带可控风口的屏蔽门统的可行性研究

带可控风口的屏蔽门统的可行性研究
黄绪赵蕾
(西安建筑科技大学环境学院，710055；）
摘要：在屏蔽门上设置的可控风口，过渡季节开启可控风口就可以在列车进站过程中使部分活塞风涌入站台，而在列车出站过程中又可将站内部分空气带走，在一个吹吸过程实现车站的通风换气。

屏蔽门可控风口系统综合了屏蔽门系统与开式系统的优点，可缩短站台的空调通风系统运行时间，达到降低能耗的目的。

若能实施，可带来显著的经济效益。

然而，可控风口的设置高度和尺寸会直接影响站台的通风效果。

目前关于这方面的研究尚十分缺乏。

本课题结合西安的气象条件对此进行了深入细致的研究。

关键词：带可控风口屏蔽门活塞风动态数值仿真通风换气效果
Research on the Practicability of the Platform Screen Door System with Controllable Vents in Subway System
HUANG Xu ZHAO Lei
(School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture , Xi’an
710055, China）
Abstract：During transitional seasons, opening the controllable vents in the platform screen door (PSD) enables piston wind to enter the platform while the train entering or leaving the station. Through such a blow and suction process, the air change of the platform can be fulfilled. This system takes the advantage of both the PSD system and the open system and may greatly shorten the operational time of air-conditioning or mechanical ventilation system on the platform. And thus it cuts the energy consumption. If it can be put into practice, it may bring great economic benefits. However, seldom research results have been reported on how to decide the size and the installation heigh tof the vents, while this may seriously affect the ventilation efficiency.Therefore, it is explored based on the meterological conditions of Xi’an to determine the proper size and installation position of the vents.
Key words:PSD equipped with controllable vents, piston wind, dynamic simulation, effect of ventilation and air-changing
1物理问题与数学模型
1.1 可控风口的设置
地铁屏蔽门是一种集建筑、机械、
材料、电子和信息等学科于一体的高
科技产品，应用于地铁站台。

屏蔽门
将站台和列车运行区域隔开，通过控
制系统自动控制其开启[1]。

设计合理
的新型屏蔽门系统不仅能发挥屏蔽门
的作用，提高候车环境的安全性和美
观性，也能为合理利用部分活塞风来
实现过渡季节站台的良好通风，在夏
季还可以部分排除隧道中的余热避免超高温现象发生，以达到环控系统节能的目的。

但是，目前对该新型屏蔽门技术的应用效果的研究较少，尚未应用于实践。

本文提出的新型屏蔽门是在屏蔽门上加装可控风口屏蔽门上可控风口安装位置如图1-1 西安地铁2号线屏蔽门的样式屏蔽门所在的立面上（图1-1中立面）。

在屏蔽门上每隔3m 布置一个可控风口，从列车进站端到离站端对可控风口进行编号，分别为第1,2,…..39。

1.2 建筑空间模型的简化及模型的建立
本文对地铁车站、地铁隧道和列车的运动情况做出如下简化和假设：假设站台气流速度场和温度场不受下行线影响，仅建立上行线隧道及站台的空间模型。

将区间隧道简化成圆柱形体，车站隧道区简化为长方体，地铁隧道平直，没有坡度和弯曲，且地铁隧道和列车的的截面尺寸保持不变。

假设隧道处活塞风井以及站台处的楼梯出入口与室外直接相通[2]。

利用GAMBIT 软件建立三维简化几何模型。

隧道总长度为740m ，其中车站隧道区长度为180m 。

另外，模型中区间隧道尺寸：直径为5.5m 的圆柱体；车站隧道尺寸：宽×高4.5m×4.5m 的长方体；列车尺寸：长×宽×高118m×2.8m×3.5m ；站台尺寸：长×宽×高120m×10m×3.9m 。

模型的空间结构如图1-2所示。

图中，对坐标原点及X 、Y 、Z 轴定义如下：坐标原点—仿真空间模型最左侧端面与隧道中轴线的交点；X 轴：以列车行进方向为正方向；Y 轴：以站台地面朝站台顶板方向为正；Z
轴：以垂直于屏蔽门朝向隧道的方向为正方向。

1-1 西安地铁2号线屏蔽门的样式屏蔽门
1.3 数学模型
列车在地铁隧道中运行是一个瞬态过程，列
车的位置相对站台是时刻变化。

本文采用动态数
值仿真方法开展相关研究。

针对气流流动区域随
列车运动而改变的情况，运用动网格生成技术更
新网格，利用三维非稳态的不可压缩粘性流体的
湍流模型进行模拟[3] [4]。

图1-3给出了列车运行
速度和在隧道中的位置随时间变化曲线图。

列车
共持续51s ，列车从静止状态以1m/s 2加速度匀加
速运行18s ，后再匀速运行15s ，最后以-1m/s 2的
加速度匀减速停靠在车站隧道区，列车共行驶了
594m 。

