地铁联络线中空气的流动和换热特性分析

杨 准 何 磊 雷 波 邓保顺 郭永桢

地铁联络线中空气的流动和换热特性分析

杨 准1何 磊2雷 波1邓保顺2郭永桢2

（1.西南交通大学机械工程学院 成都 610031；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司 西安 710043）

采用SES软件分析了地铁联络线中空气的流动和换热特性，讨论了联络线长度、断面积以及距车站距离对联络线中空气的流动和换热特性的影响。结果表明：联络线中空气的流向呈周期性正反交替变化，一个周期内两正线通过联络线的空气交换量为196m3；正线流入联络线的热流量也呈周期性正反交替变化，一个周期内两正线通过联络线的热交换量为2579kJ；三种影响因素中联络线距车站距离的影响最大，联络线长度的影响次之，断面积的影响最小。

地铁联络线；空气流动；热量交换

0 引言

联络线是连接两条独立运营线的辅助线路，目前的地铁隧道通风针对单线设计，没有考虑联络线对运营线路空气流动和换热特性的影响。掌握联络线中空气的流动和换热特性，有助于深入分析地铁线路之间通过联络线的空气交换和热交换规律，同时可以对联络线的工程设计提供参考。

许多学者采用数值模拟、模型实验及现场实测等方法对地铁隧道空气流动和热交换特性进行了研究，例如：黄鹏[1]应用CFdesign8.0对地铁区间隧道和地铁车站内空气的流动特性进行了分析；胡浩明[2]利用CFD建立动态仿真模型分析了地铁隧道内气流的温度、速度和压力场动态变化特性；闫春利[3]采用数值模拟的方法讨论了行车对数和风井位置对活塞风井通风特性的影响；JYKim和KYKim[4]建立1/20列车和隧道模型，通过实验得出列车在加速、匀速和减速运行条件下隧道内气流变化规律；齐江浩[5]和刘伟[6]分别对西安地铁2号线和苏州地铁2号线某站上、下行线隧道及活塞风道中的风速和温度进行监测，分析了隧道与活塞风道内气流的运动特性及其动态变化规律；王丽慧[7]综合运用缩尺模型实验、SES数值模拟和现场监测三种研究方法分析地铁区间隧道速度场和温度场的特性。目前缺乏对联络线引起的正线间空气交换和热量交换的研究。

本文采用SES软件对经联络线连通的两线地铁隧道进行模拟计算，分析联络线中空气的流动和换热规律，以及联络线的长度、断面积和距车站距离等因素的影响。

1 地铁模型与计算参数

本文以西安地铁A、B两条屏蔽门系统线路为例，建立计算模型。两线各有9个有效长度为120m的地下岛式站台，区间隧道长度为1000m，隧道断面积为20m2，线路长度为11220m，活塞风井长度为20m，活塞风井横截面积为20m2，联络线均位于两线第三站与第四站间区间隧道，正常工况列车最大车速均为80km/h。进出站端分别设有活塞风井，车站轨行区设置排风量为60m3/s的轨道排热系统（TES），两线行车对数均为30对/h，初始列车发车时间A线早于B线95s。以西安最热月平均温度26.7℃为计算温度。

模拟计算的基准工况：联络线长度为400m，断面积为20m2，联络线距车站距离均为第四站进站端前200m，联络线位置如图1所示，图1中A1-A9分别表示A线第1～9车站，B1-B9分别表示B线第1～9车站。

图1 联络线位置示意图

2 联络线中空气的流动和换热特性参数

将联络线作为研究对象，规定联络线中空气由A线流向B线为正向，B线流向A线为负向。

2.1 联络线中空气流动特性参数

本文用CL代指联络线，联络线中空气流速v（m/s）可由SES计算得到，规定空气由A线流向B线时v为正值，反之v为负值。

一个周期（s）联络线空气净风量V（m3）、正向流动风量+（m3）和负向流动风量-（m3）可以按（1）计算。

式中：为联络线断面积，m2；v为联络线中空气流速，m/s；为周期时间，s；+为周期内空气正向流动时间，s；-为周期内空气负向流动时间，s。

2.2 联络线中空气换热特性参数

联络线中空气与A、B线换热热流量如图2所示。

图2 热流量计算示意图

从A线流入联络线的热流量q（kJ/s）和从联络线流入B线的热流量q（kJ/s）可分别按（2）、（3）计算。根据联络线中空气的流动方向规定：空气由A线流入联络线时q为正值，联络线流入A线时q为负值，联络线流入B线时q为正值，B线流入联络线时q为负值。

式中：为空气比热容，kJ/kg×℃；为空气密度，kg/m3；为联络线断面积，m2；v为联络线中空气流速，m/s；t为A线流入联络线的空气温度，℃；t为B线流入联络线的空气温度，℃；t为联络线流入A线或者B线的空气温度，℃。

