關于城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)研究方法的分析與探討

1、關于城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)研究方法的分析與討論摘 要： CFD 計算 流體動力學是近年 開展 較快的一種計算機輔助設計技術，其作用是各種工況下氣流組織的溫度、速度場的模擬仿真。當前，國外已開始將CFD逐漸 應用 到地下空間領域，對地下空間的空氣狀況進展三維模擬、 分析 和 研究 。文章對CFD技術在城市軌道 交通 環(huán)控系統(tǒng)中的應用進展了分析和討論。關鍵詞: 城市軌道交通; 環(huán)控系統(tǒng);計算流體動力學城市軌道交通中的地下車站和區(qū)間隧道是一個大型、狹長、與外界聯(lián)絡面較小的地下空間。密集的乘客、列車和各種機電設備的運行，以及連續(xù)的照明都會產(chǎn)生很大的熱量，不及時排除就會導致地鐵內溫度逐年上升。此外，地鐵內

2、各種設備及列車運行引起的噪聲、有害氣體、列車活塞效應對車站空氣環(huán)境的擾動，以及隧道內因潮濕造成的霉爛氣味等都會使地下環(huán)境不斷惡化。同時，當人流密集、空間狹小、密閉性高的地鐵內發(fā)惹事故、火災時，人員的平安疏散和煙氣的排除也是非常重要的 問題 。鑒于以上各種因素，必須設置環(huán)控通風系統(tǒng)，對車站和區(qū)間隧道內的溫度、濕度、氣流速度、噪聲以及事故、火災情況下人員平安疏散措施等進展全面控制。其中，有效、可靠的環(huán)控通風系統(tǒng)對保證地鐵乘客的平安、舒適和確保設備運行及壽命是非常必要的。地鐵系統(tǒng)是一個由車站、隧道、出入口等構成的復雜的三維 網(wǎng)絡 。地鐵系統(tǒng)的環(huán)控模擬，主要是研究地鐵內的不穩(wěn)定空氣動力學和熱力學方面的

3、問題，即地鐵車站正常工況下的三維溫度場、氣流場分布、污染物濃度分布、平均空氣年齡、人體舒適性的模擬研究以及地鐵車站和隧道事故、火災工況下的三維溫度場、氣流場分布、煙氣流動狀況等的模擬研究。 目前 國際上廣泛認可使用、相對成熟、用于地鐵環(huán)控模擬計算的軟件是Subway EnvironmentSimulation，簡稱SES。該程序是由美國交通部于1975年開發(fā)的世界上第一個地鐵環(huán)控計算機模擬軟件。1976年，SES修改后被應用到公路隧道通風分析中；1985年，又增加了火災的動態(tài)模擬。如今，SES已經(jīng)從DOS版本晉級為WINDOWS版并形成目前的第4版。該軟件作為設計計算工具，可以模擬地鐵內多列列

4、車運行時車站、隧道和通風井的溫度、濕度、風速以及車站的空調負荷。它允許用戶模擬一定數(shù)量列車的動力與剎車系統(tǒng)；不同的環(huán)境控制系統(tǒng)包括強迫通風、車站空調與車軌排風；設定的地下隧道與車站和通道連接所形成的空間內的空氣流動；所希望的列車運行次序(包括由不同運行特性和發(fā)車間隔的列車的混合編組)；各種穩(wěn)定與不穩(wěn)定狀態(tài)的熱源；列車停在區(qū)間的緊急狀況時機械通風與熱浮力共同作用下所形成的空氣運動；特別是可以模擬系統(tǒng)投入運行多年后熱庫對隧道的 影響 。對一個有大量列車運行的地鐵，SES計算機模型提供動態(tài)的模擬過程，它允許對通過任何車站、區(qū)間、通風井和風機的空氣速度、溫度、濕度的連續(xù)讀值，或在設定的時間獲得空氣參數(shù)

