閆春利 雷 波

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行車對(duì)數(shù)和位置對(duì)活塞風(fēng)井通風(fēng)特性的影響

閆春利 雷 波

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

采用數(shù)值模擬的方法對(duì)設(shè)雙活塞風(fēng)井的屏蔽門(mén)地鐵系統(tǒng)的風(fēng)井通風(fēng)特性進(jìn)行了研究，以活塞風(fēng)井的風(fēng)量和通風(fēng)效率作為活塞風(fēng)井通風(fēng)特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要分析了行車對(duì)數(shù)和風(fēng)井與車站的距離對(duì)于活塞風(fēng)井通風(fēng)特性的影響，研究結(jié)果對(duì)于地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考意義。

屏蔽門(mén)系統(tǒng)；雙活塞風(fēng)井；通風(fēng)效率

0 引言

合理的地鐵環(huán)控系統(tǒng)能夠有效控制地鐵系統(tǒng)內(nèi)熱濕環(huán)境。利用列車運(yùn)行形成的活塞效應(yīng)設(shè)置的活塞通風(fēng)系統(tǒng)是隧道正常工況下在溫度滿足要求時(shí)的主要通風(fēng)形式?；钊L(fēng)量的大小直接影響著隧道內(nèi)余熱消除及污染物排出，因此研究活塞風(fēng)井的通風(fēng)性能非常重要。

王麗慧[1,2]研究了設(shè)雙活塞風(fēng)井的地鐵系統(tǒng)的風(fēng)井通風(fēng)特性，得到活塞風(fēng)井風(fēng)速與車速呈線性正比例關(guān)系，進(jìn)站風(fēng)井的最大風(fēng)速大于出站風(fēng)井的風(fēng)速，且活塞風(fēng)井橫截面積對(duì)區(qū)間和車站各單元速度場(chǎng)和風(fēng)量的影響明顯。吳妍[3]研究了地鐵設(shè)單活塞風(fēng)井和雙活塞風(fēng)井時(shí)風(fēng)井的通風(fēng)效率，得出雙風(fēng)井工況時(shí)有效排氣量和有效吸氣量遠(yuǎn)高于單風(fēng)井工況；單風(fēng)井工況時(shí)，出站端設(shè)風(fēng)井時(shí)通風(fēng)效果稍優(yōu)于進(jìn)站端設(shè)風(fēng)井，雙風(fēng)井工況時(shí)，出站端風(fēng)井通風(fēng)性能大大提高，而進(jìn)站端風(fēng)井通風(fēng)性能顯著降低。華正博[4]研究了只在出站端設(shè)置活塞風(fēng)井時(shí)，區(qū)間隧道長(zhǎng)度、活塞風(fēng)井橫截面積和長(zhǎng)度、活塞風(fēng)井?dāng)?shù)量和位置對(duì)隧道換氣量的影響。Chi Ji Lin[5]針對(duì)冬季開(kāi)式運(yùn)行、夏季閉式運(yùn)行的設(shè)雙活塞風(fēng)井的地鐵系統(tǒng)，研究了活塞風(fēng)井氣流參數(shù)和換氣效率，指出活塞風(fēng)井通風(fēng)量隨著風(fēng)井截面積的增大而增大，但是通風(fēng)量增長(zhǎng)率低于截面積的增長(zhǎng)率。Huang Yuandong[6]建立了一個(gè)長(zhǎng)39m，設(shè)三個(gè)風(fēng)井的隧道模型，分析了列車運(yùn)行時(shí)風(fēng)井附近壓力、氣流特征以及列車運(yùn)行狀態(tài)對(duì)風(fēng)井通風(fēng)效率的影響。Kim JY和Kim KY[7]通過(guò)數(shù)值模擬分析了只在進(jìn)站端設(shè)置活塞風(fēng)井時(shí)風(fēng)井位置對(duì)通風(fēng)效率的影響。

