王方宇 畢海權(quán) 王宏林 曹 松

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地鐵區(qū)間隧道風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取分析研究

王方宇 畢海權(quán) 王宏林 曹 松

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

為了確定地鐵區(qū)間隧道內(nèi)的平均風(fēng)速，合理布置風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)是準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)斷面平均風(fēng)速的關(guān)鍵。針對(duì)圓形地鐵區(qū)間隧道，對(duì)隧道內(nèi)活塞風(fēng)速大小和斷面上風(fēng)速分布進(jìn)行了數(shù)值研究，研究結(jié)果表明區(qū)間隧道內(nèi)的活塞風(fēng)速大小為2m/s～10m/s；通過將監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在平均風(fēng)速點(diǎn)處直接測(cè)得隧道平均風(fēng)速的方法是不可行的，而通過修正監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速得到隧道內(nèi)的平均風(fēng)速的監(jiān)測(cè)方法是可行的，并給出了隧道斷面上不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速與斷面平均風(fēng)速的計(jì)算公式；隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速與隧道平均風(fēng)速呈線性關(guān)系，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)離隧道中心越近，線性關(guān)系的相關(guān)性越高。

地鐵區(qū)間隧道；風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)；平均風(fēng)速；風(fēng)速分布；數(shù)值計(jì)算

0 前言

地鐵隧道內(nèi)的風(fēng)速大小和分布是決定隧道內(nèi)是否擁有一個(gè)良好環(huán)境的重要因素[1]，為保證隧道內(nèi)合理的風(fēng)環(huán)境，有必要對(duì)地鐵隧道內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)。由于隧道環(huán)境十分復(fù)雜，風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的選取是準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)風(fēng)速的關(guān)鍵，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取原則包括兩方面，一是該位置點(diǎn)處的風(fēng)速能夠直接或者間接反應(yīng)出隧道平均風(fēng)速，二是監(jiān)測(cè)處布置的傳感器不能越過車輛限界，避免其對(duì)行車安全造成影響。

現(xiàn)有對(duì)于列車活塞風(fēng)的研究主要集中在活塞風(fēng)特性、活塞風(fēng)的影響因素以及隧道內(nèi)通風(fēng)方案的優(yōu)化[2-6]，對(duì)隧道斷面上風(fēng)速分布規(guī)律的研究很少。國內(nèi)外關(guān)于地鐵隧道風(fēng)速的監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取的研究幾乎空白，僅有對(duì)地鐵活塞風(fēng)測(cè)試的相關(guān)研究。以往研究人員在進(jìn)行地鐵隧道風(fēng)速測(cè)試時(shí)，常用的測(cè)試方法是在隧道兩側(cè)布置若干個(gè)測(cè)點(diǎn)，或采用人工手持測(cè)試的辦法在多個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試。但由于實(shí)際隧道內(nèi)的風(fēng)速并不均勻，上述多點(diǎn)布置的方法不僅會(huì)大大增加監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)成本，而且還會(huì)增加測(cè)試儀器安裝和維護(hù)的難度，因此目前隧道風(fēng)速測(cè)點(diǎn)的選取方法并不合理，不能直接用于風(fēng)速監(jiān)測(cè)。本文采用數(shù)值計(jì)算方法分析了區(qū)間隧道的活塞風(fēng)速大小變化范圍和斷面上風(fēng)速分布特性，并研究了圓形區(qū)間隧道斷面上風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取方法的可行性。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

本文重點(diǎn)研究圓形盾構(gòu)地鐵區(qū)間隧道，計(jì)算模型參照重慶某軌道交通線區(qū)間隧道，并對(duì)隧道內(nèi)部管線等凸起結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡化，如圖1、圖2所示。

圖1 區(qū)間隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 區(qū)間隧道計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算中隧道長度為500m，圓形區(qū)間隧道的斷面直徑分別為5.2m、5.4m、5.6m、5.8m、6.0m。

