地铁活塞风的分析计算与有效利用

CD
≈
Δp ρ u 2σ
= C D ∞ (1 − β ) 2
2
（4）
将式（3）代入式（4），即可求得活塞风速 uh。式（4）中 L→∞时的地铁列车牵引系数 CD∞可由 SES 软件的使用手册查得。
1.2.2 三维非定常流动计算方法 1）数学物理模型
考虑到地铁隧道内活塞风的运动是一种非常复杂的非定常、不等熵湍流运动[4]，为了比 较并确认1.2.1节一维定常流动计算方法的可行性，本节考虑采用三维非定常流动计算方法进
地铁列车在进站或驶离车站过程中所产生的活塞效应及其活塞风，将对地铁隧道热环境 有很大的影响。据分析，列车运行过程中产生的热负荷占整个系统空调负荷的 90%，而此热 负荷大部分产生于区间隧道内。由于在隧道内的活塞效应产生的活塞风运动，导致了这部分 热负荷在整个地铁系统内的快速转移，进而严重影响地铁车站的热湿环境。因此，如何科学 合理地计算并评估地铁活塞风的影响，有效控制并利用地铁活塞风是非常重要的。
填补地铁列车尾部移动后形成空间的一部分空气来自环状空间，另一部分空气则来自地铁列
车驶离的车站（见图 1），该部分空气即为“活塞风”，这种现象也被称为“活塞效应”[3]。
驶离 2
车站A
2P
P Pf
1
0 P
2
P
b
L
列车
b
l
f
b
f
隧道
1 前方 1 车站B
L
x
图 1 地铁列车在区间隧道内运行过程中的压力分布 Fig.1 Pressure distribution in tunnel when train running
(The college of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100022 China) Abstract: To understand the piston-effect deeply, analyze on the formation of piston-effect and the air flow characteristics in the subway, the paper takes a operating subway in Beijing as a study object, compared the calculation results of SES and the commercial CFD software PHOENICS（3.6.1）, the two showed well accordance. At the same time the SES results and the field measurement results had been compared, and showed well accordance too. Then apply the result of study to a subway HVAC design in Beijing, a draft plan of the construction of ventilation shaft that could use the piston-effect effectively to reduce the HVAC energy consumption is put forward in the new subway project. Key words: Subway; piston-effect; numerical simulation; filed measurement; optimization
分析图 1 中地铁列车在区间隧道内的运行过程及其压力变化特点，由地铁列车牵引引起 的列车头部（front） 与尾部（back）的压差 Δp 以及区间隧道内沿长度方向的压力分布如
-2-
图 1 所示，故建立隧道内一维定常伯努力方程，可得列车前部（front）与后部（back）的静 压差Δp：
Δp
=
pf
机械风井
车站A
中间联络通道
上行
下行
活塞风井
车站B
2.1 计算条件 1）SES 计算条件
