地铁列车活塞效应对车站排热风量的影响

吴经伟，臧建彬

(同济大学机械与能源工程学院，上海 201804)

0 引言

随着时代的发展，地铁已成为人们出行最重要的交通工具之一。地铁列车在运行过程中，车轮与铁轨的摩擦会产生大量的热，在正常运行阶段，无论是惰性运行、加速运行还是减速运行，车轮与铁轨摩擦生热都是必不可免的，其中以列车减速进站的制动行为的产热量最大。据统计，列车产热的67%都分布在车站隧道。此外，除了车轮与铁轨的摩擦生热外，地铁列车中的空调冷凝器热量通过空调排热风扇直接散发至车外。摩擦热与空调冷凝热直接进入地铁隧道，由于地铁隧道的“自恢复”能力有限，若未对多余的热量进行排除，不仅会导致隧道内的空气温度升高，还会导致隧道内土壤温度升高，当空气温度超过40℃时，空调系统将启动自保护，导致空调系统停止运行。因此，在当今地铁设计中，为排除列车的排热，在列车停靠在车站时的发热部位设置排风系统和活塞风道，通过机械排风和自然排风的方式来保证地铁隧道环境的稳定。列车在隧道内运行时，受隧道壁面的限制，会产生“活塞”效应，活塞效应的出现会对隧道内部的压力场产生重大的影响，尤其是在运行列车附近，表现得尤为明显。隧道内部的压力变化，必然会对车站机械排热系统的排风量自然通风量产生影响，为此，本文针对活塞效应对地铁车站隧道通风换气的影响展开研究。

图1.1 计算模型(上游隧道+站台+下游隧道)示意图

1 研究方法

1.1 数值方法

本模拟计算采用RNG k-ε模型。与标准k-ε模型相比，RNG k-ε模型具有更好的精度，能够充分考虑湍流涡旋，提高旋流求解精度；此外RNG理论为湍流Prandtl数提供了一个解析公式，而标准k-ε模型使用的是用户提供的常数，并且RNG k-ε模型提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式。这些特点使得RNG k-ε模型比标准k-ε模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。此外该模型在工程应用上的准确性已经得到了大量的试验验证，精度可靠，相对于大涡模拟等，计算量要小很多。因此在本例中，湍流模型采用RNG k-ε两方程模型展开计算。

1.2 几何

为消除边界对计算结果的影响，建立计算模型时，将计算域稍加扩大，车站隧道长200m，前后各连接盾构隧道长200m。计算域总长600m。站台、轨顶风道、轨底风道、排热风室及活塞风道的尺寸均来自于某地铁站结构图纸。具体模型见图1.1至图1.3。

2 动态运行分析

计算中将列车运行状况分为三个部分：进站段由18m/s减速至0m/s，耗时15s，减速度为1.19m/s2；而后列车停于站内供人员上下车辆，停站时间为30s；最后列车加速出站，由0m/s加速至18m/s，历时13s，加速度为1.31m/s2。

全过程中上下游风机排风量及上下游活塞风井风量列于图2.1至图2.8中。其中正值风量表示隧道内有流体流入，负值表示该风口压力大于外界大气压情况，并有气体流出计算域，下同。

图1.2 列车停于站内模型示意图

图1.3 站台段模型示意图

图2.1 列车运行时上下游风机风量示意图[1]

图2.2 列车运行时上下活塞风井风量示意图[1]

观察图2.1可以发现，在列车运行全过程内，下游排热风机排风量大于上游风机排风量，且在列车进站过程中，风机排风量先减小，后增大；停在站内时风机风量稍稍增加；出站过程中风机排风量则逐渐减小。

活塞风井排风规律则与排热风机相异，在列车进站过程中，上下游活塞风井均从向外排风变为向内进风，但由于下游活塞风口位置靠后，出现明显延时效应，即为活塞风作用。停站时下游活塞风口一直保持进风状态，而上游活塞风口则向外排风，这是因为停站时车头前依然受到强烈活塞风影响，隧道内风速大，压力低，活塞风口压力大而向内进风，车尾处活塞风效应降低，风速小压力大通过活塞风口向外排风；加速出站时车尾出现负压，上游活塞风口向内进风，而下游活塞风口则由于空气挤压作用向外排风。活塞风井风量变化较大，对隧道内的压力稳定起到重要作用，同时活塞风井排出的空气可以带走部分热量，有利于隧道的降温。