在對(duì)活塞風(fēng)井通風(fēng)特性的研究中，主要研究各參數(shù)對(duì)單活塞風(fēng)井通風(fēng)特性的影響，對(duì)于雙活塞風(fēng)井的通風(fēng)特性的研究較少。本文將對(duì)采用雙活塞風(fēng)井的屏蔽門(mén)地鐵系統(tǒng)活塞風(fēng)井的通風(fēng)特性進(jìn)行研究，研究改變行車對(duì)數(shù)和風(fēng)井位置對(duì)活塞風(fēng)井通風(fēng)特性的影響。

1 活塞風(fēng)井通風(fēng)效率

列車周期性運(yùn)行使活塞風(fēng)井的進(jìn)風(fēng)過(guò)程和排風(fēng)過(guò)程交替進(jìn)行。由于活塞風(fēng)井有一定的長(zhǎng)度，進(jìn)風(fēng)空氣和排風(fēng)空氣首先要通過(guò)活塞風(fēng)井才能進(jìn)入隧道或者排出室外。當(dāng)活塞風(fēng)井進(jìn)風(fēng)時(shí)，上一排風(fēng)過(guò)程中的空氣還未排出活塞風(fēng)井就被進(jìn)風(fēng)空氣擠壓又經(jīng)活塞風(fēng)井返回隧道；同樣的，活塞風(fēng)井排風(fēng)時(shí)，上一進(jìn)風(fēng)過(guò)程空氣在活塞風(fēng)井中未進(jìn)入隧道就又被排風(fēng)空氣擠壓返回室外。由于活塞風(fēng)井通風(fēng)的目的是要將室外新鮮空氣引入隧道和將隧道內(nèi)溫度較高的污染空氣排出室外，因此在討論活塞風(fēng)井通風(fēng)特性時(shí)應(yīng)該考慮進(jìn)風(fēng)階段和排風(fēng)階段開(kāi)始時(shí)活塞風(fēng)井內(nèi)留存的空氣。

一個(gè)周期內(nèi)，每個(gè)排風(fēng)過(guò)程中隧道向外排出的總排風(fēng)量為Q，這部分空氣真正排出室外的部分為有效排風(fēng)量Q；每個(gè)進(jìn)風(fēng)過(guò)程中室外空氣進(jìn)入地鐵系統(tǒng)的總進(jìn)風(fēng)量為Q，真正進(jìn)入隧道的部分為有效進(jìn)風(fēng)量Q，則有：

式中，L為活塞風(fēng)井的長(zhǎng)度；為活塞風(fēng)井的面積。

定義一個(gè)周期內(nèi)所有排風(fēng)過(guò)程中的總有效排風(fēng)量與總排風(fēng)量的比值為排風(fēng)效率η，所有進(jìn)風(fēng)過(guò)程中的總有效進(jìn)風(fēng)量與總進(jìn)風(fēng)量的比值為進(jìn)風(fēng)效率η。

式中，為1個(gè)周期內(nèi)排風(fēng)過(guò)程或進(jìn)風(fēng)過(guò)程的個(gè)數(shù)，≥1。

2 計(jì)算模型和參數(shù)

本文以成都某地鐵為基礎(chǔ)，利用SES建立典型地鐵模型。設(shè)一條6個(gè)車站的地鐵線，全長(zhǎng)7260m，車站為島式車站、屏蔽門(mén)系統(tǒng)，軌行區(qū)長(zhǎng)度118m，列車長(zhǎng)度117m，軌行區(qū)隧道截面積為19m2，區(qū)間隧道截面積為25.1m2。設(shè)置軌排系統(tǒng)，軌排風(fēng)機(jī)風(fēng)量為50m3/s。車站兩端設(shè)活塞風(fēng)井，由于每個(gè)車站兩側(cè)活塞風(fēng)井的通風(fēng)特性及變化趨勢(shì)一致，取中間車站（第四個(gè)車站）兩側(cè)風(fēng)井作為研究對(duì)象?；钊L(fēng)井橫截面積為20m2，長(zhǎng)度為39m。模擬夏季工況，外界干球計(jì)算溫度取隧道通風(fēng)夏季室外計(jì)算溫度25.6℃。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

