活塞效应与地铁车站新风换气概述
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-3
tf
-4 -5
tatb tc td tetftg
tg
单活塞风井模式空气压力变化特性
列车运行速度
压力(Pa)
40 30 20 10
0 0
-10 -20 -30
50
100
150
列车驶向车站 列车驶停泊车站
ta tb tc td tf
A口 B口 A井 B井
列车驶离车站
时 间(s)
200
250
ta tb tc~td tf
广州1997
数据来源: 2012年中国城市轨道交通年报
北京地铁发展
1970s，1、2号线 2013年，16条线路 10号环线全线贯通
1000km ·
527km
2020年
数据来源: www.jinghua.com
问题
1. 地铁车站内空气品质
PM CO2
如何实现地铁系统的节能减排？
2. 地铁环控系统能耗巨大
1000
1500
下行线列车行程(m)
2000
双活塞风井模式空气压力变化特性
A井C井 A口
B井D井
B口
40
30
20
10
压力(Pa)
0
列车运行速度
0 -10
-20
-30
-40
50
100
150
列车驶向车站 列车驶停泊车站
tatb tc td tetftg
A口 B口 A井 B井 C井 D井
时 间 (s)
t
室外新风 被吸入
站台门对活塞效应的影响
无站台门
理论分析
半高安全门
全高安全门
实验测试
屏蔽门
除屏蔽门外，其他站台门形式对活塞效应的影响很小
活塞风井模式对活塞效应的影响
双活塞风井模式
单活塞风井模式
活塞风井在出站端
活塞风井在进站端
如何有效利用地铁活塞效应
列车进站时：将隧道及车站废热空气及时排至室外
进站端活塞风井
井
总网格数为2100,000个
A口
➢ 标准k- ε湍流模型
➢ PISO算法
B口
B井 D井
计算方法有效性验证
B口风速计算值与实测值对比
B通 道风 速 (m/s)
6
计算值
4
2
时 间（ s）
0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
-2
实测值
-4
-6
96s
wk.baidu.com
126s
列车到站 列车离站
活塞风井排风率ε1:68.8%
A井 C井 A口
B井 D井 B口
单活塞风井设置模式
活塞风井排风率ε1:56.8%
A井 A口
B井 B口
总排风量：11786m³
总排风量：11215m³
单、双活塞风井设置模式比较
列车离站 （进风）
-8
主要内容
1、地铁发展现状及问题 2、如何高效利用地铁活塞效应 3、CFD动网格分析方法 4、计算结果分析 5、结论
计算结果分析 双、单活塞风井模式的影响比较
地铁活塞效应作用下的隧道空气压力分布
下行线列车
上行线列车
压力(Pa)
300
200
100
0 0
-100
-200
-300
下行线 上行线
500
单活塞风井模式空气速度变化特性
列车运行速度
速度(m/s)
6
A口
5 4
B口 A井
ta
B井
3
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tb
列车驶离车站
1
0
-1 0
50
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列车驶向车站 列车驶停泊车站
时 间(s)
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tc~td tf
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单、双活塞风井设置模式比较
列车进站 （排风）
双活塞风井设置模式
a
t
b
tc~td
200
250 t
e
t
列车驶离车站
f
t
g
双活塞风井模式空气速度变化特性
A井C井 A口
B井D井
B口
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1
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列车运行速度
-1 0
A口 B口 A井 B井 C井 D井
列车驶离车站
ta tb tc~td
时 间(s)
50
100
150
200
250 te
速度(m/s)
-2
列车驶向车站 列车驶停泊车站
列车离站时：将更多室外空气通过出入口引入地铁车站内
地铁活塞效应有效利用的评价指标
列车进站时：
活塞风井排风率ε1
=
活塞风井排风量
活塞风井排风量+地面出入口排风量
列车离站时： 地面出入口进风率ε2
=
地面出入口进风量
活塞风井进风量+地面出入口进风量
如何定量确定进、排风量？
主要内容
1、地铁发展现状及问题 2、如何高效利用地铁活塞效应 3、CFD动网格分析方法 4、计算结果分析 5、结论
基本计算求解思路
列车运行速度
