(山西省建筑設計研究院，山西太原 030001)

0 引言

地鐵列車在區(qū)間隧道中運行時，隧道中的空氣被列車帶動而順著列車前進的方向流動，這一現(xiàn)象稱為列車的活塞作用，所形成的氣流稱為活塞風［1］?；钊L的特性是隧道設計的重要參數(shù)，且地鐵列車在區(qū)間隧道中運行時所產(chǎn)生的活塞效應對隧道和站臺內(nèi)空氣的流動特性和空氣品質(zhì)起著重要影響，列車在地鐵隧道中高速運行時的活塞效應不僅對隧道內(nèi)空氣的流動特性起著重要影響，而且對列車內(nèi)的空氣品質(zhì)及地鐵站臺的通風也會產(chǎn)生比較大的影響，因此對地鐵隧道內(nèi)活塞效應的研究有著十分重要的意義。

1 單線單豎井隧道活塞風速理論計算

列車在區(qū)間隧道內(nèi)運行時，由于隧道壁面的限制，列車對隧道空氣產(chǎn)生推動作用，列車車頭處呈現(xiàn)正壓，車尾部分則為負壓，在這樣的壓差作用下，一部分氣體被推出隧道出口，進入下一車站，一部分則從車頭經(jīng)過列車和隧道間的環(huán)狀空間流到車尾。為方便研究做如下假設:

1)隧道內(nèi)流場為一維恒定流動;

2)只研究整個列車均在隧道內(nèi)，且勻速前進的工況;

3)隧道出入口處風壓均為當?shù)卮髿鈮海春雎运淼莱鋈肟诘膲翰?

4)隧道內(nèi)無坡度變化，無截面積變化，壁面粗糙度不變;

5)隧道內(nèi)初始速度為0。

隧道中部有一豎井，列車在豎井左側隧道中勻速前進(見圖1)，取1斷面和2斷面為距離隧道入口和出口一定距離的斷面，此處的空氣速度為0，相對壓強為0。斷面3和斷面4分別為列車車頭和車尾所在斷面，斷面5為隧道豎井出口處速度為0斷面，斷面6為緊靠豎井前斷面。假設列車長度為L0，前進速度為v0，橫截面積為A0，當量直徑為d0，豎井截面積為Ac，長度為Lc，豎井當量直徑為dc，豎井內(nèi)速度為vc，豎井左右兩側隧道斷面積均為A，長度分別為La和Lb，活塞風速為v，隧道阻塞比為φ，φ=A0/A，隧道內(nèi)空氣密度為ρ，各斷面壓強均為pi(i=1～6)，各斷面速度均為vi(i=1～6)。

隧道與列車間的近似環(huán)狀空間的斷面積為A－A0，當量直徑為d1，環(huán)形空間中氣流相對于隧道壁的速度為vm，氣流相對于火車的速度為u。

在列車運行時，其排開氣體的體積一部分從隧道出口排出，一部分從列車車頭經(jīng)環(huán)狀空間流到列車尾部。對豎井左側隧道內(nèi)流場應用不可壓縮流體的連續(xù)性方程［1］。

整理得:

圖1 單線單豎井隧道示意圖

列車在隧道內(nèi)運行至不同位置時，豎井內(nèi)的氣流方向會不同，當列車經(jīng)過豎井時，豎井內(nèi)氣流會發(fā)生速度從大變小然后又從小變大的轉(zhuǎn)向過程。

以下研究中忽略豎井內(nèi)風量大小的變化過程，分別研究列車只在豎井前和豎井后隧道內(nèi)運行的工況。

對整個隧道列連續(xù)性方程:

對1-4斷面，3-4斷面，3-2斷面和3-5斷面分別應用氣體能量方程［2］。

式中:ξi——隧道入口;

ξo——出口阻力系數(shù);

λ——隧道沿程阻力系數(shù);

λ1——環(huán)狀空間隧道沿程阻力系數(shù);

λc——豎井沿程阻力系數(shù);

ξ3——空氣流入;

ξ4——流出列車和隧道間環(huán)形空間的局部阻力系數(shù);

ξc1——豎井;

