列車局部阻力系數(shù)的確定

1、2007年 CDAJChina 中國用戶論文集地鐵區(qū)間隧道事故工況下列車局部阻力系數(shù)的確定Determination of Local Drag Coefficients of subway trains in tunnel accident conditions劉磊 王奕然 祝嵐北京城建設計研究總院有限責任公司LiuLei WangYiran ZhuLanBEIJING URBAN ENGINEERING DESIGN & RESEARCH INSTITUTE CO.,LTD.摘 要: 本文利用商業(yè)計算流體力學軟件STAR-CD，對地鐵區(qū)間隧道的兩種事故工況即阻塞工況和火災工況下的列

2、車周圍的氣流分布進行模擬計算。根據(jù)局部阻力產生的原因和定義，核算出兩種工況下的列車局部阻力系數(shù)。關鍵詞: 局部阻力系數(shù)、阻塞、火災、CFD、STAR-CDAbstract: In this paper, by the commercial CFD software STAR-CD, we simulate the air current distribution around subway trains in the tunnel conditions of jam and fire accidents, and calculate the trains local drag coeffici

3、ents in both conditions according to analysis on the definition of local drag and the reason of its generation.Key words: local drag coefficient , jam, fire, CFD, STAR-CD1 前言隨著城市現(xiàn)代化進程的加速，城市人口密度越來越大，城市公共交通承受的壓力也隨之加大，軌道交通成為了解決大城市公共交通的重要手段。作為重要的地鐵設備系統(tǒng)，通風空調系統(tǒng)除了要滿足地鐵內部正常的溫濕度等舒適性要求外，各種事故工況下的應急通風也是重要的設計內容。

4、地鐵區(qū)間隧道的事故通風工況包括以下兩種：列車阻塞工況和火災運行工況。當列車阻塞在區(qū)間隧道時，需要向阻塞區(qū)間提供一定的通風量，保證列車空調等設備正常工作，維持車2007年 CDAJChina 中國用戶論文集廂內乘客在短時間內能接受的環(huán)境條件；當列車在區(qū)間隧道發(fā)生火災事故且失去動力停在隧道內時，需提供迅速有效的排煙手段，為乘客和消防人員提供足夠的新鮮空氣，并形成一定的迎面風速，引導乘客安全迅速地撤離火災現(xiàn)場。其中阻塞工況指列車因車輛故障或延誤等導致列車阻塞于車站或區(qū)間，此時列車空調冷凝器發(fā)熱量會不斷散發(fā)到隧道中去，由于列車停止運行，隧道內沒有活塞風，從而使列車周圍空氣溫度迅速升高，當列車周圍空氣溫

5、度高于40，列車空調冷凝器將停止工作，導致空調系統(tǒng)自動停機，列車內溫、濕度環(huán)境會使乘客難以忍受。因此在阻塞工況期間，通風的主要目的是通過機械通風，對隧道進行冷卻， 維持列車空調裝置連續(xù)運轉以保證乘客的舒適。目前，對于地鐵區(qū)間隧道通風模式的設計一般采用網絡法與場模擬相結合的手段來輔助。網絡法模擬對各個支路的阻力數(shù)據(jù)很依賴，對于比較特殊的工況下阻力系數(shù)一般都是通過場模擬得到。隨著計算機技術的日益發(fā)展，計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）技術也得到了長足進步，已成為地鐵通風空調設計的重要工具。特別是事故工況下，一般通過實驗比較難測定或者無法開展實驗，這時

6、CFD模擬計算有著非常大的優(yōu)勢，既能花費較少的代價獲得所需數(shù)據(jù)，又能較全面的反應真實情況，發(fā)現(xiàn)問題的本質。在地鐵發(fā)生阻塞時，列車散熱對周圍環(huán)境影響不大，一般不超過5060，而在列車火災時列車散熱高達510MW，故在火災時必須考慮熱浮生力的影響。本文借助計算流體（CFD）商用軟件STAR-CD確定了某一盾構隧道區(qū)間內阻塞和火災時列車的局部阻力系數(shù)。2 計算原理2.1 局部阻力系數(shù)的定義在邊壁沿程急劇變化，流速分布急劇調整的局部區(qū)段上，集中產生的流動阻力稱為局部阻力，隨之產生的壓力損失稱為局部損失，記為Pm。pm=v22 (1)式中為局部阻力系數(shù)（Local Drag Coefficient），v

7、為與對應的斷面平均流速。2.2 CFD技術簡介計算流體力學（Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD）是基于計算機技術的一種數(shù)值計算工具，用于求解流體流動和傳熱問題。1974年丹麥學者PV Nilsen 首次將CFD技術用于計算室內空氣流動，數(shù)值模擬技術開始應用于暖通空調（HVAC）工程領域。相比傳統(tǒng)的模型2007年 CDAJChina 中國用戶論文集實驗和經驗公式預測流體的流動和傳熱而言，CFD技術具有成本低、速度塊、資料完備等優(yōu)點，故逐漸受到人們的青睞，尤其是隨著計算機技術和數(shù)值模擬技術的發(fā)展，CFD已被廣泛用于解決工程中的實際問題。2.3 求解方法由式(1)可

8、知，在指定流速下求解出局阻產生前后區(qū)域中的全壓差，就可以計算出對應流速的局部阻力系數(shù)。根據(jù)局阻產生的原因，應選取局阻部件前后流動平穩(wěn)，沒有漩渦的區(qū)域來計算全壓差。3 計算模型3.1 數(shù)學模型本文采用被廣泛使用的標準k-兩方程湍流模型進行求解。速度-壓力耦合采用SIMPLE算法，STAR-CD軟件自身采用有限體積法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）推導離散方程。在計算火災工況時，計算能量方程，考慮空氣浮升力的影響。描述空氣運動過程的控制方程包括連續(xù)方程、動量方程、能量方程、湍能方程、湍能耗散率方程。上述方程均滿足如下形式的通用方程1：()+txi其中、u=S （i=1,2,3）

