(diào)控可有效降低出入口滲透風量：3個出入口總滲透風量從 24164m³ 下降至 19659m³ ，約減小了 19% 。以上海地區(qū)為例，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[]，站廳送風溫度為 30^°C ，相對濕度為 65% 。夏季典型日14：00時，室外溫度為 35.2°C ，相對濕度為 59% ，實測出入口的平均滲透風量為 14.3m³/s 。通過該方法可節(jié)省約 32.3kW 空調(diào)冷量。

3結(jié)論

本文以上海市某標準島式地鐵車站為研究對象，建立站廳物理模型，利用CFD數(shù)值模擬軟件，分析了單個行車周期內(nèi)地鐵站廳壓力分布特性，并根據(jù)站廳各區(qū)域壓力分布特性，探究了機械送、回風調(diào)節(jié)對出入口滲透風量的影響，得到以下結(jié)論：

（1）在單個行車周期內(nèi)，站廳 1.5m 高度處截面動壓整體分布均勻，其中，在 t=144 、244、444s，即第一班列車離站時，動壓云圖中臨近3個出入口區(qū)域動壓均出現(xiàn)明顯波動。站廳 1.5m 高度處截面動壓平均值約為 0.50Pa ，而典型時刻臨近出入口區(qū)域動壓可達到 3.82Pa 。

（2）在單個行車周期內(nèi)，站廳靜壓平均值先減小再增加，后轉(zhuǎn)為正值，進而回歸至初始值，變化規(guī)律具有一定的周期性，其負峰值約為-3.00Pa ，正峰值約為 1.21Pa 。

表3變區(qū)域送風工況與代表工況下出入口總滲透風量

（3）分析站廳動壓分區(qū)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，臨近出入口區(qū)域動壓波動幅度為站廳動壓平均波動幅度的 1.2～1.7 倍。空氣經(jīng)過站廳中部區(qū)域時，沿程阻力較小，導致 Y_a～Y_h 區(qū)域空氣動壓隨時間的波動較為平緩。

（4）分析站廳靜壓分區(qū)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空氣靜壓受勢能影響，各區(qū)域之間相互連通，無大型遮擋物，因此各區(qū)域截面靜壓與出入口靜壓隨時間的波動規(guī)律整體相同，且值的范圍均在 -4～ 2Pa 之間。

（5）保持機械送、回風總量 不變，將壓力波動較強區(qū)域的送風風速增加50% ，可有效降低出入口滲透風量。3個出入口總滲透風量從 24164m³ 下降至 19659m³ ，約減小了 19% 。

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