本文以活塞風(fēng)井風(fēng)量和通風(fēng)效率作為活塞風(fēng)井通風(fēng)特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，討論行車對(duì)數(shù)和活塞風(fēng)井與車站距離對(duì)活塞風(fēng)井通風(fēng)特性的影響規(guī)律。

3.1 行車對(duì)數(shù)的影響

地鐵列車運(yùn)行的時(shí)間間隔隨地鐵系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)短分為初期、近期、遠(yuǎn)期工況，行車對(duì)數(shù)不同，一天內(nèi)高峰時(shí)間和非高峰時(shí)間的發(fā)車間隔也不相同，本文取行車對(duì)數(shù)為15對(duì)/h，18對(duì)/h，24對(duì)/h，30對(duì)/h進(jìn)行模擬。

（1）進(jìn)站風(fēng)井

圖1為行車對(duì)數(shù)不同時(shí)的進(jìn)站風(fēng)井風(fēng)速，從中可以看出，當(dāng)行車對(duì)數(shù)增加時(shí)，進(jìn)站風(fēng)井第一個(gè)排風(fēng)過(guò)程的風(fēng)速先增大后減小，行車對(duì)數(shù)為18對(duì)/h時(shí)，風(fēng)速最高，當(dāng)行車對(duì)數(shù)為30對(duì)/h時(shí)，第一個(gè)排風(fēng)過(guò)程的風(fēng)速接近于0；第一個(gè)進(jìn)風(fēng)過(guò)程的風(fēng)速和持續(xù)時(shí)間隨行車對(duì)數(shù)增加變化不大；第二個(gè)排風(fēng)過(guò)程的速度隨行車對(duì)數(shù)的增加先增加后減少，行車對(duì)數(shù)為24對(duì)/h時(shí)，排風(fēng)風(fēng)速最高；第二個(gè)進(jìn)風(fēng)過(guò)程風(fēng)井風(fēng)速隨行車對(duì)數(shù)的增加而增大，但是進(jìn)風(fēng)時(shí)間縮小。

圖1 行車對(duì)數(shù)不同時(shí)進(jìn)站風(fēng)井的風(fēng)速

圖2給出了進(jìn)站風(fēng)井總風(fēng)量和有效風(fēng)量隨行車對(duì)數(shù)增加的變化情況，從中可以看出：隨著行車對(duì)數(shù)的增加，進(jìn)站風(fēng)井的總進(jìn)風(fēng)量和有效進(jìn)風(fēng)量不斷減少，總排風(fēng)量和有效排風(fēng)量先增加后減小，從圖1可以看出，行車對(duì)數(shù)從15對(duì)/h增加至18對(duì)/h時(shí)，風(fēng)井的第一個(gè)排風(fēng)過(guò)程的風(fēng)速增大，因此總排風(fēng)量和有效排風(fēng)量增加；當(dāng)行車對(duì)數(shù)在18對(duì)/h，24對(duì)/h和30對(duì)/h變化時(shí)，排風(fēng)速度和排風(fēng)時(shí)間不斷減少，因此總排風(fēng)量和有效排風(fēng)量不斷減少。

圖2 行車對(duì)數(shù)不同時(shí)進(jìn)站風(fēng)井的風(fēng)量

表1為行車對(duì)數(shù)不同時(shí)進(jìn)站風(fēng)井的通風(fēng)效率，從中可以看出，隨著行車對(duì)數(shù)的增加，進(jìn)站風(fēng)井的進(jìn)風(fēng)效率不斷減少，排風(fēng)效率先增加后減少，行車對(duì)數(shù)為18對(duì)/h時(shí)排風(fēng)效率最高。