图 2 计算地铁系统大样图 Fig.2 Calculation part of the subway system
中图分类号：U231.5
文献标识码：A
Numerical Analysis and Effectively Using of Piston-effect in Subway
REN Ming-liang, CHEN Chao, GUO Qiang, YANG Ying-xia, KANG Guo-qing, LUO Hai-Liang
1 活塞风及其计算
1.1 活塞风的形成 地铁列车在区间隧道行驶时，由于隧道边壁大大限制了空气的流动，列车前部空气受挤
压，压力升高；被排挤的空气一部分以压缩波的形式沿隧道向前流动，另一部分空气则通过
列车与隧道之间的环状空间向列车后方流动；环状空间的长度越长，在环状空间中流动气流
的阻力也越大，同时列车前端的空气压力也越高，列车尾部空气负压也将达到最大值。此时，
的 Ke 等[2]使用 PHOENICS 分析了活塞风引起的压力变化对地铁屏蔽门的影响。 本研究拟从活塞风的形成机理、活塞效应作用于地铁隧道内空气流动特性进行分析，并
结合 SES 软件以及由英国 CHAM 公司开发的三维计算流体分析软件 PHOENICS（3.6.1），以 北京地铁实际工程为研究案例，进一步认识活塞风对地铁系统空气流动特性的影响规律。
d
l σ
⎟⎞ ⎠
⎟⎞ ⎟⎠
（2）
式中：β为活塞风速与地铁列车速度之比，β=uh/u。
对式（2）作移项处理，可建立地铁列车牵引系数 CD 与活塞风 uh 的关系：
CD
=
Δp ρ u 2σ
−
f t ⎜⎜⎝⎛ σ
− β (σ (1 − σ
−
)2
β
) ⎟⎟⎠⎞⎜⎝⎛
d
l σ
⎟⎞ ⎠
2
（3）
对式（1）做移项处理，可得 u h =
考虑到式（1）中的Δp 同时也与地铁列车运行速度 u、牵引系数 CD、地铁列车长度 l、 地铁列车水力直径 d、堵塞比σ、以及地铁列车壁面粗糙度 ft 等参数有关，可建立Δp 与上述
影响因素的关系式（2）：
Δp =
ρ 2
u
2σ
⎜⎛ ⎜⎝
C
D
+
f t ⎜⎜⎝⎛ σ
− β (σ (1 − σ
−
)2
β
)
⎟⎟⎠⎞⎜⎝⎛
-4-
下行线的隧道断面尺寸均为 4.25m（宽）×5m（高）；车站设置机械风井；车站两端设置迂 回风道用以降低区间活塞风对站台的影响；地铁列车单辆车厢几何尺寸为 3m（宽）×3.5 m （高）×20 m（长），6 辆编组，长 120m。地铁列车从驶离车站 B 经过区间隧道抵达前方车 站 A，区间运行距离约 1290m、运行时间 96s。
+
ηi
∂u i ∂x j⎜⎛ Βιβλιοθήκη ui ⎜⎝ ∂x j+
∂u j ∂xi
⎟⎟⎠⎞ − ρε
（10）
式中：c1、c2 、 Cμ 均为经验系数；k 为湍流动能；ε为湍流动能耗散率； σ k 、 σε 为常数。
2）初始条件与边界条件 初始条件：初始各方向风速均为零，忽略了重力对流场的影响。 边界条件：地铁区间隧道两端的气流出口取压力出口边界条件，定义出口相对于大气压
关于地铁活塞风计算方法，目前采用较多的是美国交通部开发的一维地铁环境模拟软件 SES(Subway Environment Simulation) 软件，如，芝加哥、波斯顿、中国香港、广州等几十个 城市的地铁通风设计都采用了 SES 模拟软件；另外，一些其他的商业计算流体软件，如， Kim 等[1]使用 CFX4 对地铁列车在隧道内加减速运动中引起的活塞风进行了分析；台北科技大学
−
pb
=
ρ 2
u h 2 ⎢⎣⎡C Δpo
+
f D
(L
−
l)
+
C
Δ pi
⎤ ⎥⎦
（1）
式中： D 为隧道水力直径（m）； L 为区间隧道长度（m）；l 为地铁列车长度（m）； uh 为活塞风速（m/s）； f 为区间隧道壁面阻力系数；CΔpo 与 CΔpi 分别为区间隧道出、入口的局 部阻力系数，它们可通过实验的方法得知。
业计算软件 PHOENICS（3.6.1）的计算结果，两者计算结果具有较好的一致性；同时将 SES 软件计算结果
