行车对数和位置对活塞风井通风特性的影响

闫春利 雷 波



行车对数和位置对活塞风井通风特性的影响

闫春利 雷 波

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

采用数值模拟的方法对设双活塞风井的屏蔽门地铁系统的风井通风特性进行了研究，以活塞风井的风量和通风效率作为活塞风井通风特性的评价指标，主要分析了行车对数和风井与车站的距离对于活塞风井通风特性的影响，研究结果对于地铁环控系统设计具有参考意义。

屏蔽门系统；双活塞风井；通风效率

0 引言

合理的地铁环控系统能够有效控制地铁系统内热湿环境。利用列车运行形成的活塞效应设置的活塞通风系统是隧道正常工况下在温度满足要求时的主要通风形式。活塞风量的大小直接影响着隧道内余热消除及污染物排出，因此研究活塞风井的通风性能非常重要。

王丽慧[1,2]研究了设双活塞风井的地铁系统的风井通风特性，得到活塞风井风速与车速呈线性正比例关系，进站风井的最大风速大于出站风井的风速，且活塞风井横截面积对区间和车站各单元速度场和风量的影响明显。吴妍[3]研究了地铁设单活塞风井和双活塞风井时风井的通风效率，得出双风井工况时有效排气量和有效吸气量远高于单风井工况；单风井工况时，出站端设风井时通风效果稍优于进站端设风井，双风井工况时，出站端风井通风性能大大提高，而进站端风井通风性能显著降低。华正博[4]研究了只在出站端设置活塞风井时，区间隧道长度、活塞风井横截面积和长度、活塞风井数量和位置对隧道换气量的影响。Chi Ji Lin[5]针对冬季开式运行、夏季闭式运行的设双活塞风井的地铁系统，研究了活塞风井气流参数和换气效率，指出活塞风井通风量随着风井截面积的增大而增大，但是通风量增长率低于截面积的增长率。Huang Yuandong[6]建立了一个长39m，设三个风井的隧道模型，分析了列车运行时风井附近压力、气流特征以及列车运行状态对风井通风效率的影响。Kim JY和Kim KY[7]通过数值模拟分析了只在进站端设置活塞风井时风井位置对通风效率的影响。

在对活塞风井通风特性的研究中，主要研究各参数对单活塞风井通风特性的影响，对于双活塞风井的通风特性的研究较少。本文将对采用双活塞风井的屏蔽门地铁系统活塞风井的通风特性进行研究，研究改变行车对数和风井位置对活塞风井通风特性的影响。

1 活塞风井通风效率

列车周期性运行使活塞风井的进风过程和排风过程交替进行。由于活塞风井有一定的长度，进风空气和排风空气首先要通过活塞风井才能进入隧道或者排出室外。当活塞风井进风时，上一排风过程中的空气还未排出活塞风井就被进风空气挤压又经活塞风井返回隧道；同样的，活塞风井排风时，上一进风过程空气在活塞风井中未进入隧道就又被排风空气挤压返回室外。由于活塞风井通风的目的是要将室外新鲜空气引入隧道和将隧道内温度较高的污染空气排出室外，因此在讨论活塞风井通风特性时应该考虑进风阶段和排风阶段开始时活塞风井内留存的空气。

一个周期内，每个排风过程中隧道向外排出的总排风量为Q，这部分空气真正排出室外的部分为有效排风量Q；每个进风过程中室外空气进入地铁系统的总进风量为Q，真正进入隧道的部分为有效进风量Q，则有：

式中，L为活塞风井的长度；为活塞风井的面积。

定义一个周期内所有排风过程中的总有效排风量与总排风量的比值为排风效率η，所有进风过程中的总有效进风量与总进风量的比值为进风效率η。

式中，为1个周期内排风过程或进风过程的个数，≥1。

2 计算模型和参数

本文以成都某地铁为基础，利用SES建立典型地铁模型。设一条6个车站的地铁线，全长7260m，车站为岛式车站、屏蔽门系统，轨行区长度118m，列车长度117m，轨行区隧道截面积为19m2，区间隧道截面积为25.1m2。设置轨排系统，轨排风机风量为50m3/s。车站两端设活塞风井，由于每个车站两侧活塞风井的通风特性及变化趋势一致，取中间车站（第四个车站）两侧风井作为研究对象。活塞风井横截面积为20m2，长度为39m。模拟夏季工况，外界干球计算温度取隧道通风夏季室外计算温度25.6℃。