9、 （2） ixi和S分別表示通用變量、廣義擴散系數(shù)和廣義源項。所有控制方程的、和S見表1。表1 場模型的控制方程連續(xù)性方程 x方向動量方程1 uSeff eff eff effhp+xxiuieff+gx(ref)xy方向動量方程 vp+yxip+zxiuieff+gy(ref)yuieff+gz(ref)zz方向動量方程 w能量方程 h2007年 CDAJChina 中國用戶論文集湍能方程 k eff keff Gk+Gb 湍能耗散率方程 (Gk+Gb)C1C2keff=l+t t=CDk2/uiujgGk=0.5t Gb=t +xxyij23.2 物理模型平均分布在一節(jié)車廂上。模型如下：圖

10、1 計算模型示意圖模型中的網格采用多面體非結構化網格，列車周圍由于結構變化會產生強烈的漩渦，因此加密附近的網格密度，網格總數(shù)約140萬。網格密度經過無關性檢驗，可以滿足精度要求。隧道里的管線影響，可以在模擬時以提高壁面絕對粗糙度值的方法來處理，而且一般管線穿越區(qū)間隧道，對列車事故工況時的局部阻力影響很小，可以做簡化處理。2007年 CDAJChina 中國用戶論文集其他邊界條件設置如下：(1) 簡化壁面條件為絕熱壁面。阻塞工況時，不計算能量方程；火災工況時，由于火災強度很大，壁面的換熱可以忽略不計。(2) 區(qū)間隧道上游斷面設置為進口型邊界，即給定速度值。速度為2m/s，為阻塞工況與火災工況規(guī)范

11、要求的風速下限臨界值。(3) 區(qū)間隧道下游斷面設置為出口型邊界，即給定壓力值，近似為大氣壓。簡化為理想壁面，按軟件默認值給定。 2。列車外輪廓按照實際情況建模，因此列車表面4 模擬結果模擬結果截圖以火災工況為例，阻塞工況的計算與之類似。車頭處通過列車中心斷面的壓力等高圖（靜壓）如下：圖2 列車車頭縱剖面壓力等高云圖車頭處通過列車中心斷面的速度矢量圖如下：2007年 CDAJChina 中國用戶論文集圖3 列車車頭縱剖面速度矢量圖 車尾處通過列車中心斷面的壓力等高圖（靜壓）如下：圖4 列車車尾縱剖面壓力等高云圖2007年 CDAJChina 中國用戶論文集車尾處通過列車中心斷面的速度矢量圖如下：

12、圖5 列車車尾縱剖面速度矢量圖 列車阻塞橫斷面的壓力等高圖（靜壓）如下：2007年 CDAJChina 中國用戶論文集圖6 列車阻塞橫剖面壓力等高云圖 列車頭部俯視平面的速度矢量圖如下：圖7 列車車頭俯視平面速度矢量圖 列車尾部俯視平面的速度矢量圖如下：圖8 列車車尾俯視平面速度矢量圖2007年 CDAJChina 中國用戶論文集從計算結果可以看出，兩種事故工況下氣流經過列車頭、尾部時產生了明顯漩渦，從而產生局部損失。在火災工況下，車尾著火處由于空氣的浮升力作用，氣流非常紊亂，能量耗散明顯高于阻塞工況。詳見下表：阻塞工況 火災工況注：斷面面積指標準斷面的面積，阻力系數(shù)也與此對應。由于坡度產生了

13、垂直方向的高程差，受熱壓影響，此時沿程阻力損失比正常情況下的沿程阻力損失大，詳見下表：上游區(qū)間 下游區(qū)間沿程阻力損失差數(shù)注：斷面面積指標準斷面的面積，阻力系數(shù)也與此對應?？梢园堰@部分沿程阻力損失差當作正常情況下的局部阻力損失，根據(jù)局部阻力系數(shù)的定義核算出對應的阻力系數(shù)。這樣在網絡法模擬計算時，可以在火災工況時，方便地輸入阻力系數(shù)反映實際情況。應當指出的是，事故工況下列車阻力系數(shù)與區(qū)間隧道面積、列車類型、阻塞比以及列車?？康南鄬ξ恢糜嘘P，不同情況下的差異較大，另外火災工況下的阻力系數(shù)還與火災強度、區(qū)間隧道坡度、著火位置等有關。計算具體工程時應該結合實際情況核算出所需阻力系數(shù)。5 小結利用CFD軟

14、件，可以解決許多與流體有關的問題，并得到非常好的結果。但在工程設計中，問題往往復雜而又重復，完全依靠CFD模擬代價較大。目前大多數(shù)地鐵項目中，都采用網絡法軟件（如SES、STESS等）與CFD軟件（star-CD等）相結合的方法指導設計工作。網絡法計算地鐵事故工況下通風時，經常遇到的難題就是列車局部阻力系數(shù)的確定，取值的結果直接影響區(qū)間通風設計，進而影響土建投資和應急運行策略。本文通過CFD計算，結合某地鐵工程實例，介紹了其邊界條件設置和物理模型簡化的原則，分別得到了阻塞和火災工況下列車周圍的壓力、氣流分布，并給出了特定條件下的阻力系數(shù)值，通過對比火災和正常工況下沿程阻力損失差，又核算出火災帶來的沿程阻力附加值對2007年 CDAJChina 中國用戶論文集應的值。在網絡法計算時，應當注意輸入支路的斷面條件應與CF