計(jì)算模型采用多面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，五種尺寸隧道模型的網(wǎng)格單元數(shù)量約為690萬～970萬。

1.2 邊界條件和求解條件

隧道模型包括一個(gè)風(fēng)流入口和一個(gè)風(fēng)流出口，風(fēng)流入口設(shè)置為速度入口，風(fēng)流出口設(shè)置為壓力出口，隧道壁面設(shè)置為固定壁面。隧道壁面的襯砌粗糙高度取0.0089m，軌面的粗糙高度取0.0095m。

計(jì)算中假定隧道壁面與空氣無熱交換，且隧道內(nèi)無質(zhì)量源輸入，隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)視為粘性不可壓縮流動(dòng)。模擬計(jì)算時(shí)采用單精度的分離式求解器，湍流模型選用Realizable湍流模型。

1.3 計(jì)算方法驗(yàn)證

隧道內(nèi)空氣流動(dòng)屬于非圓管的三維不可壓縮湍流流動(dòng)，其流動(dòng)物理特性與標(biāo)準(zhǔn)圓管內(nèi)的湍流流動(dòng)相似，因此本文研究了入口風(fēng)速6m/s，內(nèi)徑分別為5.2m、5.4m、5.6m、5.8m和6.0m標(biāo)準(zhǔn)圓管內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)研究，將得到的充分發(fā)展段斷面上的平均風(fēng)速點(diǎn)到壁面距離值和最大速度值與湍流充分發(fā)展段速度分布半經(jīng)驗(yàn)公式[14-16]的計(jì)算值相比較，公式如下：

其中，為圓管內(nèi)某點(diǎn)的速度，為該點(diǎn)到管壁的距離，壁面的粗糙高度是Δ，*為摩擦速度。

驗(yàn)證計(jì)算模型和計(jì)算方法的可靠性，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。由圖可見兩種計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)一致，且誤差在5%以內(nèi)。因此本文針對(duì)隧道內(nèi)的速度分布采用的數(shù)值計(jì)算方法是準(zhǔn)確的。

圖3 數(shù)值計(jì)算與公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2 區(qū)間隧道內(nèi)活塞風(fēng)速范圍的確定

以重慶某軌道交通線為研究基礎(chǔ)，選取其中一個(gè)典型的地下車站及與其相連的區(qū)間隧道，根據(jù)該軌道交通線路的設(shè)計(jì)參數(shù)確定了8個(gè)車站相連的單線隧道一維計(jì)算模型，如圖4所示。模型線路全長為10.6km，車站隧道的長度為140m，斷面積為20.545m2；車站站臺(tái)端至區(qū)間隧道之間的過渡段隧道長30m，斷面積為29m2；兩站之間的區(qū)間隧道長取1km，斷面積為23.32m2；活塞風(fēng)井高度為20m，格柵自由面積為16m2；隧道考慮為直線，坡度考慮為0。

圖4 隧道一維計(jì)算模型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖

地鐵列車選用A型車，車體正面投影面積為11.45m2，長度為122m，最高運(yùn)行速度為80km/h。列車平均加速度及列車平均減速度均為0.62m/s2。行車對(duì)數(shù)為30對(duì)/h。

利用SES軟件對(duì)多列地鐵列車在整條線路上的運(yùn)行進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬一段時(shí)間后，截取D站?？康牧熊嚰磳l(fā)車的時(shí)刻，從該時(shí)刻開始，逐秒計(jì)算該列車從D站開始起步直至抵達(dá)前方車站E的過程中區(qū)間隧道內(nèi)的風(fēng)速大小變化。同時(shí)建立與D站、E站以及兩站間區(qū)間隧道相對(duì)應(yīng)的三維計(jì)算模型，計(jì)算與一維數(shù)值計(jì)算相同過程中活塞風(fēng)的變化。