三维复杂流动 列车运动导致流场形状随时间改变 列车运动速度变化
一维模拟软件（SES） 静网格
CFD动网格模型
CFD动网格模型
Fluent 动网格模型
动网格模型可以用来模拟流场形状由 于边界运动而随时间改变的问题。例如 内燃机、阀门、弹体投放和火箭发射都 是包含有运动部件的例子。
➢ 动态辅层模式(dynamic layering)
适用于与运动边界相邻的网格为结构型网格 的模型，网格更新时的合并因子与分割因子可分 别设置。
计算对象
鼓楼大街站
A井 C井 A口
B井 D井 B口
1200m
安定门站
140m
雍和宫站
736m
分析问题
A井 C井
1. 双、单活塞风井模式哪种好？ 算
A口
例
边界的运动形式可以是预先定义的运 动，即可以在计算前指定其速度或角速 度。
列车运行速度
动网格模型守恒方程
(1)
速度向量 移动网格的网格速度
时间导数项,可用一阶向后差分格式写成:
(2)
n和n+1代表不同的时间层
网格构筑方式
➢ 弹簧光滑模式(spring-based smoothing)
➢ 局部重画模式(remeshing)
2. 活塞风井距离站台端多少合适？ 1
3. 区间隧道长度变化对活塞效应 的影响？
A井
算
A口
例
2
50m
A
算 井 A口 例
3
100m
B井D井 B口
B井 B口
B井 B口
求解方法
建模 网格划分
方程及边界条件离散化
求解
否
解收敛否？
是
结果分析
➢ 以安定门车站及相连区间隧道为原型
C井
➢ 区间隧道动网格， A
车站及风井静网格
活塞效应和地铁车站新风换 气概述
主要内容
1、地铁发展现状及问题 2、如何高效利用地铁活塞效应 3、CFD动网格分析方法 4、计算结果分析 5、结论
中国地铁发展
截至2013年3月 17 城市运营中，64条线路, 运营里程2000km
12 城市建设中 24 城市规划中
北京1969 天津1976
上海1995
自控 16%
列车 53%
数据来源: 北京地铁通风空调系统优化与节能研究课题研究报告(2011)
主要内容
1、地铁发展现状及问题 2、如何高效利用地铁活塞效应 3、CFD动网格分析方法 4、计算结果分析 5、结论
地铁活塞效应
列车进站时 进站端活塞风井
出站端活塞风井
区间隧道 及站内废 热气排出
地铁车站及区间隧道结构形式决定 着地铁活塞效应引起的区间隧道及车站 列车离站时 内的空气流动特性
tf
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tatb tc td tetftg
tg
单活塞风井模式空气压力变化特性
列车运行速度
压力(Pa)
40 30 20 10
0 0
-10 -20 -30
50
100
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列车驶向车站 列车驶停泊车站
ta tb tc td tf
A口 B口 A井 B井
列车驶离车站
时 间(s)
200
250
ta tb tc~td tf
广州1997
数据来源: 2012年中国城市轨道交通年报
北京地铁发展
1970s，1、2号线 2013年，16条线路 10号环线全线贯通
1000km ·
527km
2020年
数据来源: www.jinghua.com
问题
1. 地铁车站内空气品质
PM CO2
如何实现地铁系统的节能减排？
2. 地铁环控系统能耗巨大
1000
1500
下行线列车行程(m)
2000
双活塞风井模式空气压力变化特性
A井C井 A口
B井D井
B口
40
30
20
10
压力(Pa)
0
列车运行速度
0 -10
-20
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100
150
列车驶向车站 列车驶停泊车站
tatb tc td tetftg
A口 B口 A井 B井 C井 D井
时 间 (s)
t
室外新风 被吸入
站台门对活塞效应的影响
无站台门
理论分析
半高安全门
全高安全门
实验测试
屏蔽门
除屏蔽门外，其他站台门形式对活塞效应的影响很小
活塞风井模式对活塞效应的影响
双活塞风井模式
单活塞风井模式
活塞风井在出站端
活塞风井在进站端
如何有效利用地铁活塞效应
列车进站时：将隧道及车站废热空气及时排至室外
进站端活塞风井
井
总网格数为2100,000个
A口
➢ 标准k- ε湍流模型
➢ PISO算法
B口
B井 D井
计算方法有效性验证
B口风速计算值与实测值对比
B通 道风 速 (m/s)
6
计算值
4
2
时 间（ s）
0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
-2
实测值
-4
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96s
wk.baidu.com
126s
列车到站 列车离站
活塞风井排风率ε1:68.8%
A井 C井 A口
B井 D井 B口