壁面边界条件的设定拟将列车刹车时产生的热量设定为列车底部常热流边界条件，站台内乘客人体散热量设定为站台内地面
常热流边界条件，站台内照明散热量
设定为站台顶面常热流边界条件。

设
定值见表1-1。

压力边界条件设定分
两个时段：在列车车头驶过活塞风井
1之前列车启动段的隧道入口设为
pressure-inlet ，相对于室外环境压力取
值为10Pa ；楼梯出入口、活塞风井1、活塞风井2、隧道出口设为pressure-outlet ，压力值取室外大气压力95709Pa 。

列车车头驶过活塞风井1之后
将活塞风井1由pressure-outlet 边界条件改为pressure-inlet 边界条件，其余不变。

确定可控风口所处位置的区域后，本文主要探索可控风口的尺寸对可控风口处及站台内速度场、温度场的影响规律，验证过渡季采用该形式的风口可否实现站台良好的通风效果。

为此，本文分3种风口尺寸250mm ×250mm 、350mm ×350mm 、500mm ×500mm 进行模拟。

2 过渡季节可控风口对风口处及站台内气流特征分析
2.1可控风口尺寸对风口处气流特征的影响
图2-1（a ）~由图2-1（d ）分别给出了列车进站过程τ=10s 、τ=44s 时刻各个可控风口处z 轴方向的速度值。

由图2-1（a ）显示，进站τ=10时刻所有可控风口处z 轴方向的速度均值为负值，即列车在进站过程中所有可控风口处风速值均为负值，即气流流向站台，这与实际中列车进站过程中活塞风涌入站台的现象是一致的。

另外，从左至右可控风口处的风速逐渐增大，反映出在列车进站前阶段，离车头越近可控风口处的风速越大。

风口尺寸越小，风口处的速度值越大。

出现这种现象主要是因为风口尺寸越小，风口处风口处隧道侧和站台侧的压力差值较大。

由图2-1（b ）显示，进站τ=48时刻前10个可控风口气流速度均为正值，表明列车在此刻驶过第10个可控风口后前10个可控开始从站台内卷吸气流进入隧道。

这也表明，列车在驶离站台时列车后方的可控风口页是从站台内卷吸气流进入隧道，从而完成站
图1-3 列车的速度和位置随时间变化曲线
台的通风换气。

其余风口仍是活塞风从隧道涌向站台。

列车在驶入站台后各风口处的速度方向变化较为剧烈。

（a）τ=10s （b）τ=44s
图2-1风口尺寸对可控风口处风速的影响
（a）第1个可控风口（b）第20个可控风口
图2-2可控风口对风口处速度值随时间变化的影响
图2-2（a）~2-2（b）给出了第1个、第20个可控风口处的风速逐时变化曲线。

由图显示，在启动加速运行阶段（0s~18s），第1个可控风口处的风速值逐渐增大，且风口尺寸为250mm×250mm的情况下，变化更为剧烈。

在匀速运行阶段和制动减速运行阶段前期（18s~35s），第1个可控风口处的风速值变化较小，趋于平缓，且风口尺寸为350mm×350mm 和500mm×500mm时变化较风口尺寸为250mm×250mm更平缓。

第20可控风口处速度随时间变化规律与第1个可控风口处速度随时间变化规律相近，只是速度值比第1个可控风口处的速度值小。

另外，可控风口为250mm×250mm的情况下，在列车运行至匀加速阶段前期第1个可控风口处速度值超过了8.0m/s，且第20个可控风口处速度值超过了6.0m/s。

可控风口尺寸为350mm×350mm的情况下，在列车进站的大部分时间内，第1个、第20个可控风口处速度大小均处在 2.0m/s~6.0m/s之间，属于工程上较理想的送风范围。

可控风口为500mm×500mm的情况下，在列车启动运行阶第20个可控风口处的速度值不足2.0m/s。

2. 2 可控风口尺寸对站台内气流特征的影响
截取站台内2个Y-Z截面。

截面横坐标分别位于第1、20个风口中心线处，分别定义为FK-01，FK-20截面，且FK20截面穿过楼梯出入口位置。

图2-3（a）和图2-3（b）给出了τ＝18s时刻可控风口尺寸对站台内速度场的影响分布。

由FK-01截面速度分布图2-1（a）可知，风口尺寸为250mm×250mm的情况下，可控风口处的风速虽较大，但出流很快衰减，速度在0.5m/s以上的区域较小，影响不到距屏蔽门较远
的站台区的风环境，，也就会大大降低了站台远端的通风换气效果。