以下将对列车进站——停站——出站三个过程依次展开详细分析。

2.1 进站

图2.3 列车减速进站时上下游风机风量示意图

图2.4 列车减速进站时上下游风井风量示意图

在列车减速进站过程中，上下游风机排风量均呈现减小后保持不变的趋势，从0s到8s，车速从18m/s减到8.4m/s，上下游排热风机排风量受活塞风的减弱而减小，8s到15s时由于列车位置已经在站内靠近停车位置，活塞风对各个风口的影响更小，故上下游排热风机的风量保持恒定而稍有增加。对比上下游风机排风量，下游风机的排风量比上游风机排风量大，主要是上游排风口距离列车较近，风口风速大而静压小，与排热风室的压差小故排风量小，加上随着列车由上游隧道深入车站，大量气体随列车运动被推向下游方向，这不仅增加了下游风机的排风量，也使得下游活塞风井排风量大幅上升。

图2.5 列车停站时上下游风机风量示意图

图2.6 列车停站时上下游活塞风井风量示意图

受列车进站过程活塞效应变化的影响，上游活塞风从开始的排风到进风又变为排风。运动到2s时，上游风井处隧道内风速大而静压小，在外界大气压的作用下风井开始进风，运动到13s时，车速降低，活塞效应减弱，隧道风速和风井风速降低，随后隧道内气压大于外界大气压，该风口又恢复排风状态。下游风井从0～5s是排风状态，5s以后随着列车进站的深入，下游活塞风速增大，隧道内压强减小，风井进风。对比两种排风方式，在列车减速过程中，风井排风量要大于风机排风量，二者共同排出隧道内热量。

2.2 停站

列车停止运行后，隧道内活塞风减小，风口扰动减小，风机排风能力增强，上下游排风机风量逐渐增加。上、下游风机最大排风量分别为9.4m3/s、13.7m3/s，总风量依旧是下游风机大于上游风机。

从图2.6可以看出列车停站时，上游活塞风口一直处于排风状态，而下游活塞风口则处于进风状态，进风量随时间减小。这也可以解释上游排热风机排风量小于下游排热风机排风量，因为上游活塞风口也起到了排风的作用，故上游排热风机排风量会少于下游排热风机风量。

2.3 出站

图2.7 列车出站时上下游风机风量示意图

图2.8 列车出站时上下游活塞风井风量示意图

列车加速出站过程中上下游风机风量均先减小后增加。运动的列车使得隧道内风速增大，静压减小风机排风减小，下游风机风量减小的速率更快，是因为列车加速的比较快的时候车尾正好在下游风口处，车尾负压使得下游风口更难排出空气。

列车出站过程风井风量变化明显，上游风井从排风变为进风，下游风井从进风变为排风进而又进风。在列车行驶过程中，列车尾部产生负压，造成上游风井处内部压力降低，成为进风口；随着车速增大，车头挤压空气，下游风井处排出了被挤压的空气，当车身经过下游风井后，挤压作用减弱，风井外隧道风速变大，静压减小进而变为进风口。

3 结论

(1)当列车进站时隧道内风速波动很大。总体而言，上游风速要比下游风速大，下游风速与上游风速的变化趋势相近，但时间上有一些延迟。

(2)列车加速出站过程中上下游风机风量均先减小后增加，上游活塞风口从排风变为进风，下游活塞风口从进风变为排风进而又进风。

(3)列车停站后，隧道内活塞效应减弱，上下游风机风量均有所增加，上游活塞风口一直处于排风状态，而下游活塞风口则处于进风状态，进风量随时间减小。

(4)在列车运行全过程内，下游排热风机排风量大于上游风机排风量，且在列车进站过程中，风机排风量先减小，在到达某个位置后，又开始增大；停在站内时风机风量稍稍增加；出站过程中风机排风量则逐渐减小。