關(guān)于城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)研究方法的分析與探討摘 要： CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）是近年發(fā)展較快的一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，其作用是各種工況下氣流組織的溫度、速度場(chǎng)的模擬仿真。當(dāng)前，國(guó)外已開始將CFD逐漸應(yīng)用到地下空間領(lǐng)域，對(duì)地下空間的空氣狀況進(jìn)行三維模擬、分析和研究。文章對(duì)CFD技術(shù)在城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討。關(guān)鍵詞: 城市軌道交通; 環(huán)控系統(tǒng);計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) 城市軌道交通中的地下車站和區(qū)間隧道是一個(gè)大型、狹長(zhǎng)、與外界聯(lián)系面較小的地下空間。密集的乘客、列車和各種機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行，以及連續(xù)的照明都會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，不及時(shí)排除就會(huì)導(dǎo)致地鐵內(nèi)溫度逐年上升。此外，地鐵內(nèi)各種設(shè)備及列車運(yùn)行引起的噪聲、有害氣體、列車活塞效應(yīng)對(duì)車站空氣環(huán)境的擾動(dòng)，以及隧道內(nèi)因潮濕造成的霉?fàn)€氣味等都會(huì)使地下環(huán)境不斷惡化。同時(shí)，當(dāng)人流密集、空間狹小、密閉性高的地鐵內(nèi)發(fā)生事故、火災(zāi)時(shí)，人員的安全疏散和煙氣的排除也是非常重要的問(wèn)題。鑒于以上各種因素，必須設(shè)置環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)車站和區(qū)間隧道內(nèi)的溫度、濕度、氣流速度、噪聲以及事故、火災(zāi)情況下人員安全疏散措施等進(jìn)行全面控制。其中，有效、可靠的環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)保證地鐵乘客的安全、舒適和確保設(shè)備運(yùn)行及壽命是十分必要的。 地鐵系統(tǒng)是一個(gè)由車站、隧道、出入口等構(gòu)成的復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)。地鐵系統(tǒng)的環(huán)控模擬，主要是研究地鐵內(nèi)的不穩(wěn)定空氣動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方面的問(wèn)題，即地鐵車站正常工況下的三維溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)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(zāi)工況下的三維溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)分布、煙氣流動(dòng)狀況等的模擬研究。目前國(guó)際上廣泛認(rèn)可使用、相對(duì)成熟、用于地鐵環(huán)控模擬計(jì)算的軟件是Subway EnvironmentSimulation，簡(jiǎn)稱SES。該程序是由美國(guó)交通部于1975年開發(fā)的世界上第一個(gè)地鐵環(huán)控計(jì)算機(jī)模擬軟件。1976年，SES修改后被應(yīng)用到公路隧道通風(fēng)分析中；1985年，又增加了火災(zāi)的動(dòng)態(tài)模擬。現(xiàn)在，SES已經(jīng)從DOS版本升級(jí)為WINDOWS版并形成目前的第4版。該軟件作為設(shè)計(jì)計(jì)算工具，可以模擬地鐵內(nèi)多列列車運(yùn)行時(shí)車站、隧道和通風(fēng)井的溫度、濕度、風(fēng)速以及車站的空調(diào)負(fù)荷。它允許用戶模擬一定數(shù)量列車的動(dòng)力與剎車系統(tǒng)；不同的環(huán)境控制系統(tǒng)（包括強(qiáng)制通風(fēng)、車站空調(diào)與車軌排風(fēng)）；設(shè)定的地下隧道與車站和通道連接所形成的空間內(nèi)的空氣流動(dòng)；所希望的列車運(yùn)行次序(包括由不同運(yùn)行特性和發(fā)車間隔的列車的混合編組)；各種穩(wěn)定與不穩(wěn)定狀態(tài)的熱源；列車停在區(qū)間的緊急狀況時(shí)機(jī)械通風(fēng)與熱浮力共同作用下所形成的空氣運(yùn)動(dòng)；特別是能夠模擬系統(tǒng)投入運(yùn)行多年后熱庫(kù)對(duì)隧道的影響。對(duì)一個(gè)有大量列車運(yùn)行的地鐵，SES計(jì)算機(jī)模型提供動(dòng)態(tài)的模擬過(guò)程，它允許對(duì)通過(guò)任何車站、區(qū)間、通風(fēng)井和風(fēng)機(jī)的空氣速度、溫度、濕度的連續(xù)讀值，或在設(shè)定的時(shí)間獲得空氣參數(shù)的最大值、最小值、平均值。 SES軟件主要由4個(gè)既獨(dú)立又互相關(guān)聯(lián)的子程序組成：列車運(yùn)行子程序(Train Operation)，空氣動(dòng)力子程序(Aerodyanmic)，溫度／濕度子程序(Thermodyanmic)，熱壑／環(huán)控子程序(Heat Sink and ECS)。