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关于城市轨道交通环控系统研究方法的分析与探讨

来源:智能交通网2009.05.30阅读 15275

  摘  要: CFD(计算流体动力学)是近年发展较快的一种计算机辅助设计技术,其作用是各种工况下气流组织的温度、速度场的模拟仿真。当前,国外已开始将CFD逐渐应用到地下空间领域,对地下空间的空气状况进行三维模拟、分析和研究。文章对CFD技术在城市轨道交通环控系统中的应用进行了分析和探讨。
  关键词: 城市轨道交通; 环控系统;计算流体动力学
  城市轨道交通中的地下车站和区间隧道是一个大型、狭长、与外界联系面较小的地下空间。密集的乘客、列车和各种机电设备的运行,以及连续的照明都会产生很大的热量,不及时排除就会导致地铁内温度逐年上升。此外,地铁内各种设备及列车运行引起的噪声、有害气体、列车活塞效应对车站空气环境的扰动,以及隧道内因潮湿造成的霉烂气味等都会使地下环境不断恶化。同时控制工程网版权所有,当人流密集、空间狭小、密闭性高的地铁内发生事故、火灾时,人员的安全疏散和烟气的排除也是非常重要的问题。鉴于以上各种因素,必须设置环控通风系统,对车站和区间隧道内的温度、湿度、气流速度、噪声以及事故、火灾情况下人员安全疏散措施等进行全面控制。其中,有效、可靠的环控通风系统对保证地铁乘客的安全、舒适和确保
设备运行及寿命是十分必要的。
  地铁系统是一个由车站、隧道、出入口等构成的复杂的三维网络。地铁系统的环控模拟,主要是研究地铁内的不稳定空气动力学和热力学方面的问题,即地铁车站正常工况下的三维温度场、气流场分布、污染物浓度分布、平均空气年龄、人体舒适性的模拟研究以及地铁车站和隧道事故、火灾工况下的三维温度场、气流场分布、烟气流动状况等的模拟研究。目前国际上广泛认可使用、相对成熟、用于地铁环控模拟计算的软件是Subway EnvironmentSimulation,简称SES。该程序是由美国交通部于1975年开发的世界上第一个地铁环控计算机模拟软件。1976年CONTROL ENGINEERING China版权所有,SES修改后被应用到公路隧道通风分析中;1985年,又增加了火灾的动态模拟。现在,SES已经从DOS版本升级为WINDOWS版并形成目前的第4版。该软件作为设计计算工具,可以模拟地铁内多列列车运行时车站、隧道和通风井的温度、湿度、风速以及车站的空调负荷。它允许用户模拟一定数量列车的动力与刹车系统;不同的环境控制系统(包括强制通风、车站空调与车轨排风);设定的地下隧道与车站和通道连接所形成的空间内的空气流动;所希望的列车运行次序(包括由不同运行特性和发车间隔的列车的混合编组);各种稳定与不稳定状态的热源;列车停在区间的紧急状况时机械通风与热浮力共同作用下所形成的空气运动;特别是能够模拟系统投入运行多年后热库对隧道的影响。对一个有大量列车运行的地铁,SES计算机模型提供动态的模拟过程,它允许对通过任何车站、区间、通风井和风机的空气速度、温度、湿度的连续读值www.cechina.cn,或在设定的时间获得空气参数的最大值、最小值、平均值。
  SES软件主要由4个既独立又互相关联的子程序组成:列车运行子程序(Train Operation),空气动力子程序(Aerodyanmic),温度/湿度子程序(Thermodyanmic),热壑/环控子程序(Heat Sink and ECS)。列车运行子程序可以计算列车的速度、加速度、位置及系统中所有列车的发热;空气动力子程序依靠这些列车参数再加上系统的几何组成与通风状况数据,计算所有车站、区间、通风井中的空气流量和气流速度;温度/湿度子程序利用空气动力学子程序得出的空气参数与列车运行子程序计算出的列车发热数据来计算系统中的显热与潜热,从而得到各处位置的温度和湿度。最后,列车运动子程序按气流速度推算列车附近活塞风作用。这些子程序计算出的地铁通风与热负荷数据同室外每日与年度气象条件参数一起CONTROL ENGINEERING China版权所有,被热壑/环控子程序用来计算地铁内空气与隧道结构、周围土壤之间长期的热传导作用,同时也可以得到为使某些区间温度达到设计条件而所需的冷量。通过SES软件可以验证设计者所设定的地铁环控通风系统构成方案及系统运行模式的合理性,以便完成地铁环控通风系统的设计。需要注意的是该软件本身也存在着一定的局限性,例如SES的模拟原理是伯努利方程,这就决定了它无法反映车站及隧道内场分布的详细情况,只能将地铁系统简化为一维模型进行处理,只能计算某一点的气流速度大小www.cechina.cn,而具体的变化情况诸如方向和具体流动情况则无法反映,所以SES软件的最终输出结果是一维的,它只能从数据上计算特定断面的一些参数。而地铁系统中的车站及隧道部分显然是三维模型,因此,如果想了解地铁车站及隧道中空气的温度、速度等具体详细的分布情况就必须考虑借助使用其它的研究方法和手段来实现。
  CFD(Computational FluidDynamics,即计算流体动力学)是现代模拟仿真技术的一种,是近年发展较快的一种计算机辅助设计技术。其作用是对各种工况下气流组织的温度、
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