一个周期从A线流入联络线的净热量Q（kJ）和从联络线流入B线的净热量Q（kJ）可以按（4）计算。

式中：为热流量，kJ/s，包括q和q；为周期时间，s。

一个周期联络线隧道壁面与空气的换热量Q（kJ）可按（5）计算。

3 计算结果与分析

SES软件计算可得v、+、-、t、t和t。由公式（1）计算可得V，公式（2）、（3）计算可得q和q，公式（4）、（5）计算可得Q、Q和Q。本文列车行车对数为30对/h，对应一个周期时间为120s。

3.1 联络线的空气流动和换热基本特性

本文从基准工况一个周期内v的变化分析联络线中空气流动基本特性；从一个周期内q和q的变化分析联络线中空气换热基本特性。

3.1.1 空气流动基本特性

一个周期内v的变化如图3所示。

图3 一个周期内联络线空气流速变化

由图3可见，一个周期内v正负交替变化，正、负流动各两次，正向流速最大为2m/s，反向流速最大为1.5m/s。计算得+为1130m3，-为-934m3，V为A线流向B线196m3。这一现象的原因是一个周期内两线各有一辆列车经过联络线与正线连接处，联络线与A线、B线的联络点处各有两次正负压过程。

3.1.2 换热基本特性

一个周期q和q的变化如图4所示。

图4 一个周期内联络线热流量变化

由图4可见，q、q均在一个周期内正负交替变化，q始终大于q，故空气流经联络线失热，即联络线吸热。对比图3发现热流量变化与空气流速变化同步，计算得Q为8925kJ，Q为2579kJ，Q为6346kJ。这一现象的原因是正常工况下联络线内无列车通过，联络线隧道壁温低于正线隧道，空气流经联络线被冷却。

3.2 不同因素对联络线中空气的流动和换热特性的影响

联络线中空气的流动和换热特性受多个因素的综合影响，本文主要对联络线长度、断面积以及距车站距离3种因素进行分析和讨论，除需分析的影响因素外，其他参数与基准工况相同。

将+、-和V作为联络线中空气流动特性的评价指标，将Q、Q和Q作为联络线中空气换热特性的评价指标。规定下文图表+和-均以正值表示，联络线内净风量A线流向B线时V为正值，反之V为负值，Q和Q正负值规定与前文q和q一致。联络线吸热时Q正值，放热时Q为负值。

3.2.1 联络线长度

为分析联络线长度对联络线中空气的流动和换热特性的影响，长度分别取200m、300m、400m和500m进行计算。

不同长度联络线对风量的影响如图5所示。

图5 不同长度联络线对风量的影响

由图5可见，+、-和V均随联络线长度的增加而减小。联络线长度由200m增加到500m，+减小了24.3%，-减小了24.4%，V减小了24.1%。这是由于联络线长度增加，联络线沿程阻力增加导致风量减小。

不同长度联络线对换热量的影响如图6所示。

2.3 SAP10-2检测异常的区域与位点 表3示21位10-2SAP异常的PPG患者视野缺损主要出现在上半侧和上方区域（分区方法见图1［2］），与健康对照组差异有统计学意义，其他区域差异无统计学意义。

图6 不同长度联络线对换热量的影响

由图6可见，Q和Q均随着联络线长度增加而减小，Q减小幅度更大，Q随着联络线长度增加而增大。联络线长度由200m增加到500m，Q减小了22.7%，Q减小了76.5%，Q增大了47.6%。Q减小是联络线风量降低造成，Q增大是长度增加，空气与联络线隧道壁面换热面积增大造成，由公式（5）知Q是Q与Q之差，故Q降幅大于Q。

3.2.2 联络线断面积

为分析联络线断面积对联络线中空气的流动和换热特性的影响，断面积分别取20m2、25m2、30m2和35m2进行计算。

不同断面积联络线对风量的影响如图7所示。

图7 不同断面积联络线对风量的影响

由图7可见，+、-和V均随联络线断面积的增加而增大。联络线断面积由20m2增加到35m2，+增大了19.1%，-增大了18.2%，V增大了23.4%。这是由于联络线断面积增加，联络线沿程阻力减小导致风量增加。

不同断面积联络线对换热量的影响如图8所示。

由图8可见，Q、Q和Q均随着联络线断面积增加而增大。联络线断面积由20m2增加到35m2，Q增大了21.4%，Q增大了30.8%，Q增大了17.6%。Q增大是联络线风量增大造成，Q增大是断面积增加，空气与联络线隧道壁面换热面积增大造成，Q增幅大于Q，根据公式（5）知Q为Q与Q之差，故Q随联络线断面积的增加而增大。