圖5 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖5為一維和三維計(jì)算模型得到的區(qū)間隧道活塞風(fēng)速，由圖可見兩種計(jì)算得到的活塞風(fēng)速曲線吻合良好。此外計(jì)算結(jié)果還表明區(qū)間隧道內(nèi)活塞風(fēng)速與列車速度的變化規(guī)律基本一致，且區(qū)間隧道內(nèi)活塞風(fēng)速大小變化范圍大致為1.74m/s～9.84m/s。

通過以上計(jì)算結(jié)果，針對(duì)區(qū)間隧道內(nèi)的測(cè)點(diǎn)選取進(jìn)行研究時(shí)，考慮的隧道內(nèi)平均風(fēng)速范圍為2m/s～10m/s。

3 風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置選取的研究分析

根據(jù)第2節(jié)確定的區(qū)間隧道風(fēng)速范圍，分別研究風(fēng)速入口平均風(fēng)速分別為2m/s、4m/s、6m/s、8m/s及10m/s工況下，湍流充分發(fā)展段內(nèi)距風(fēng)速入口400m的隧道斷面上的風(fēng)速分布。本文擬通過兩種思路來對(duì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置選取進(jìn)行分析研究，第一種基于布置一個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)，使該點(diǎn)所測(cè)得的風(fēng)速值能直接反映出隧道內(nèi)的平均風(fēng)速，第二種給定一個(gè)函數(shù)關(guān)系，通過修正監(jiān)測(cè)結(jié)果從而得到隧道平均風(fēng)速。

風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置選取的首要原則是不影響列車行車安全性，其次應(yīng)該避開斷面上線等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的渦流區(qū)的影響，另外還需兼顧安裝維護(hù)方便，以保證能夠長期獲得出準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。通過以上分析可知，相對(duì)比較合適布置風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置區(qū)域只有圖6中的區(qū)域1和區(qū)域2。為了便于分析對(duì)比，對(duì)區(qū)域1與隧道斷面圓心平齊的高度直線和區(qū)域2過隧道斷面圓心與水平線成45度夾角的直線上的點(diǎn)進(jìn)行研究，測(cè)點(diǎn)具體位置如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置選取示意

3.1 基于平均風(fēng)速點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法的研究

由表1和表2中計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)隧道內(nèi)平均風(fēng)速相同時(shí)，平均風(fēng)速點(diǎn)到隧道壁面的距離隨著隧道直徑增大而增大；對(duì)于同一直徑尺寸的隧道，當(dāng)隧道內(nèi)的風(fēng)速增大時(shí)，由于隧道本身圓缺形狀和安全通道，管線等凸起結(jié)構(gòu)造成隧道斷面上的各向非同性，從而導(dǎo)致平均風(fēng)速點(diǎn)與隧道壁面的距離隨著平均風(fēng)速的增大而減小，這與相應(yīng)圓管規(guī)律不一致。

由上可見對(duì)于同一區(qū)間隧道，平均風(fēng)速點(diǎn)的位置會(huì)隨平均風(fēng)速的改變而改變，且平均風(fēng)速點(diǎn)離壁面的距離基本上都大于0.5m，在該位置布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)會(huì)影響安全通道上人員通行和列車的行車安全，因此將監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在隧道斷面上平均風(fēng)速點(diǎn)的位置來監(jiān)測(cè)隧道平均風(fēng)速的方法是不可行的。

3.2 基于修正風(fēng)速監(jiān)測(cè)值監(jiān)測(cè)方法的研究

在圖6中區(qū)域1和區(qū)域2的直線上，離壁面垂直距離為200mm和300mm的地方，分別選定風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1、A2、B1和B2。表3顯示了各工況下四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速值。對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速隨平均風(fēng)速的變化大致呈線性。由于受篇幅限制，本文僅給出了5.6m直徑隧道的監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速變化曲線圖，如圖7所示。