风口尺寸为350mm ×350mm 的情况下，可控风口的出流影响范围较大且风速较大的区域在距站台地平标高1.8m 以上的范围内，人员活动区的风速较低，保持在0.5m/s 以下。

风口尺寸为500mm ×500mm 的情况下，可控风口出流的的影响范围较大，分布不均匀，在乘客候车区风速局部超过了0.5m/s ，0.5m/s 以上的风速直接吹至乘客身体上半部分会使人产生不舒适感。

τ＝18s 时刻FK-20截面距列车的距离相对于FK-01截面较远，FK-20截面受活塞风影响会相对减弱。

由FK-20截面速度场分布图2-3（b ）可知，此隧道截面活塞风速有所降低，三种风口尺寸情况下的出流影响范围相对减小。

另外，截面穿过楼梯出入口，风口尺寸为350mm ×350mm 和500mm ×500mm 的情况下，气流均流向楼梯出入口位置，表明列车在进站过程中，活塞风通过可控风口涌进站台，然后通过楼梯出入口流向站厅和室外，可达到通风换气的目的。

但是，明显看出风口尺寸为500mm ×500mm 的情况下，楼梯出入口附近的风速较大（超过0.8m/s ）且不均匀，恶化了楼梯出入口附近的风环境。

而风口尺寸为250mm ×250mm 的情况下，气流并未流向楼梯出入口位置，
这样就大大削弱了站台内通风换气效果。

（a ）第1个可控风口 （b ）第20个可控风口
图2- 3 τ＝18s 时刻可控风口尺寸对站台内速度场的影响
图2-4（a ）和图2-4（b ）给出了τ＝51s 时刻可控风口尺寸对站台内温度场的影响分布。

由FK-01截面温度场分布图2-4（a ）可知，此截面处各方案下的站台人员活动区均保持在初始温度，温升不明显，且该截面地表处的温度相对于FK-20截面处略高。

这是因为，该截面靠近站台壁面，从可控风口涌入的活塞风对该截面的影响较小。

因此，该截面处通风效果相对较差，不能将人体散发的热量及时带走，而导致地表温度升高。

但实际中人体散热是空间分布的，故地表温度不至于过高。

由FK-20截面温度场分布图2-4（b ）可知，此截面处各工况下的站台人员活动区均仍保持在初始温度，温升不明显，且在楼梯出入口处没有因为活塞风的出流而升温。

这是因为是该截面处虽然涌入了较多的高温活塞风，但是所涌进的活塞风能及时地通过楼梯出入口排出，不会导致此截面处的温度升高。

可见，站台内温度场在过渡季节时受由可控风口涌入的活塞风的影响相对较小。

（a）第1个可控风口（b）第20个可控风口
图2-4 τ＝51s时刻可控风口尺寸对站台内温度场的影响
3结论
（1）在进站过程中列车活塞风通过可控风口涌入站台，部分活塞风通过楼梯出入口流向站厅和室外，部分活塞风可由列车驶离站台时卷吸而走，从而达到通风换气的目的。

（2）可控风口尺寸对列车进站过程中各时段各风口处的风速值明显相关，主要表现在风口尺寸较小时，风口处风速在运行至18s~23s时段较大，超出合理的送风范围。

风口尺寸较大时，风口处风速在列车运行过程中，风口处风速普遍偏小。

（3）可控风口尺寸对列车进站过程中站台内气流影响特征如下：速度场：风口尺寸为250mm×250mm的情况下，可控风口出流的影响范围较小，出流很快衰减，且气流未能经楼梯出入口流出；风口尺寸为350mm×350mm的情况下，可控风口出流的影响范围较大且风速较大的区域在人员活动区以上的范围内；风口尺寸为500mm×500mm的情况下，可控风口出流的的影响范围较大，分布不均匀，在乘客候车区风速较大。

温度场：仅当风口尺寸为500mm×500mm的情况下，站台内第10个可控风口中心截面处附近的区域的温度升高2℃，其他风口尺寸情况下温升不明显。

参考文献
[1] 沈翔.地下铁道活塞风特性的研究[D].上海：同济大学，2004，4
[2] 王春.地铁车站通风与火灾三维数值模拟研究[D].成都：西南交通大学，2005.
[3] 王福军，计算流动动力学分析[M]，北京：清华大学出版社，2004.3
[4] Chen parison of Different k-e Models for Indoor Airflow Computations. Numerical
Heat Transfer.PartB.Fundamentals.2002。