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活塞效應(yīng)活塞風(fēng)的形成機(jī)理
當(dāng)?shù)罔F機(jī)車(chē)在隧道中運(yùn)行時(shí)，隧道中的空氣被機(jī)車(chē)帶動(dòng)而順著機(jī)車(chē)前進(jìn)的方向流動(dòng)，這一現(xiàn)象稱為機(jī)車(chē)的活塞作用，由此所形成的氣流稱為活塞氣流。為了保持地鐵隧道內(nèi)的空氣流通，在每個(gè)地鐵車(chē)站的兩端都各有三種類型風(fēng)井與地面連接。地鐵車(chē)站兩端的三個(gè)風(fēng)井中有一個(gè)叫“活塞風(fēng)井”，主要用于釋放機(jī)車(chē)在隧道中做活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)的風(fēng)力；另外兩個(gè)是排風(fēng)井和新風(fēng)井，用于車(chē)站內(nèi)與外界的空氣流通。機(jī)車(chē)在隧道中運(yùn)行時(shí) , 由于隧道壁所構(gòu)成的空間限制 ,機(jī)車(chē)所推擠的空氣不能全部繞流到機(jī)車(chē)后方 , 必然有部分空氣會(huì)被機(jī)車(chē)向前推動(dòng)，通過(guò)排風(fēng)井排出到隧道出口之外，而機(jī)車(chē)尾端后方存在著負(fù)壓區(qū)域，因此也必然會(huì)有空氣通過(guò)進(jìn)風(fēng)井引入到隧道中，由此形成活塞風(fēng)。此種現(xiàn)象也稱為“活塞效應(yīng)”。[1]
活塞效應(yīng)影響因素
受到隧道構(gòu)造的影響，亦可能因波動(dòng)的穿透或反射而改變波動(dòng)。因列車(chē)在隧道內(nèi)行駛而產(chǎn)生各種波動(dòng)在隧道內(nèi)逐漸加速隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)，使隧道內(nèi)的空氣隨著列車(chē)而行進(jìn)，便稱之為隧道內(nèi)之活塞效應(yīng)。
在地下化軌道系統(tǒng)的車(chē)站中，活塞效應(yīng)會(huì)將隧道內(nèi)的空氣帶進(jìn)車(chē)站內(nèi)，造成車(chē)站內(nèi)空氣品質(zhì)惡化。不過(guò)近期的設(shè)計(jì)都會(huì)利用活塞效應(yīng)來(lái)把臟空氣排出通風(fēng)井，并帶入新鮮的空氣。這樣的應(yīng)用也會(huì)用在一些車(chē)行隧道中，如高雄過(guò)港隧道。另外可以在車(chē)站月臺(tái)設(shè)立月臺(tái)門(mén)，將車(chē)站與隧道分成兩個(gè)獨(dú)立的空間，亦可以改善車(chē)站的空氣品質(zhì)。由此可看出活塞效應(yīng)與隧道通風(fēng)息息相關(guān)。[1]
活塞效應(yīng)地鐵站三維模型及 Fluent 模型建立
活塞效應(yīng)模型建立
使用 Fluent 軟件進(jìn)行地鐵隧道內(nèi)活塞風(fēng)動(dòng)網(wǎng)格流動(dòng)模擬，需要經(jīng)歷以下分析過(guò)程。建模—> 網(wǎng)格劃分—> 流動(dòng)方程離散化—> 求解方程—> 結(jié)果分析。
動(dòng)網(wǎng)格模型可以用來(lái)模擬流場(chǎng)形狀由于邊界運(yùn)動(dòng)而隨時(shí)間改變的問(wèn)題。
動(dòng)網(wǎng)格模型的建立：考慮到列車(chē)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的流場(chǎng)形狀隨時(shí)間改變的問(wèn)題，故采用 Fluent 軟件建立動(dòng)網(wǎng)格模型，將隧道內(nèi)流場(chǎng)分為運(yùn)動(dòng)的列車(chē)區(qū)域和不運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)區(qū)域。前者為動(dòng)網(wǎng)格區(qū)，包括列車(chē)運(yùn)動(dòng)所經(jīng)過(guò)部分，后者為靜止網(wǎng)格區(qū)，包括隧道內(nèi)列車(chē)區(qū)域以外的部分，兩者之間采用滑動(dòng)網(wǎng)格交界面進(jìn)行連接。列車(chē)所在位置的四周邊界設(shè)置為 Wall，三維固體邊界，無(wú)滑移邊界條件。