王迪軍 賀利工 羅燕萍 許雄文

(1.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，510010，廣州；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，510640，廣州∥第一作者，正高級工程師)

地鐵列車運(yùn)行頻次高，運(yùn)營時間長，能量消耗巨大。根據(jù)熱力學(xué)第一定律和第二定律，所有輸入列車的能量(占地鐵運(yùn)營總能量的90%[1])最終都以不同的方式損耗，并以熱的形式釋放在地鐵隧道中。地鐵隧道一般距離地表幾米至幾十米，與外界連通能力較差[2]，故地鐵運(yùn)營時產(chǎn)生的巨大熱量難以自然地排出隧道。隨著地鐵運(yùn)營時間的增加，隧道周邊土壤溫度逐年提升，隧道空氣溫度也隨之升高，使得地鐵列車?yán)淠鬟\(yùn)行能耗增加，對地鐵運(yùn)營造成不利影響[3]。故在地鐵地下車站和隧道中設(shè)置通風(fēng)環(huán)控系統(tǒng)及時地下車站及將隧道中高溫余熱量排出是必要的[4]。目前，地鐵地下車站及隧道通風(fēng)的研究主要集中在自然冷源的利用，包括水源[5]、熱管設(shè)置[1]和蓄熱材料[6]對排熱的削峰填谷作用。

由地鐵運(yùn)行特點可知，列車在地下車站停站時的車頂活塞風(fēng)大大減弱，且風(fēng)溫較高。故設(shè)置軌頂排風(fēng)系統(tǒng)將高溫氣流排出不僅可高效排熱，還可有效防止列車停站時車輛空調(diào)的高溫運(yùn)行。目前，雖有很多地鐵線路采用了這種排熱方案，但運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，軌頂?shù)钠骄棚L(fēng)溫度較低，且排熱效率并不高。目前，尚無文獻(xiàn)對此進(jìn)行研究。

本文通過數(shù)值模擬地鐵地下車站站臺層軌道區(qū)軌頂風(fēng)道的排熱流場及溫度場，分析了目前軌頂排風(fēng)口設(shè)置不合理的原因，并提出有效的優(yōu)化策略以進(jìn)行風(fēng)口參數(shù)優(yōu)化，從而提高軌頂排風(fēng)口的排熱效率，為軌頂排風(fēng)口的設(shè)計提供參考。

1 數(shù)值計算

1.1 模型簡化

本文以廣州地鐵某地下車站站臺停車區(qū)作為研究對象，主要研究軌頂風(fēng)道風(fēng)口設(shè)置對列車停站時排熱效率的影響。為簡化計算量，并保證進(jìn)口邊界的一致性，本研究只對上部(距離站臺層軌道區(qū)頂部2.45 m以內(nèi))區(qū)域進(jìn)行模擬計算。模型長度取10 m，約為半節(jié)車廂的長度。模擬流體域范圍經(jīng)過1個冷凝器。簡化的模擬流體域三維模型如圖1所示。

圖1 模擬流體域的三維簡化模型

在站臺層軌頂布置了3個矩形風(fēng)口模型，覆蓋于2個列車空調(diào)冷凝器的正上方。根據(jù)實際軌頂風(fēng)口尺寸參數(shù)生成模型，并確定壁面和進(jìn)出風(fēng)口等多個邊界。站臺層軌道區(qū)壁面設(shè)置為不滑移邊界條件，底部設(shè)置為滑移邊界。模擬過程為穩(wěn)態(tài)模擬，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

1.2 進(jìn)出口邊界條件

為簡化計算，將模擬過程的站臺層軌道區(qū)進(jìn)口風(fēng)速和冷凝器出口風(fēng)的溫度均設(shè)為定值。由于站臺層軌道區(qū)進(jìn)口風(fēng)速會有所變化，故為考察站臺層軌道區(qū)進(jìn)口風(fēng)速對軌頂排風(fēng)的影響，本文將不同進(jìn)風(fēng)風(fēng)速定義為3組邊界條件，如表1所示。其他邊界條件參數(shù)如表2所示。此外，為分析軌頂排風(fēng)口(軌排風(fēng)口)尺寸、位置以及排風(fēng)量的影響，本文設(shè)置6個站臺層軌道區(qū)軌頂排風(fēng)口模擬條件，如表3所示，其中軌頂排風(fēng)口前移距離指站臺層軌道區(qū)進(jìn)口沿進(jìn)風(fēng)流動方向平移設(shè)置的距離。