表1 行車對(duì)數(shù)不同時(shí)進(jìn)站風(fēng)井的通風(fēng)效率

（2）出站風(fēng)井

圖3為行車對(duì)數(shù)不同時(shí)出站風(fēng)井的風(fēng)速，從中可以看出，行車對(duì)數(shù)為15對(duì)/h、18對(duì)/h和24對(duì)/h時(shí)，出站風(fēng)井一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)排風(fēng)過(guò)程，每個(gè)排風(fēng)過(guò)程的排風(fēng)速度和排風(fēng)時(shí)長(zhǎng)隨行車對(duì)數(shù)的增加減小，當(dāng)列車對(duì)數(shù)為30對(duì)/h的時(shí)候，出站風(fēng)井一個(gè)周期中只有一個(gè)排風(fēng)過(guò)程。行車對(duì)數(shù)為15對(duì)/h、18對(duì)/h和24對(duì)/h時(shí)，出站風(fēng)井一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)進(jìn)風(fēng)過(guò)程，第一個(gè)進(jìn)風(fēng)過(guò)程的進(jìn)風(fēng)速度和進(jìn)風(fēng)時(shí)長(zhǎng)在18對(duì)/h時(shí)最大，第二個(gè)進(jìn)風(fēng)過(guò)程的進(jìn)風(fēng)速度在24對(duì)/h時(shí)最大，進(jìn)風(fēng)時(shí)長(zhǎng)不斷減?。恍熊噷?duì)數(shù)為30對(duì)/h時(shí)，出站風(fēng)井只有一個(gè)進(jìn)風(fēng)過(guò)程。

圖3 行車對(duì)數(shù)不同時(shí)出站風(fēng)井的風(fēng)速

圖4是行車對(duì)數(shù)不同時(shí)出站風(fēng)井總風(fēng)量和有效風(fēng)量的變化情況，從中可以看出，隨著行車對(duì)數(shù)的增加，出站風(fēng)井的總進(jìn)風(fēng)量出現(xiàn)起伏，無(wú)明顯變化規(guī)律，有效進(jìn)風(fēng)量先減小后增加，行車對(duì)數(shù)為24對(duì)/h時(shí)有效進(jìn)風(fēng)量最低，為87745m3/h，行車對(duì)數(shù)為30時(shí)有效進(jìn)風(fēng)量最高為132270m3/h，有效進(jìn)風(fēng)量在行車對(duì)數(shù)為30對(duì)/h最高的原因是出站風(fēng)井只有一個(gè)進(jìn)風(fēng)過(guò)程，進(jìn)風(fēng)時(shí)間增加，室外空氣更多進(jìn)入隧道；隨著行車對(duì)數(shù)的增加，出站風(fēng)井的總排風(fēng)量先增加后減少，有效排風(fēng)量為0。

圖4 行車對(duì)數(shù)不同時(shí)出站風(fēng)井的風(fēng)量

表2是行車對(duì)數(shù)不同時(shí)出站風(fēng)井的通風(fēng)效率，從中可以看出，行車對(duì)數(shù)從15對(duì)/h增加至24對(duì)/h時(shí)，進(jìn)風(fēng)效率減小，當(dāng)行車對(duì)數(shù)從24對(duì)/h增加至30對(duì)/h時(shí)，進(jìn)風(fēng)效率增加；出站風(fēng)井的排風(fēng)效率始終為0。

表2 行車對(duì)數(shù)不同時(shí)出站風(fēng)井的通風(fēng)效率

行車對(duì)數(shù)相同時(shí)，進(jìn)站風(fēng)井的有效進(jìn)風(fēng)量低于出站風(fēng)井的有效進(jìn)風(fēng)量；進(jìn)站風(fēng)井有效排風(fēng)量高于出站風(fēng)井有效排風(fēng)量。