列車(chē)區(qū)域?qū)儆趧傮w運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方式用 UDF 進(jìn)行定義。將運(yùn)動(dòng)速度賦給列車(chē)車(chē)頭車(chē)尾兩面，四周固體邊界隨其運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。流場(chǎng)區(qū)域的空氣因列車(chē)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，屬于變形運(yùn)動(dòng)。
本模型對(duì)應(yīng)選取動(dòng)態(tài)分層模式的更新方式，F(xiàn)luent 軟件可根據(jù)每個(gè)迭代步中邊界的變化情況，自動(dòng)完成網(wǎng)格的更新過(guò)程。
初始條件：初始各方向風(fēng)速均為零，忽略了重力對(duì)流場(chǎng)的影響。
邊界條件：地鐵區(qū)間隧道兩端的氣流出口取壓力出口。邊界條件，定義出口相對(duì)于大氣壓力為 0Pa，即沒(méi)有附加的壓力作用。區(qū)間隧道壁面為壁面無(wú)滑移邊界條件；地鐵機(jī)車(chē)為移動(dòng)邊界條件。
據(jù)此計(jì)算條件，我們分別在列車(chē)行進(jìn)方向離站 50 米和 100 米處設(shè)置活塞井并建立計(jì)算模型。經(jīng)過(guò) Fluent 動(dòng)網(wǎng)格模型分析，分別模擬了在列車(chē)離站50 米和 100 米處設(shè)置活塞井工況下，風(fēng)井及隧道內(nèi)速度的矢量表達(dá)。通過(guò)計(jì)算表明：如果在距離列車(chē)行進(jìn)方向，離開(kāi)車(chē)站100m 處設(shè)置活塞風(fēng)井，較在離車(chē)站 50m 處設(shè)置活塞風(fēng)井時(shí)使排入前方車(chē)站的廢熱風(fēng)量減少 1/3。[1]
活塞效應(yīng)活塞效應(yīng)對(duì)地鐵熱環(huán)境流動(dòng)特性的影響
當(dāng)?shù)罔F列車(chē)尚未通過(guò)活塞風(fēng)井之前，列車(chē)車(chē)頭前方隧道內(nèi)為正壓區(qū)，隧道內(nèi)大量的廢熱空氣可通過(guò)前方的活塞風(fēng)井排至地面以上；而當(dāng)?shù)罔F列車(chē)車(chē)頭通過(guò)活塞風(fēng)井后，列車(chē)車(chē)身及車(chē)尾處于負(fù)壓區(qū)，活塞風(fēng)井由向大氣排風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為向地鐵隧道內(nèi)送風(fēng)，引入大量隧道外較低溫度的空氣，抵消了隧道內(nèi)熱負(fù)荷。因此，如果在列車(chē)前進(jìn)方向，距離站臺(tái)一定距離的隧道內(nèi)合理設(shè)置活塞風(fēng)井 , 即可有效利用活塞風(fēng)將一部分地鐵列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的牽引廢熱通過(guò)活塞風(fēng)井排向大氣，并引入一部分冷卻空氣，達(dá)到控制地鐵熱環(huán)境的節(jié)能目的。
利用 Fluent 軟件建立了地鐵活塞效應(yīng)動(dòng)網(wǎng)格模型，從排風(fēng)率和速度矢量?jī)煞矫鎸?duì)地鐵模擬結(jié)果進(jìn)行了比較和分析，結(jié)果顯示：
1）通過(guò)在地鐵區(qū)間隧道內(nèi)靠近地鐵列車(chē)駛出一側(cè)增設(shè)活塞風(fēng)井的方式，可以有效增大活塞風(fēng)井排風(fēng)率，進(jìn)而有效利用與控制活塞風(fēng)對(duì)車(chē)站熱環(huán)境的影響。
2）在距離列車(chē)行進(jìn)方向，離站 100m 處設(shè)置活塞風(fēng)井，較在離站 50m 處設(shè)置活塞風(fēng)井時(shí)使排入前方車(chē)站的廢熱風(fēng)量減少 1/3。由此可見(jiàn)，通過(guò)合理控制活塞風(fēng)井的設(shè)置方式，可實(shí)現(xiàn)有效利用活塞效應(yīng)影響地鐵熱環(huán)境的目的。[1]
參考資料
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