表1 站臺層軌道區(qū)進(jìn)口邊界條件

表2 其他邊界條件

表3 站臺層軌道區(qū)軌頂排風(fēng)口條件

1.3 軌頂排熱效率評價參數(shù)

為了評估站臺層軌道區(qū)出風(fēng)口的平均溫度，進(jìn)而研究站臺層軌道區(qū)軌頂排風(fēng)口的排熱效率，本文將站臺層軌道區(qū)排風(fēng)簡化模型各進(jìn)出口溫度和流量的定義如圖2所示。

圖2 各進(jìn)出口的溫度、流量示意圖

為了反映站臺層軌道區(qū)軌頂排風(fēng)口抽出熱風(fēng)的有效性，本文將站臺層軌道區(qū)排風(fēng)口抽風(fēng)量看成是由站臺層軌道區(qū)進(jìn)風(fēng)和冷凝器出風(fēng)組成，定義站臺層軌道區(qū)進(jìn)風(fēng)部分占比為α1，冷凝器出口風(fēng)部分占比為α2。根據(jù)質(zhì)量及能量守恒可得：

α1+α2=1

(1)

α1T1+α2T2=T4

(2)

若已知T1，T2和T4，則根據(jù)式(1)及式(2)可計算α1和α2。由于冷凝器出口為最熱風(fēng)，故α2越大，代表該排風(fēng)口的排熱量越大，軌頂風(fēng)道的設(shè)計越合理。因此，本文將α2作為軌頂排風(fēng)口排熱效率的評價參數(shù)。

2 軌頂排風(fēng)口參數(shù)優(yōu)化策略

組合表1的進(jìn)風(fēng)口邊界條件及表3的站臺層軌道道區(qū)軌頂排風(fēng)口條件，可得到18個模擬工況。使用Fluent軟件對流體域進(jìn)行模擬計算，可得不同模擬工況下的T4、α1及α2，如表4所示。

表4 不同模擬工況的排風(fēng)口參數(shù)計算結(jié)果

從表4中可以看出：單純增大軌頂排風(fēng)口尺寸(排風(fēng)口條件為4，5和6)反而降低了風(fēng)口的排熱能力；增加站臺層軌道區(qū)軌頂排風(fēng)口的排風(fēng)風(fēng)量(排風(fēng)口條件為3和6)對站臺層軌道區(qū)內(nèi)溫度分布的優(yōu)化效果也并不明顯，其排熱效率α2均有所降低；將站臺層軌道區(qū)軌頂排風(fēng)口的位置向車頭方向移動(排風(fēng)口條件為2和5)，能有效增大α2，增加站臺層軌道區(qū)軌頂排風(fēng)口對熱風(fēng)的抽吸量，提高軌頂風(fēng)道的排風(fēng)溫度。可見，將軌頂排風(fēng)口前移是其風(fēng)口參數(shù)優(yōu)化的有效策略。

圖3為模擬工況B1的站臺層軌道區(qū)軌頂排風(fēng)口水平剖面的溫度分布圖。在圖3的軌頂3個并列排風(fēng)口中，靠近車尾(后方)處T4較低，經(jīng)分析，后方排風(fēng)口抽出了大量冷風(fēng)，使后方排風(fēng)口的熱風(fēng)占比較少，從而導(dǎo)致其排熱效率較低。由此可知，軌頂?shù)?個排風(fēng)口應(yīng)沿站臺層軌道區(qū)進(jìn)口的進(jìn)風(fēng)方向前移，對排熱較為有利。

圖3 模擬工況B1的T4分布情況

3 優(yōu)化方案及效果仿真驗證

3.1 優(yōu)化方案

隨著時間增加，站臺層軌道區(qū)產(chǎn)生的活塞風(fēng)速會有所衰減。對此，本文根據(jù)列車運(yùn)行實際工況，取3個時間的實際平均速度作為站臺層軌道區(qū)進(jìn)口風(fēng)速的初始條件，來模擬列車停站期間的站臺層軌道區(qū)流場。站臺層軌道區(qū)進(jìn)口的風(fēng)速及風(fēng)量的取值如表5所示，其余各進(jìn)出口的邊界條件保持不變。