3.2 風(fēng)井位置的影響

以軌行區(qū)兩端為基準(zhǔn)，記列車運(yùn)行的方向前端的車站端為出站點(diǎn)，后端的車站端為進(jìn)站點(diǎn)。研究改變進(jìn)站風(fēng)井與進(jìn)站點(diǎn)距離和出站風(fēng)井與出站點(diǎn)的距離對(duì)活塞風(fēng)井通風(fēng)效率和有效風(fēng)量的變化情況，行車對(duì)數(shù)取15對(duì)/h。

（1）進(jìn)站風(fēng)井

圖5為進(jìn)站風(fēng)井與進(jìn)站點(diǎn)距離不斷增加時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)站風(fēng)井內(nèi)的風(fēng)速變化情況，從中可以看出進(jìn)站風(fēng)井與進(jìn)站點(diǎn)的距離從20m增加到140m過(guò)程中，進(jìn)站風(fēng)井的第一個(gè)進(jìn)風(fēng)過(guò)程的進(jìn)風(fēng)速度和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)隨距離增加而增加；第一個(gè)排風(fēng)過(guò)程的排風(fēng)速度和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)隨距離的增加而減小；第二個(gè)進(jìn)風(fēng)過(guò)程初期進(jìn)風(fēng)速度隨距離的增加而減小，當(dāng)進(jìn)風(fēng)過(guò)程持續(xù)一段時(shí)間后，速度變化曲線趨近一致；第二個(gè)排風(fēng)速度的風(fēng)速隨距離的增加而增加。

圖5 位置不同時(shí)進(jìn)站風(fēng)井的風(fēng)速

圖6是進(jìn)站風(fēng)井與進(jìn)站點(diǎn)距離增大時(shí)，進(jìn)站風(fēng)井總風(fēng)量和有效風(fēng)量的變化情況，從中可以看出隨著進(jìn)站風(fēng)井遠(yuǎn)離車站，總進(jìn)風(fēng)量逐漸增加，有效進(jìn)風(fēng)量逐漸減小，總排風(fēng)量和有效排風(fēng)量逐漸增加，在風(fēng)井位置從20m～140m的變化范圍內(nèi)，有效進(jìn)風(fēng)量減小了4966m3/h，有效排風(fēng)量增加了6485m3/h。

圖6 進(jìn)站風(fēng)井位置不同時(shí)進(jìn)站風(fēng)井的風(fēng)量

表3為進(jìn)站風(fēng)井與進(jìn)站點(diǎn)距離增加時(shí)，進(jìn)站風(fēng)井通風(fēng)效率的變化情況，從中可以看出，隨著進(jìn)站風(fēng)井遠(yuǎn)離車站，進(jìn)站風(fēng)井的進(jìn)風(fēng)效率逐漸減小，排風(fēng)效率逐漸增大，這主要是由于活塞風(fēng)壓隨列車速度的增加而增加。隨著進(jìn)站風(fēng)井遠(yuǎn)離車站，活塞風(fēng)井所在處列車速度越來(lái)越大，活塞風(fēng)壓越來(lái)越大，使得排風(fēng)效率逐漸增強(qiáng)，相應(yīng)的進(jìn)風(fēng)效率就逐漸減小。

表3 進(jìn)站風(fēng)井位置不同時(shí)進(jìn)站風(fēng)井的通風(fēng)效率

（2）出站風(fēng)井

圖7為出站風(fēng)井與出站點(diǎn)距離不斷增加時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)出站風(fēng)井的風(fēng)速變化情況，從中可以看出，出站風(fēng)井第一個(gè)排風(fēng)過(guò)程的速度隨距離的增加而減小，排風(fēng)速度最高點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間變晚；第一個(gè)進(jìn)風(fēng)過(guò)程的速度隨距離的增加而增加；第二個(gè)排風(fēng)過(guò)程的風(fēng)速隨距離的增加先增加后減?。坏诙€(gè)進(jìn)風(fēng)過(guò)程的進(jìn)風(fēng)速度在進(jìn)風(fēng)開(kāi)始初期速度相差不大，持續(xù)一段時(shí)間后進(jìn)風(fēng)風(fēng)速隨距離的增加而減小。