图8 不同断面积联络线对换热量的影响

为分析联络线距车站距离对联络线中空气的流动和换热特性的影响，联络线距车站距离分别取100m、200m、300m、400m和500m进行计算。

联络线距车站不同距离对风量的影响如图9所示。

图9 联络线距车站不同距离对风量的影响

由图9可见，随联络线距车站距离的增加，+和-增加，V先减少后反向增大。联络线距车站距离由100m增加到500m，+增大了59.6%，-增大了190.1%，V减少了233.1%。+和-增大主要是由于活塞风压随列车速度的增加而增大，随着联络线远离车站，联络线所在处列车速度越来越大，风压越来越大，故联络线风量增大。V先减少后反向增大是因为联络线位置改变，两线初始列车发车时间和行车对数保持不变，列车通过联络点的时间发生变化，当A线列车通过联络点时，B线列车与联络点的相对位置发生改变，造成+和-增幅不同。

联络线距车站不同距离对换热量的影响如图10所示。

图10 联络线距车站不同距离对换热量的影响

由图10可见，随着联络线距车站距离的增加，Q、Q均先减少后反向增大，与V的变化情况相似，Q增大。联络线距车站距离由100m增加到500m，Q减少170.8%，Q减少384.4%，Q增大了35.2%。Q增大是因为单向风量增大，联络线中空气与隧道壁面换热增大，由公式（1）～（4）可知Q、Q与联络线中流动风量和温度相关，所以Q、Q与V的变化相似，均为先减少后反向增大，但因为温度不同，Q、Q和V的变化不同步。

通过上述分析可以看出两正线通过联络线的空气交换量和热交换量受联络线距车站距离的影响最大，联络线长度的影响次之，断面积的影响最小。

4 结论

本文对线路参数、最大行车速度和行车对数相同的两条地铁线路之间联络线中空气的流动和换热特性进行了分析，探讨了联络线长度、断面积和距车站距离对联络线中空气流动和换热特性的影响，得出以下结论：

（1）联络线中空气流向呈周期性正反交替变化，基准工况一个周期内两正线通过联络线的空气交换量为196m3；正线流入联络线的热流量也呈周期性正反交替变化，基准工况一个周期内两正线通过联络线的热交换量为2579kJ，同时联络线吸热量为6346kJ。

（2）两正线通过联络线的空气交换量和热交换量随联络线长度的增加而减少，随联络线断面积的增加而增大，随联络线距车站距离的增加先减少后增大。三种影响因素中联络线距车站距离的影响最大，联络线长度的影响次之，断面积的影响最小。

[1] 黄鹏.地铁隧道及车站内流动特性的数值模拟研究[D].北京:北京交通大学,2007.

[2] 闫春利,雷波.行车对数和位置对活塞风井通风特性的影响[J].制冷与空调,2018,32(1):1-6.

[3] 胡浩明.不同排热模式下地铁隧道内气流分布特征的研究[C].2014铁路暖通年会,2014:49-56.

[4] JYKim, KYKim. Experimental and numerical analyses of train-induced unsteady tunnel flow in subway[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2006.

[5] 齐江浩,赵蕾,王君,等.地铁隧道活塞风实测及特征分析[J].铁道科学与工程学报,2016,13(4):741-747.

[6] 刘伟,周小涵,徐清荣.屏蔽门制式地铁隧道气温测试及规律研究[J].铁道标准设计,2018,62(7):153-159.

[7] 王丽慧,吴喜平,宋洁,等.地铁区间隧道速度场温度场特性研究[J].制冷学报,2010,31(3):55-62.

Study on the Air Flow and Heat Transfer Characteristics of Subway Connecting Line

Yang Zhun1He Lei2Lei Bo1Deng Baoshun2Guo Yongzhen2

( 1.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031;2.China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd, Xi’an, 710043 )

In this paper, the Subway Environment Simulation(SES) computer program is used to calculate the air flow and heat transfer characteristics in the subway connecting line. The effects of the length, cross-sectional area and distance from the station of the connecting line on the air flow and heat transfer characteristics of the line are discussed. The results show that: the direction of air flow in the connecting line alternate between positive and negativeperiodically, and the air exchange volume of the two main lines through the connecting line in a cycle is 196m3; the heat fluxes of the two main lines through the connecting line also alternate between positive and negative periodically, and the heat transfer capacity of the two main lines through the connecting line in a cycle is 2579kJ; Among the three influencing factors, the distance between the connecting line and the station has the largest effect, the second is the length of the connecting line, and the smallest influence is the cross-sectional area of the connecting line.

Subway connecting line; Air flow; Heat exchange

TU834

B

1671-6612（2020）02-170-05

陕西省重点研发计划2018SF-393

杨 准（1996.8-），男，在读硕士研究生，E-mail：yangzhun96@163.com

何 磊（1987.8-），男，博士，高级工程师，E-mail：swjtuhl822@126.com

2019-12-31