3 计算结果及分析

本文以活塞风井风量和通风效率作为活塞风井通风特性的评价指标，讨论行车对数和活塞风井与车站距离对活塞风井通风特性的影响规律。

3.1 行车对数的影响

地铁列车运行的时间间隔随地铁系统运行的时间长短分为初期、近期、远期工况，行车对数不同，一天内高峰时间和非高峰时间的发车间隔也不相同，本文取行车对数为15对/h，18对/h，24对/h，30对/h进行模拟。

（1）进站风井

图1为行车对数不同时的进站风井风速，从中可以看出，当行车对数增加时，进站风井第一个排风过程的风速先增大后减小，行车对数为18对/h时，风速最高，当行车对数为30对/h时，第一个排风过程的风速接近于0；第一个进风过程的风速和持续时间随行车对数增加变化不大；第二个排风过程的速度随行车对数的增加先增加后减少，行车对数为24对/h时，排风风速最高；第二个进风过程风井风速随行车对数的增加而增大，但是进风时间缩小。

图1 行车对数不同时进站风井的风速

图2给出了进站风井总风量和有效风量随行车对数增加的变化情况，从中可以看出：随着行车对数的增加，进站风井的总进风量和有效进风量不断减少，总排风量和有效排风量先增加后减小，从图1可以看出，行车对数从15对/h增加至18对/h时，风井的第一个排风过程的风速增大，因此总排风量和有效排风量增加；当行车对数在18对/h，24对/h和30对/h变化时，排风速度和排风时间不断减少，因此总排风量和有效排风量不断减少。

图2 行车对数不同时进站风井的风量

表1为行车对数不同时进站风井的通风效率，从中可以看出，随着行车对数的增加，进站风井的进风效率不断减少，排风效率先增加后减少，行车对数为18对/h时排风效率最高。

表1 行车对数不同时进站风井的通风效率

（2）出站风井

图3为行车对数不同时出站风井的风速，从中可以看出，行车对数为15对/h、18对/h和24对/h时，出站风井一个周期内有两个排风过程，每个排风过程的排风速度和排风时长随行车对数的增加减小，当列车对数为30对/h的时候，出站风井一个周期中只有一个排风过程。行车对数为15对/h、18对/h和24对/h时，出站风井一个周期内有两个进风过程，第一个进风过程的进风速度和进风时长在18对/h时最大，第二个进风过程的进风速度在24对/h时最大，进风时长不断减小；行车对数为30对/h时，出站风井只有一个进风过程。

图3 行车对数不同时出站风井的风速

图4是行车对数不同时出站风井总风量和有效风量的变化情况，从中可以看出，随着行车对数的增加，出站风井的总进风量出现起伏，无明显变化规律，有效进风量先减小后增加，行车对数为24对/h时有效进风量最低，为87745m3/h，行车对数为30时有效进风量最高为132270m3/h，有效进风量在行车对数为30对/h最高的原因是出站风井只有一个进风过程，进风时间增加，室外空气更多进入隧道；随着行车对数的增加，出站风井的总排风量先增加后减少，有效排风量为0。

图4 行车对数不同时出站风井的风量

表2是行车对数不同时出站风井的通风效率，从中可以看出，行车对数从15对/h增加至24对/h时，进风效率减小，当行车对数从24对/h增加至30对/h时，进风效率增加；出站风井的排风效率始终为0。

表2 行车对数不同时出站风井的通风效率

行车对数相同时，进站风井的有效进风量低于出站风井的有效进风量；进站风井有效排风量高于出站风井有效排风量。

3.2 风井位置的影响

以轨行区两端为基准，记列车运行的方向前端的车站端为出站点，后端的车站端为进站点。研究改变进站风井与进站点距离和出站风井与出站点的距离对活塞风井通风效率和有效风量的变化情况，行车对数取15对/h。

（1）进站风井

图5为进站风井与进站点距离不断增加时，一个周期内进站风井内的风速变化情况，从中可以看出进站风井与进站点的距离从20m增加到140m过程中，进站风井的第一个进风过程的进风速度和持续时长随距离增加而增加；第一个排风过程的排风速度和持续时长随距离的增加而减小；第二个进风过程初期进风速度随距离的增加而减小，当进风过程持续一段时间后，速度变化曲线趋近一致；第二个排风速度的风速随距离的增加而增加。