列車運(yùn)行子程序可以計(jì)算列車的速度、加速度、位置及系統(tǒng)中所有列車的發(fā)熱；空氣動(dòng)力子程序依靠這些列車參數(shù)再加上系統(tǒng)的幾何組成與通風(fēng)狀況數(shù)據(jù)，計(jì)算所有車站、區(qū)間、通風(fēng)井中的空氣流量和氣流速度；溫度／濕度子程序利用空氣動(dòng)力學(xué)子程序得出的空氣參數(shù)與列車運(yùn)行子程序計(jì)算出的列車發(fā)熱數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)子程序按氣流速度推算列車附近活塞風(fēng)作用。這些子程序計(jì)算出的地鐵通風(fēng)與熱負(fù)荷數(shù)據(jù)同室外每日與年度氣象條件參數(shù)一起，被熱壑／環(huán)控子程序用來(lái)計(jì)算地鐵內(nèi)空氣與隧道結(jié)構(gòu)、周圍土壤之間長(zhǎng)期的熱傳導(dǎo)作用，同時(shí)也可以得到為使某些區(qū)間溫度達(dá)到設(shè)計(jì)條件而所需的冷量。通過(guò)SES軟件可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)者所設(shè)定的地鐵環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成方案及系統(tǒng)運(yùn)行模式的合理性，以便完成地鐵環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(wú)法反映車站及隧道內(nèi)場(chǎng)分布的詳細(xì)情況，只能將地鐵系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一維模型進(jìn)行處理，只能計(jì)算某一點(diǎn)的氣流速度大小，而具體的變化情況諸如方向和具體流動(dòng)情況則無(wú)法反映，所以SES軟件的最終輸出結(jié)果是一維的，它只能從數(shù)據(jù)上計(jì)算特定斷面的一些參數(shù)。而地鐵系統(tǒng)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(xì)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(lái)實(shí)現(xiàn)。 CFD(Computational FluidDynamics，即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))是現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)的一種，是近年發(fā)展較快的一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。其作用是對(duì)各種工況下氣流組織的溫度、速度場(chǎng)等的模擬仿真。暖通空調(diào)制冷行業(yè)是CFD技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，我國(guó)暖通空調(diào)制冷行業(yè)已有不少專家對(duì)CFD的應(yīng)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(jì)70年代末80年代初起，即已有一些高校、研究機(jī)構(gòu)開始CFD技術(shù)的應(yīng)用研究，20年來(lái)已取得許多重要的成就，研究的范圍從以室內(nèi)空氣分布以及建筑物內(nèi)煙氣流動(dòng)規(guī)律的模擬為主，逐漸擴(kuò)展到室外及建筑小區(qū)繞流乃至大氣擴(kuò)散問(wèn)題。近些年來(lái)，隨著CFD計(jì)算技術(shù)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，許多工程領(lǐng)域都有了成功利用它作為模擬評(píng)價(jià)、優(yōu)化設(shè)計(jì)手段的實(shí)例。在隧道、地下鐵道的通風(fēng)工程中，CFD應(yīng)用也成績(jī)斐然。國(guó)內(nèi)部分高等院校也開始利用CFD技術(shù)對(duì)地鐵區(qū)間隧道及車站內(nèi)各種工況下的空氣流動(dòng)和分布情況進(jìn)行模擬研究。對(duì)于地鐵環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，會(huì)有多種可選方案，所以計(jì)算機(jī)模擬的功能之一就是對(duì)多種方案的比選優(yōu)化；對(duì)于正在籌建的地鐵系統(tǒng)，其運(yùn)營(yíng)后的氣流場(chǎng)與溫度場(chǎng)無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，所以計(jì)算機(jī)模擬能夠有效而可靠地對(duì)未建成的地鐵系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)；對(duì)已經(jīng)建成的地鐵系統(tǒng)，由于客流量較大，為了保證正常運(yùn)營(yíng)，有時(shí)在列車附近無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，但可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析。