表1 平均風(fēng)速點(diǎn)A離隧道壁面垂直距離（單位：m）

表2 平均風(fēng)速點(diǎn)B離隧道壁面垂直距離（單位：m）

表3 風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速值（單位：m/s）

表4 不同直徑隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速擬合方程

續(xù)表4 不同直徑隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速擬合方程

4 結(jié)論

（1）地鐵區(qū)間隧道內(nèi)的活塞風(fēng)速一般在2m/s～10m/s之間。

（2）由于受車輛限界的限制，將地鐵區(qū)間隧道風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在斷面平均風(fēng)速點(diǎn)位置直接測(cè)得隧道平均風(fēng)速的方法是不可行的。

（3）在隧道靠近壁面較空曠且不影響地鐵列車行駛安全的區(qū)域布置風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過修正監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速得到隧道內(nèi)的平均風(fēng)速，從而對(duì)區(qū)間隧道內(nèi)平均風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)方法是可行的。

（4）隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速與隧道平均風(fēng)速呈線性關(guān)系，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)離隧道中心越近，線性關(guān)系的相關(guān)性越高。

[1] 吳喜平.地鐵與熱環(huán)境[J].能源技術(shù),1999,(4):37-39.

[2] Ming-TsunKe, Tsung-CheCheng, Wen-Por Wang. Numerical simulation for optimizing the design of subway environment control system[J]. Building and Environment, 2002,37(8):1139-1152.

[3] 王麗慧.地鐵活塞風(fēng)與地鐵環(huán)控節(jié)能[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.

[4] 豆鵬亮.地鐵活塞風(fēng)與新型屏蔽門環(huán)控系統(tǒng)的數(shù)值研究[D].上海:東華大學(xué),2013.

[5] 趙蕾,王君,胡浩明,等.基于實(shí)測(cè)的西安地鐵二號(hào)線活塞風(fēng)特性分析[C].2014年鐵路暖通年會(huì),2014.

[6] 王樹剛,江億,朱穎心.北京地鐵列車活塞風(fēng)的實(shí)測(cè)與分析[J].暖通空調(diào),1998,(5):47-49.

[7] 郝元偉,陳開巖,蔣中承,等.基于CFD模擬的港道風(fēng)速監(jiān)測(cè)值修正處理[J].煤炭安全,2011,42(2):1-3.

[8] 王翰鋒.基于Fluent巷道斷面平均風(fēng)速點(diǎn)定位監(jiān)測(cè)模擬研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2015,43(8):92-96.

[9] 暨朝頌.管流中湍流速度分布函數(shù)[J].中國礦山工程,2013,42(4:63-67.

[10]魯華偉,畢海權(quán),周陽,等.高緯度寒區(qū)隧道施工熱環(huán)境數(shù)值計(jì)算研究[J].制冷與空調(diào),2016,30(2):2015-207.

Study on the Selection of Air Velocity Monitoring Point for Circular Subway Interval Tunnel

Wang Fangyu Bi Haiquan Wang Honglin Cao Song

( School of mechanical engineering, southwest Jiaotong university, Chengdu, 610031 )

In order to determine the reasonable air velocity monitoring point layout position of average air velocity monitoring in the circular subway interval tunnel, the numerical simulation method is used to analyze the size of velocity and distribution of air velocity in the cross section in the tunnel. The result show piston wind speed in the interval tunnel is 2m/s～10m/s. It is feasible to install the air velocity monitoring point in the area close to the wall and does not affect the safety train, and obtain the average air velocity in the tunnel by modifying the air velocity of the monitoring point. At the same time, the relationshipbetween the air velocity at the monitoring point and the tunnel diameter and the average air velocity is summarized. The air velocity of monitoring point is linearly related to the average air velocity in the tunnel l, and the monitoring point is closer t to the center of the tunnel, the linear correlation is higher.

Subway interval tunnel; air velocity monitoring point; Average air velocity; distribution of air velocity; numerical calcucation

1671-6612（2018）01-071-07

TU834/U231.5

A

王方宇（1990.3-），男，在讀碩士研究生，E-mail：wfangyu123@163.com

畢海權(quán)（1974.12-），男，教授，E-mail：bhquan@163.com

2017-06-01