单活塞风井设置模式
活塞风井排风率ε1:56.8%
A井 A口
B井 B口
总排风量：11786m³
总排风量：11215m³
单、双活塞风井设置模式比较
列车离站 （进风）
-8
主要内容
1、地铁发展现状及问题 2、如何高效利用地铁活塞效应 3、CFD动网格分析方法 4、计算结果分析 5、结论
计算结果分析 双、单活塞风井模式的影响比较
地铁活塞效应作用下的隧道空气压力分布
下行线列车
上行线列车
压力(Pa)
300
200
100
0 0
-100
-200
-300
下行线 上行线
500
单活塞风井模式空气速度变化特性
列车运行速度
速度(m/s)
6
A口
5 4
B口 A井
ta
B井
3
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tb
列车驶离车站
1
0
-1 0
50
100
150
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列车驶向车站 列车驶停泊车站
时 间(s)
200
250
tc~td tf
-3
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ta tb tc td tf
-5
单、双活塞风井设置模式比较
列车进站 （排风）
双活塞风井设置模式
a
t
b
tc~td
200
250 t
e
t
列车驶离车站
f
t
g
双活塞风井模式空气速度变化特性
A井C井 A口
B井D井
B口
6
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4
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1
0
列车运行速度
-1 0
A口 B口 A井 B井 C井 D井
列车驶离车站
ta tb tc~td
时 间(s)
50
100
150
200
250 te
速度(m/s)
-2
列车驶向车站 列车驶停泊车站
列车离站时：将更多室外空气通过出入口引入地铁车站内
地铁活塞效应有效利用的评价指标
列车进站时：
活塞风井排风率ε1
=
活塞风井排风量
活塞风井排风量+地面出入口排风量
列车离站时： 地面出入口进风率ε2
=
地面出入口进风量
活塞风井进风量+地面出入口进风量
如何定量确定进、排风量？
主要内容
1、地铁发展现状及问题 2、如何高效利用地铁活塞效应 3、CFD动网格分析方法 4、计算结果分析 5、结论
基本计算求解思路
列车运行速度
三维复杂流动 列车运动导致流场形状随时间改变 列车运动速度变化
一维模拟软件（SES） 静网格
CFD动网格模型
CFD动网格模型
Fluent 动网格模型
动网格模型可以用来模拟流场形状由 于边界运动而随时间改变的问题。例如 内燃机、阀门、弹体投放和火箭发射都 是包含有运动部件的例子。
➢ 动态辅层模式(dynamic layering)
适用于与运动边界相邻的网格为结构型网格 的模型，网格更新时的合并因子与分割因子可分 别设置。
计算对象
鼓楼大街站
A井 C井 A口
B井 D井 B口
1200m
安定门站
140m
雍和宫站
736m
分析问题
A井 C井
1. 双、单活塞风井模式哪种好？ 算
A口
例
边界的运动形式可以是预先定义的运 动，即可以在计算前指定其速度或角速 度。
列车运行速度
动网格模型守恒方程
(1)
速度向量 移动网格的网格速度
时间导数项,可用一阶向后差分格式写成:
(2)
n和n+1代表不同的时间层
网格构筑方式
➢ 弹簧光滑模式(spring-based smoothing)
➢ 局部重画模式(remeshing)
2. 活塞风井距离站台端多少合适？ 1
3. 区间隧道长度变化对活塞效应 的影响？
A井
算
A口
例
2
50m
A
算 井 A口 例
3
100m
B井D井 B口
B井 B口
B井 B口
求解方法
建模 网格划分
方程及边界条件离散化
求解
否
解收敛否？
是
结果分析
➢ 以安定门车站及相连区间隧道为原型
C井
➢ 区间隧道动网格， A
车站及风井静网格
活塞效应和地铁车站新风换 气概述
主要内容
1、地铁发展现状及问题 2、如何高效利用地铁活塞效应 3、CFD动网格分析方法 4、计算结果分析 5、结论
中国地铁发展
截至2013年3月 17 城市运营中，64条线路, 运营里程2000km
12 城市建设中 24 城市规划中
北京1969 天津1976
上海1995
自控 16%
列车 53%
数据来源: 北京地铁通风空调系统优化与节能研究课题研究报告(2011)
主要内容
1、地铁发展现状及问题 2、如何高效利用地铁活塞效应 3、CFD动网格分析方法 4、计算结果分析 5、结论
地铁活塞效应
列车进站时 进站端活塞风井
出站端活塞风井
区间隧道 及站内废 热气排出
地铁车站及区间隧道结构形式决定 着地铁活塞效应引起的区间隧道及车站 列车离站时 内的空气流动特性