表5 站臺層軌道區(qū)進(jìn)口的平均風(fēng)速與風(fēng)量取值

在給定的站臺層軌道區(qū)進(jìn)口風(fēng)速條件下，假定關(guān)閉軌頂排風(fēng)，模擬計算軌頂剖面溫度場。計算結(jié)果表明，從冷凝器排入站臺層軌道區(qū)的熱風(fēng)溫度為T2=319.5 K，經(jīng)過與站臺層軌道區(qū)進(jìn)口冷風(fēng)的混合后，站臺層軌道區(qū)進(jìn)口風(fēng)速分別為2.64 m/s、3.63 m/s、4.25 m/s的情況下，在軌頂形成的319 K高溫區(qū)域的范圍分別是1.354 m×1.791 m、1.596 m×1.092 m、1.547 m×0.936 m。在站臺層軌道區(qū)進(jìn)口風(fēng)的作用下，高溫區(qū)域向車頭(軌頂風(fēng)前進(jìn))方向偏移，且高溫區(qū)域能完全覆蓋靠近車頭方向的冷凝器出口。因此，軌頂排風(fēng)口位置應(yīng)向車頭(軌頂風(fēng)前進(jìn))方向偏移。根據(jù)溫度場高溫區(qū)域模擬結(jié)果，站臺層軌道區(qū)頂部形成的高溫區(qū)域沿垂直于進(jìn)風(fēng)方向(縱向)的平均尺寸為1.5 m，而沿平行于進(jìn)風(fēng)方向(橫向)的尺寸平均值為1.3 m。為盡量將軌頂高溫區(qū)域的熱風(fēng)通過軌頂風(fēng)道排出站臺層軌道區(qū)，減少冷風(fēng)的抽吸量，需將站臺層軌道區(qū)軌頂排風(fēng)口大小和位置涵蓋各工況下的高溫區(qū)。由于站臺層軌道區(qū)結(jié)構(gòu)在縱向上受消防、布線等限制，故不改變其風(fēng)口的縱向尺寸；考慮到風(fēng)口優(yōu)化排風(fēng)后的軌頂高溫區(qū)域覆蓋面積會有所減小，故將優(yōu)化風(fēng)道尺寸設(shè)為1.0 m×1.0 m。優(yōu)化前后站臺層軌道區(qū)軌頂排風(fēng)口處的排風(fēng)參數(shù)如表6所示。圖4為站臺層軌道區(qū)原方案與優(yōu)化軌頂排風(fēng)口尺寸位置。

表6 優(yōu)化前后站臺層軌道區(qū)軌頂排風(fēng)口處的排風(fēng)參數(shù)

圖4 隧道軌頂排風(fēng)口方案示意圖

根據(jù)優(yōu)化前后的排風(fēng)口面積變化，保持風(fēng)口排風(fēng)量為3 m3/s不變，模擬得到優(yōu)化前后的站臺層軌道區(qū)軌頂排風(fēng)口水平剖面溫度分布如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前后軌頂排風(fēng)口水平剖面溫度分布

從圖5中可以看出，優(yōu)化后的高溫區(qū)域面積明顯較小。優(yōu)化前后的T4及α2如表7所示。從表7中可以看出，優(yōu)化后的α2比優(yōu)化前的α2高20%～50%，優(yōu)化效果顯著。

表7 優(yōu)化前后的風(fēng)口參數(shù)對比

4 結(jié)語

在地鐵車站站臺層軌道區(qū)軌頂風(fēng)道排風(fēng)時，過多的冷風(fēng)被吸入軌頂風(fēng)道是造成其排熱效率低的主要原因。因此，直接提高軌頂風(fēng)道中的風(fēng)口排風(fēng)量及風(fēng)口尺寸增加均無法有效增加其排熱效率。

考慮到軌頂各熱風(fēng)分布區(qū)域較小，故軌頂風(fēng)道的優(yōu)化策略為：適當(dāng)減小軌頂排風(fēng)口分布尺寸，并將排風(fēng)口位置向車頭方向移動，從而使軌頂熱風(fēng)區(qū)域覆蓋排風(fēng)口，進(jìn)而有效提高排熱效率。

本文仿真研究結(jié)果表明，軌頂風(fēng)道采用本文優(yōu)化方案后，排熱效率可提高20%～50%。