图5 位置不同时进站风井的风速

图6是进站风井与进站点距离增大时，进站风井总风量和有效风量的变化情况，从中可以看出随着进站风井远离车站，总进风量逐渐增加，有效进风量逐渐减小，总排风量和有效排风量逐渐增加，在风井位置从20m～140m的变化范围内，有效进风量减小了4966m3/h，有效排风量增加了6485m3/h。

图6 进站风井位置不同时进站风井的风量

表3为进站风井与进站点距离增加时，进站风井通风效率的变化情况，从中可以看出，随着进站风井远离车站，进站风井的进风效率逐渐减小，排风效率逐渐增大，这主要是由于活塞风压随列车速度的增加而增加。随着进站风井远离车站，活塞风井所在处列车速度越来越大，活塞风压越来越大，使得排风效率逐渐增强，相应的进风效率就逐渐减小。

表3 进站风井位置不同时进站风井的通风效率

（2）出站风井

图7为出站风井与出站点距离不断增加时，一个周期内出站风井的风速变化情况，从中可以看出，出站风井第一个排风过程的速度随距离的增加而减小，排风速度最高点出现的时间变晚；第一个进风过程的速度随距离的增加而增加；第二个排风过程的风速随距离的增加先增加后减小；第二个进风过程的进风速度在进风开始初期速度相差不大，持续一段时间后进风风速随距离的增加而减小。

图7 位置不同时出站风井的风速

图8是出站风井与出站点距离增大时，出站风井总风量和有效风量的变化，从中可以看出，随着出站风井远离车站，出站风井的总进风量和有效进风量逐渐减少，有效进风量减小了10250m3/h，减少率为8.7%；总排风量逐渐增加，有效排风量始终为0。

图8 出站风井位置不同时出站风井的风量

表4为出站风井与出站点距离增加时进站风井通风效率的变化情况，从中可以看出，随着出站风井远离车站，出站风井的进风效率逐渐减小但减小幅度不大，排风效率始终为0。

表4 出站风井位置不同时出站风井的通风效率

风井与车站距离相同时，进站风井有效进风量低于出站风井有效进风量，进站风井排风量高于出站风井排风量。

4 结论

本文针对设双活塞风井的屏蔽门地铁系统，分析了车站两侧活塞风井通风性能，研究了行车对数和风井位置对活塞风井风量和通风效率的影响。

（1）行车对数的增加使进站风井总进风量、有效进风量和进风效率减小，总排风量、有效排风量和排风效率先增加后减小（行车对数为18时最高，行车对数为30时最低）；出站风井总进风量出现起伏，有效进风量和进风效率先减少后增加，出站风井的总排风量先增加后减少，有效排风量和排风效率始终为0。

（2）进站风井与车站距离的增加使总进风量增加，有效进风量和进风效率减小，总排风量、有效排风量和排风效率逐渐增大；出站风井与车站距离的增加使其总进风量、有效进风量和进风效率逐渐减小，总排风量增加，有效排风量和排风效率始终为0。

[1] 王丽慧,施逵,宋洁,等.地铁活塞风井及迂回风道速度场特性研究[J].流体机械,2010,(3):22-28.

[2] 王丽慧.地铁活塞风与地铁环控节能[D].上海:同济大学,2007.

[3] 吴妍.地铁隧道活塞风井通风性能的数值模拟研究[J].建筑科学,2012,28(8):70-76.

[4] 华正博.屏蔽门制式地铁轨行区通风模式研究[D].成都:西南交通大学,2012.

[5] Chi Ji Lin, Yew Khoy Chua, Chia Wei Liu. A study on underground tunnel ventilation for piston effects influenced by draught relief shaft in subway system[J]. Applied Thermal Engineering, 2008,28:372-379.

[6] HUANG Yuandong. Numerical Study of the Train-Induced Unsteady Airflow in a Subway Tunnel with Natural Ventilation Ducts Using the Dynamic Layering Method[J]. Journal of Hydrodynamics, 2010,22(2):164-172.

[7] Kim JY, Kim KY. Effects of vent shaft location on the ventilation performance in a subway tunnel[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2009,97:174-179.

[8] Ming-Tsun Ke, Tsung-Che Cheng, Wen-Pore Wang. Numerical simulation for optimizing the design of subway environmental control system[J]. Building and Environment, 2009,39:1139-1152.

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

闫春利（1992.02-），女，在读硕士研究生，E-mail：chunliyan2017@163.com

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

2017-06-13