圖7 位置不同時(shí)出站風(fēng)井的風(fēng)速

圖8是出站風(fēng)井與出站點(diǎn)距離增大時(shí)，出站風(fēng)井總風(fēng)量和有效風(fēng)量的變化，從中可以看出，隨著出站風(fēng)井遠(yuǎn)離車站，出站風(fēng)井的總進(jìn)風(fēng)量和有效進(jìn)風(fēng)量逐漸減少，有效進(jìn)風(fēng)量減小了10250m3/h，減少率為8.7%；總排風(fēng)量逐漸增加，有效排風(fēng)量始終為0。

圖8 出站風(fēng)井位置不同時(shí)出站風(fēng)井的風(fēng)量

表4為出站風(fēng)井與出站點(diǎn)距離增加時(shí)進(jìn)站風(fēng)井通風(fēng)效率的變化情況，從中可以看出，隨著出站風(fēng)井遠(yuǎn)離車站，出站風(fēng)井的進(jìn)風(fēng)效率逐漸減小但減小幅度不大，排風(fēng)效率始終為0。

表4 出站風(fēng)井位置不同時(shí)出站風(fēng)井的通風(fēng)效率

風(fēng)井與車站距離相同時(shí)，進(jìn)站風(fēng)井有效進(jìn)風(fēng)量低于出站風(fēng)井有效進(jìn)風(fēng)量，進(jìn)站風(fēng)井排風(fēng)量高于出站風(fēng)井排風(fēng)量。

4 結(jié)論

本文針對(duì)設(shè)雙活塞風(fēng)井的屏蔽門(mén)地鐵系統(tǒng)，分析了車站兩側(cè)活塞風(fēng)井通風(fēng)性能，研究了行車對(duì)數(shù)和風(fēng)井位置對(duì)活塞風(fēng)井風(fēng)量和通風(fēng)效率的影響。

（1）行車對(duì)數(shù)的增加使進(jìn)站風(fēng)井總進(jìn)風(fēng)量、有效進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)效率減小，總排風(fēng)量、有效排風(fēng)量和排風(fēng)效率先增加后減?。ㄐ熊噷?duì)數(shù)為18時(shí)最高，行車對(duì)數(shù)為30時(shí)最低）；出站風(fēng)井總進(jìn)風(fēng)量出現(xiàn)起伏，有效進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)效率先減少后增加，出站風(fēng)井的總排風(fēng)量先增加后減少，有效排風(fēng)量和排風(fēng)效率始終為0。

（2）進(jìn)站風(fēng)井與車站距離的增加使總進(jìn)風(fēng)量增加，有效進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)效率減小，總排風(fēng)量、有效排風(fēng)量和排風(fēng)效率逐漸增大；出站風(fēng)井與車站距離的增加使其總進(jìn)風(fēng)量、有效進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)效率逐漸減小，總排風(fēng)量增加，有效排風(fēng)量和排風(fēng)效率始終為0。

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Effects of Train Pairs and Location on the Ventilation Performance of Vent Shaft

Yan Chunli Lei Bo

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

In this paper, a typical subway model using PSD system with double piston air shaft is established by SES software. Taking the ventilation volume and ventilation efficiency as the evaluation index of the ventilation performance of the piston shaft, the effects of train pairs and the distance between shaft and station on the ventilation performance of the piston shaft is analyzed. The results are of reference significance for the design of subway environment control system.

PSD system; double piston shaft; ventilation efficiency

1671-6612（2018）01-001-06

U453.5

A

閆春利（1992.02-），女，在讀碩士研究生，E-mail：chunliyan2017@163.com

雷 波（1961.05-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：leibo@home.swjtu.edu.cn

2017-06-13