5、的最大值、最小值、平均值。SES軟件主要由4個既獨立又互相關聯(lián)的子程序組成：列車運行子程序(Train Operation)，空氣動力子程序(Aerodyanmic)，溫度濕度子程序( The rmodyanmic)，熱壑環(huán)控子程序(Heat Sink and ECS)。列車運行子程序可以計算列車的速度、加速度、位置及系統(tǒng)中所有列車的發(fā)熱；空氣動力子程序依靠這些列車參數(shù)再加上系統(tǒng)的幾何組成與通風狀況數(shù)據(jù)，計算所有車站、區(qū)間、通風井中的空氣流量和氣流速度；溫度濕度子程序利用空氣動力學子程序得出的空氣參數(shù)與列車運行子程序計算出的列車發(fā)熱數(shù)據(jù)來計算系統(tǒng)中的顯熱與潛熱，從而得到各處位置的溫度和濕度。最

6、后，列車運動子程序按氣流速度推算列車附近活塞風作用。這些子程序計算出的地鐵通風與熱負荷數(shù)據(jù)同室外每日與年度氣象條件參數(shù)一起，被熱壑環(huán)控子程序用來計算地鐵內空氣與隧道構造、周圍土壤之間長期的熱傳導作用，同時也可以得到為使某些區(qū)間溫度到達設計條件而所需的冷量。通過SES軟件可以驗證設計者所設定的地鐵環(huán)控通風系統(tǒng)構成方案及系統(tǒng)運行形式的合理性，以便完成地鐵環(huán)控通風系統(tǒng)的設計。需要注意的是該軟件本身也存在著一定的局限性，例如SES的模擬原理是伯努利方程，這就決定了它無法反映車站及隧道內場分布的詳細情況，只能將地鐵系統(tǒng)簡化為一維模型進展處理，只能計算某一點的氣流速度大小，而詳細的變化情況諸如方向和詳細流

7、動情況那么無法反映，所以SES軟件的最終輸出結果是一維的，它只能從數(shù)據(jù)上計算特定斷面的一些參數(shù)。而地鐵系統(tǒng)中的車站及隧道部分顯然是三維模型，因此，假設想理解地鐵車站及隧道中空氣的溫度、速度等詳細詳細的分布情況就必須考慮借助使用其它的研究 方法 和手段來實現(xiàn)。CFD(Computational FluidDynamics，即計算流體動力學)是 現(xiàn)代 模擬仿真技術的一種，是近年開展較快的一種計算機輔助設計技術。其作用是對各種工況下氣流組織的溫度、速度場等的模擬仿真。暖通空調制冷行業(yè)是CFD技術應用的重要領域之一，我國暖通空調制冷行業(yè)已有不少專家對CFD的應用研究開展了大量的工作，并獲得了許多重要成

8、果。自20世紀70年代末80年代初起，即已有一些高校、研究機構開始CFD技術的應用研究，20年來已獲得許多重要的成就，研究的范圍從以室內空氣分布以及建筑物內煙氣流動 規(guī)律 的模擬為主，逐漸擴展到室外及建筑小區(qū)繞流乃至大氣擴散問題。近些年來，隨著CFD計算技術的突飛猛進的開展，許多工程領域都有了成功利用它作為模擬評價、優(yōu)化設計手段的實例。在隧道、地下鐵道的通風工程中，CFD應用也成績斐然。國內部分高等院校也開始利用CFD技術對地鐵區(qū)間隧道及車站內各種工況下的空氣流動和分布情況進展模擬研究。對于地鐵環(huán)控通風系統(tǒng)設計，會有多種可選方案，所以計算機模擬的功能之一就是對多種方案的比選優(yōu)化；對于正在籌建的