同時(shí)可以對(duì)一些過(guò)去沒(méi)有經(jīng)過(guò)理論計(jì)算的感性認(rèn)識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，例如隧道風(fēng)的變化情況、排煙量對(duì)火災(zāi)溫度場(chǎng)的影響等，過(guò)去只是通過(guò)一些想象進(jìn)行推斷，但是對(duì)具體變化情況及具體數(shù)據(jù)缺乏理論計(jì)算及科學(xué)論證，利用CFD方法，以上問(wèn)題均可以得到解決和落實(shí)。采用CFD方法可以對(duì)地鐵車站及隧道的溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)、污染物的濃度分布及排放、人體舒適性以及火災(zāi)情況下的通風(fēng)模式、煙氣流動(dòng)狀況及此情況下的溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)進(jìn)行三維可視化仿真模擬。CFD的功能十分強(qiáng)大，它經(jīng)過(guò)一次完整的計(jì)算后，就可以得到任意一個(gè)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(yù)期不滿意百分率）與PMV（預(yù)期平均評(píng)價(jià)）等隨時(shí)間的連續(xù)變化值。并且模擬得出的計(jì)算數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的可視化結(jié)果是十分直觀形象的，因此，它所模擬出的結(jié)果較SES軟件更加直觀，得到的結(jié)果也更加具體，能夠?yàn)榈罔F環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供充分的依據(jù)。 圖1為CFD模擬的輸出結(jié)果，它進(jìn)行的是三維計(jì)算，不但可以得到計(jì)算區(qū)域內(nèi)任意時(shí)間的任意一點(diǎn)的各個(gè)參數(shù)值，而且可以處理成圖1所示的結(jié)果，從中可以清晰地看到整個(gè)斷面的溫度分布情況。 利用CFD通過(guò)有效空間范圍的三維幾何模型的建立、數(shù)據(jù)化網(wǎng)格的劃分、差分格式的確定以及邊界條件的設(shè)置，可以對(duì)地下空間的相關(guān)環(huán)境因素和參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。總體而言，CFD通常包含如下幾個(gè)主要環(huán)節(jié)：建立數(shù)學(xué)物理模型，數(shù)值算法求解，結(jié)果可視化。經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)果的比較、分析，可以總結(jié)歸納出影響地下空間環(huán)境控制的各種因素，從而可以有針對(duì)性地采取相應(yīng)的解決措施和辦法，以便對(duì)地下空間環(huán)境進(jìn)行有效的控制。它能夠解決SES軟件解決不了的一些問(wèn)題。例如，我們利用CFD通過(guò)對(duì)地鐵車站火災(zāi)工況進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)得出的計(jì)算數(shù)據(jù)和直觀形象化的結(jié)果（圖2、3）可以分析出火災(zāi)強(qiáng)度、火源位置、燃燒時(shí)間、煙氣流動(dòng)、排煙形式及排煙量等對(duì)地下車站內(nèi)部空間環(huán)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(zāi)情況下地鐵車站內(nèi)的乘客及工作人員的安全撤離，同時(shí)為消防人員創(chuàng)造撲滅火災(zāi)的條件。類似這些直觀形象化結(jié)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(duì)地鐵的地下車站、區(qū)間隧道以及鐵路、公路隧道具有較強(qiáng)的適用性，而CFD則可以適用于包括地鐵在內(nèi)的所有地下空間，具有更廣泛的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。 經(jīng)過(guò)多年對(duì)地鐵地下空間環(huán)境控制問(wèn)題的研究以及具體工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的實(shí)踐，我們認(rèn)為將SES軟件和CFD技術(shù)共同作為對(duì)地鐵及相關(guān)的地下空間內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行研究分析的手段和方法，不僅可以對(duì)地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際效果進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)還可以為建設(shè)方提供準(zhǔn)確適宜的環(huán)境控制設(shè)計(jì)方案，從而確定適宜的方案措施及系統(tǒng)的運(yùn)行模式，保證地鐵及相關(guān)地下空間的正常運(yùn)營(yíng)和事故狀態(tài)下的有效應(yīng)對(duì)措施，為地鐵工程的建設(shè)運(yùn)營(yíng)和相關(guān)城市地下空間的開發(fā)與利用提供有力的保障。參考文獻(xiàn)1Ming-Tsun Ke, Tsung-CheCheng, Wen-Por Wang. 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