与现场实测结果进行了比较，有较好的一致性；进一步将研究结果应用于正在设计中的北京某地铁通风空
调工程设计，提出通过在地铁区间隧道内合理设置活塞风井，有效利用活塞风减少空调能耗的设计方案。
关键词：地铁；活塞风；数值模拟；实测分析；节能优化
（7）
式中： ρ 为密度；t 为时间；v 为速度矢量；T 为空气温度； λ 为导热系数；cp 为定压比热；
φ为速度变量，代表三个坐标方向上的分速度；η 为动力粘度；ST、Sφ为广义源项。
考虑到地铁隧道内空气流动的速度较小，为亚音速流动，其马赫数 M<1，而且当气流速 度小于 68m/s 时，其密度变化为 1%时，密度的变化很小[5]，因此可将地铁系统内空气流动视
-3-
行比较分析。建立地铁系统内空气流动控制方程，即连续性方程、能量方程、动量方程分别
为：
∂ρ + div(ρv) = 0 ∂t
（5）
∂(ρT ) + div(ρvT ) = div( λ
∂t
cp
gradT ) + ST
（6）
∂( ρφ ) ∂t
+
div( ρvφ )
=
div(ηgradφ )
+
Sφ
地铁活塞风的分析计算与有效利用
任明亮，陈 超,郭 强，杨英霞，康国青，罗海亮
（北京工业大学 建筑工程学院，北京 100022）
摘要：为了对地铁活塞风有一个比较全面和深入的认识与了解，对活塞风的形成机理及其作用于地铁隧道
内的空气流动特性及影响规律进行了分析；以北京正在运营中的某地铁为研究对象，比较了 SES 与 CFD 商
为不可压缩流动。
考虑地铁系统内空气流动状态为不可压缩非稳态湍流，可采用湍流输运模型中的 k-ε二 方程模式对地铁车站和区间隧道的空气流动状态进行三维湍流模拟[6]。
湍流粘性系数ηt 的方程、湍流动能耗散率的控制方程、湍流动能的控制方程分别为：
ηt = ρCμ k 2 / ε
（8）
ρ ∂ε ∂t
+ ρuk
2Δp
。显然，当区间隧道
⎢⎣⎡C Δpo
+
f D
(L
− l)
+
C Δpi
⎤ ⎥⎦
ρ
长度 L→∞时，区间隧道内活塞风速 uh→0；又因β=uh/u，则可视β=0。此时，式（3）中
的牵引系数 CD∞仅与隧道堵塞比σ、地铁列车几何参数（主要是 l/d）、地铁列车壁面粗糙度
ft 等参数相关。根据现场实测结果，可近似认为 CD 与 CD∞有如下关系：
1.2 活塞风的计算 1.2.1 一维定常流动计算方法
根据活塞风的形成机理及其形成过程，并考虑到地铁区间隧道是一个长宽比很大的细长 空间，其长度 L 远远大于其水力直径，本研究考虑将地铁区间隧道内活塞风的运动简化为一 维流动，并依据一维地铁环境模拟软件 SES 对地铁区间隧道内活塞风流动特性进行模拟分析 (本计算主要参考 SES 软件的使用手册——SUBWAY ENVIRONMENTAL DESIGN HANDBOOK VolumeⅠ，1997)。
收稿日期：2007-12-06 基金项目：北京市“供热、供燃气、通风及空调工程”重点实验室资助项目（KF200611） 作者简介：任明亮（1981-），男，山西大同人，硕士生，主要研究方向为地铁热环境.陈超（联系人），女，教授， 博士生导师，电话（Tel.）:01086395963；E-mail:chenchao@
力为 0Pa，即没有附加的压力作用；区间隧道壁面为壁面无滑移边界条件；地铁列车为移动 边界条件。
2 计算结果验证
取北京某地铁线中的车站 A 和 B 以及它们之间的区间隧道作为计算对象进行分析（见 图 2），考察地铁列车沿上行线方向从驶离车站 B 向前方车站 A 运动过程中，所产生活塞风 对隧道内气流流动特性的影响。 车站 A、B 均为双层岛式车站；其间区间隧道长 1290m，上、
∂ε ∂xk
=∂ ∂xk
⎢⎢⎣⎡⎜⎜⎝⎛η
+
ηt σε
⎟⎟⎠⎞
∂ε ∂xk
⎤ ⎥ ⎥⎦
+
c1ε k
η
t
∂ui ∂x j
( ∂ui ∂x j
+
∂u j ∂xi
)
−
c2 ρ
ε2 k
（9）
ρ ∂k ∂t
+ ρu j
∂k ∂x j
=
∂ ∂x j
⎢⎢⎣⎡⎜⎜⎝⎛η
+ ηt σk
⎟⎟⎠⎞
∂k ∂x j
⎤ ⎥ ⎥⎦