9、地鐵系統(tǒng)，其運營后的氣流場與溫度場無法進展現(xiàn)場測試，所以計算機模擬可以有效而可靠地對未建成的地鐵系統(tǒng)進展預測；對已經(jīng)建成的地鐵系統(tǒng)，由于客流量較大，為了保證正常運營，有時在列車附近無法進展現(xiàn)場測試，但可以通過計算機模擬來進展計算分析。同時可以對一些過去沒有經(jīng)過 理論 計算的感性認識進展驗證，例如隧道風的變化情況、排煙量對火災溫度場的影響等，過去只是通過一些想象進展推斷，但是對詳細變化情況及詳細數(shù)據(jù)缺乏理論計算及 科學 論證，利用CFD方法，以上問題均可以得到解決和落實。采用CFD方法可以對地鐵車站及隧道的溫度場、氣流場、污染物的濃度分布及排放、人體舒適性以及火災情況下的通風形式、煙氣流動狀況及

10、此情況下的溫度場和氣流場進展三維可視化仿真模擬。CFD的功能非常強大，它經(jīng)過一次完好的計算后，就可以得到任意一個斷面的任意方向上的溫度、濕度、壓力、平均空氣年齡以及PPD預期不滿意百分率與PMV預期平均評價等隨時間的連續(xù)變化值。并且模擬得出的計算數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的可視化結果是非常直觀形象的，因此，它所模擬出的結果較SES軟件更加直觀，得到的結果也更加詳細，可以為地鐵環(huán)控系統(tǒng)設計提供充分的根據(jù)。圖1為CFD模擬的輸出結果，它進展的是三維計算，不但可以得到計算區(qū)域內任意時間的任意一點的各個參數(shù)值，而且可以處理成圖1所示的結果，從中可以明晰地看到整個斷面的溫度分布情況。利用CFD通過有效空間范圍的三維幾

11、何模型的建立、數(shù)據(jù)化網(wǎng)格的劃分、差分格式確實定以及邊界條件的設置，可以對地下空間的相關環(huán)境因素和參數(shù)進展模擬 計算 ?？傮w而言，CFD通常包含如下幾個主要環(huán)節(jié)：建立數(shù)學物理模型，數(shù)值算法求解，結果可視化。經(jīng)過對結果的比較、 分析 ，可以 總結 歸納出 影響 地下空間環(huán)境控制的各種因素，從而可以有針對性地采取相應的解決措施和方法，以便對地下空間環(huán)境進展有效的控制。它可以解決SES軟件解決不了的一些 問題 。例如，我們利用CFD通過對地鐵車站火災工況進展模擬計算，根據(jù)得出的計算數(shù)據(jù)和直觀形象化的結果圖2、3可以分析出火災強度、火源位置、燃燒時間、煙氣流動、排煙形式及排煙量等對地下車站內部空間環(huán)境的

12、影響，由此可以制定有效的防排煙措施和人員疏散方案，保證火災情況下地鐵車站內的乘客及工作人員的平安撤離，同時為消防人員創(chuàng)造撲滅火災的條件。類似這些直觀形象化結果的比較和分析都是SES軟件 目前 所不能做到的。SES軟件雖然對地鐵的地下車站、區(qū)間隧道以及鐵路、公路隧道具有較強的適用性，而CFD那么可以適用于包括地鐵在內的所有地下空間，具有更廣泛的 應用 范圍和領域。經(jīng)過多年對地鐵地下空間環(huán)境控制問題的 研究 以及詳細工程工程設計的理論，我們認為將SES軟件和CFD技術共同作為對地鐵及相關的地下空間內部環(huán)境進展研究分析的手段和 方法 ，不僅可以對地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)運行的實際效果進展預測，同時還可以為建

13、立方提供準確適宜的環(huán)境控制設計方案，從而確定適宜的方案措施及系統(tǒng)的運行形式，保證地鐵及相關地下空間的正常運營和事故狀態(tài)下的有效應對措施，為地鐵工程的建立運營和相關城市地下空間的開發(fā)與利用提供有力的保障。參考 文獻1Ming-Tsun Ke, Tsung-CheCheng, Wen-Por Wang. Numeri-cal simulation for optimizing thedesign of subway environmentalcontrol system. Building andEnvironment，2002，37(11)2Jojo SML,ChowWK. Numeri-cal studies on perf