軌道交通環控系統研究方法的分析與探討

關于城市軌道交通環控系統研究方法的分析與探討摘 要： CFD（計算流體動力學）是近年發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行三維模擬、分析和研究。文章對CFD技術在城市軌道交通環控系統中的應用進行了分析和探討。關鍵詞: 城市軌道交通; 環控系統;計算流體動力學 城市軌道交通中的地下車站和區間隧道是一個大型、狹長、與外界聯系面較小的地下空間。密集的乘客、列車和各種機電設備的運行，以及連續的照明都會產生很大的熱量，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生事故、火災時，人員的安全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，必須設置環控通風系統，對車站和區間隧道內的溫度、濕度、氣流速度、噪聲以及事故、火災情況下人員安全疏散措施等進行全面控制。其中，有效、可靠的環控通風系統對保證地鐵乘客的安全、舒適和確保設備運行及壽命是十分必要的。 地鐵系統是一個由車站、隧道、出入口等構成的復雜的三維網絡。地鐵系統的環控模擬，主要是研究地鐵內的不穩定空氣動力學和熱力學方面的問題，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年開發的世界上第一個地鐵環控計算機模擬軟件。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模擬。現在，SES已經從DOS版本升級為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量列車的動力與剎車系統；不同的環境控制系統（包括強制通風、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車間隔的列車的混合編組)；各種穩定與不穩定狀態的熱源；列車停在區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；特別是能夠模擬系統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的模擬過程，它允許對通過任何車站、區間、通風井和風機的空氣速度、溫度、濕度的連續讀值，或在設定的時間獲得空氣參數的最大值、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(Thermodyanmic)，熱壑／環控子程序(Heat Sink and ECS)。列車運行子程序可以計算列車的速度、加速度、位置及系統中所有列車的發熱；空氣動力子程序依靠這些列車參數再加上系統的幾何組成與通風狀況數據，計算所有車站、區間、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與列車運行子程序計算出的列車發熱數據來計算系統中的顯熱與潛熱，從而得到各處位置的溫度和濕度。最后，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據同室外每日與年度氣象條件參數一起，被熱壑／環控子程序用來計算地鐵內空氣與隧道結構、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間溫度達到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控通風系統構成方案及系統運行模式的合理性，以便完成地鐵環控通風系統的設計。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，只能將地鐵系統簡化為一維模型進行處理，只能計算某一點的氣流速度大小，而具體的變化情況諸如方向和具體流動情況則無法反映，所以SES軟件的最終輸出結果是一維的，它只能從數據上計算特定斷面的一些參數。而地鐵系統中的車站及隧道部分顯然是三維模型，因此，如果想了解地鐵車站及隧道中空氣的溫度、速度等具體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。 CFD(Computational FluidDynamics，即計算流體動力學)是現代模擬仿真技術的一種，是近年發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。暖通空調制冷行業是CFD技術應用的重要領域之一，我國暖通空調制冷行業已有不少專家對CFD的應用研究開展了大量的工作，并取得了許多重要成果。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年來已取得許多重要的成就，研究的范圍從以室內空氣分布以及建筑物內煙氣流動規律的模擬為主，逐漸擴展到室外及建筑小區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發展，許多工程領域都有了成功利用它作為模擬評價、優化設計手段的實例。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技術對地鐵區間隧道及車站內各種工況下的空氣流動和分布情況進行模擬研究。對于地鐵環控通風系統設計，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化；對于正在籌建的地鐵系統，其運營后的氣流場與溫度場無法進行現場測試，所以計算機模擬能夠有效而可靠地對未建成的地鐵系統進行預測；對已經建成的地鐵系統，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行現場測試，但可以通過計算機模擬來進行計算分析。同時可以對一些過去沒有經過理論計算的感性認識進行驗證，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行推斷，但是對具體變化情況及具體數據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模式、煙氣流動狀況及此情況下的溫度場和氣流場進行三維可視化仿真模擬。CFD的功能十分強大，它經過一次完整的計算后，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）等隨時間的連續變化值。并且模擬得出的計算數據經處理后的可視化結果是十分直觀形象的，因此，它所模擬出的結果較SES軟件更加直觀，得到的結果也更加具體，能夠為地鐵環控系統設計提供充分的依據。 圖1為CFD模擬的輸出結果，它進行的是三維計算，不但可以得到計算區域內任意時間的任意一點的各個參數值，而且可以處理成圖1所示的結果，從中可以清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何模型的建立、數據化網格的劃分、差分格式的確定以及邊界條件的設置，可以對地下空間的相關環境因素和參數進行模擬計算。總體而言，CFD通常包含如下幾個主要環節：建立數學物理模型，數值算法求解，結果可視化。經過對結果的比較、分析，可以總結歸納出影響地下空間環境控制的各種因素，從而可以有針對性地采取相應的解決措施和辦法，以便對地下空間環境進行有效的控制。它能夠解決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行模擬計算，根據得出的計算數據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境的影響，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安全撤離，同時為消防人員創造撲滅火災的條件。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、區間隧道以及鐵路、公路隧道具有較強的適用性，而CFD則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。 經過多年對地鐵地下空間環境控制問題的研究以及具體工程項目設計的實踐，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境進行研究分析的手段和方法，不僅可以對地鐵環境控制系統運行的實際效果進行預測，同時還可以為建設方提供準確適宜的環境控制設計方案，從而確定適宜的方案措施及系統的運行模式，保證地鐵及相關地下空間的正常運營和事故狀態下的有效應對措施，為地鐵工程的建設運營和相關城市地下空間的開發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 performance evalu-ation of tunnel ventilation safety.Tunnelling and UndergroundSpace Technology，2000，18(4)3Elias R,Raw M J,Bostwick P.Numerical simulation of subwaystation fires and ventilation.American Society of Mechani-cal Engineers, Fluids Engineer-ing Division (Publication)FED. 1996，238 (3)4歐陽沁，江泳，朱穎心，等.關于地鐵隧道區間段阻塞工況臨界通風速度的研究. 地鐵與輕軌，2002 (2)