ξc2——隧道連接處三通的直流和支流阻力系數(shù)。

整理得:

由式(7)，式(8)可得:

代入式(2)得:

由式(7)，式(9)和式(11)得:

其中，ξz為隧道的總阻力系數(shù):

文獻［1］給出了活塞作用系數(shù)計算方法，見式(14)。但是該式中，0.0086 m是建國初期采用國產(chǎn)的鐵路用蒸汽機車牽引，在橫斷面積A0=12.6 m2條件下，根據(jù)現(xiàn)場試驗結果計算得出的［3］。但是該數(shù)據(jù)是否適用于現(xiàn)有的鐵路隧道、地鐵隧道和列車等都還有待實驗驗證。文獻［4］給出了適用于隧道活塞風的K值的計算方法:

式(12)給出了當列車在豎井左側內(nèi)隧道運行時活塞風速的計算方法，同理可以得到列車在豎井右側隧道內(nèi)運行時活塞風速的計算方法，此處不再贅述。為了驗證該理論公式的正確性，本研究擬采用SES軟件進行模擬計算，并將計算結果與理論計算結果進行比較。

2 算例和數(shù)值模擬分析

2.1 算例

對長度為2000 m的單線單豎井隧道進行計算。隧道的橫截面積為30.5 m2，當量直徑為5.52 m，隧道沿程阻力系數(shù)為0.022，車輛尺寸為120 m×3 m×3.8 m，列車橫截面積為11.4 m2。豎井位于隧道中間，尺寸為50 m ×4.5 m×4.5 m，截面積為20.25 m2。以列車速度為60 km/h為例計算單線有豎井隧道活塞風量及風速的計算方法。此時，列車位于豎井和隧道入口之間。計算得當前活塞風量為145 m3/s，右側隧道和豎井風量分別為78.5 m3/s和 66.4 m3/s。

2.2 數(shù)值模擬

本研究采用地鐵環(huán)控模擬軟件(Subway Environmental Simulation Computer Program，簡稱SES軟件)對上述例子進行模擬計算。SES軟件是國際通用的成熟軟件，被世界各地的地鐵環(huán)境控制領域廣泛加以應用，也被世界各地的環(huán)境控制設計及咨詢行業(yè)所認可，計算結果已經(jīng)成功應用于世界各地的地鐵系統(tǒng)中。SES計算模型是一維計算模型，提供列車在隧道內(nèi)動態(tài)模擬過程。

圖2給出了模擬結果，結果顯示，當列車在左側隧道內(nèi)以60 km/h運行時，活塞風速在75時達到最大，此時，活塞風速為4.8 m/s，右側隧道和豎井內(nèi)風速分別為 2.4 m/s，4.2 m/s。最大速度值和理論計算結果非常接近。從模擬結果可知，當列車速度從0 km/h增加到60 km/h時，活塞風速逐漸增加到最大，然后經(jīng)過豎井浸入右側隧道，則左側隧道內(nèi)風速減小，右側隧道內(nèi)風速增大。

圖3給出了右側隧道和豎井內(nèi)風量比，隨著列車不斷前進，右側隧道和豎井風量比基本為0.75～0.85，也與理論計算結果相吻合。

圖2 活塞風速計算結果

圖3 右側隧道和豎井內(nèi)風量比

3 結語

通過對單線單豎井隧道內(nèi)的空氣動力特性進行一維的理論分析和研究，初步了解了隧道內(nèi)的活塞風的特性及其簡單計算方法，并且通過SES軟件的模擬計算進行驗證。研究表明該方法計算準確，適用于工程中對計算精度要求較低的場合。對單線多豎井的情況，計算與單線單豎井的計算方法相同。

［1］金學易，陳文英.隧道通風與隧道空氣動力學［M］.北京:中國鐵道出版社，1983.

［2］周謨?nèi)?流體力學泵與風機［M］.第3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1994:147-150.

［3］劉伊江.隧道內(nèi)列車活塞風的計算方法［J］.都市快軌交通，2006(5):55-58.

［4］康國青.站臺屏蔽門對車站環(huán)境影響的研究［D］.北京:北京工業(yè)大學，2009:32-33.