基于动网格的地铁活塞效应非稳态气流模拟

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隧道内列车活塞风效应数值模拟分析

隧道内列车活塞风效应数值模拟分析崔景东;李炎;刘炎举;黄帅帅【摘要】随着长及特长单线铁路隧道的大量修建,利用列车活塞风改善隧道内空气质量,降低隧道通风能耗已成为可能.采用数值模拟方法以英国Patchway隧道作为物理模型,利用Flunet17.0软件建立相应动网格模型.模拟计算获得的活塞风速平均值与实测值吻合度较好,表明该模拟方法准确性较高.在此基础上,改变行车速度,对隧道内列车活塞风效应做系列模拟计算.研究结果表明:以patchway隧道和列车数据为基本参数,列车行车速度每增加5m/s,平均活塞风速约以19.48％递增,平均增压约以50％左右递增,表明列车行车车速与活塞风速、风压存在正相关关系.该研究可为工程上列车活塞风效应估算提供借鉴.【期刊名称】《制冷与空调（四川）》【年(卷),期】2019(033)002【总页数】6页(P188-192,202)【关键词】隧道;活塞风效应;数值模拟【作者】崔景东;李炎;刘炎举;黄帅帅【作者单位】兰州交通大学环境与市政工程学院兰州 730070;兰州交通大学环境与市政工程学院兰州 730070;兰州交通大学环境与市政工程学院兰州 730070;兰州交通大学环境与市政工程学院兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】U459.1列车在隧道内运行时引起活塞风属自然通风范畴。

随着国内长及特长单线铁路隧道和城市地铁大量修建，合理利用活塞风改善隧道内空气质量，降低单线隧道通风能耗成为可能。

国内外学者对活塞风相关问题已有一定研究。

研究内容主要涉及两方面，一是列车在不同运行状态下（会车、驶向救援站等）活塞风变化情况[1,2]，二是不同行车速度下列车活塞风速及风压变化规律[3-8]。

研究方法主要是数值模拟法，本文也采用数值模拟方法研究隧道内列车活塞风效应，通过将模拟计算活塞风速平均值与实测值相对比，验证计算方法正确性。

在此基础上，模拟不同列车速度在隧道内运行，对活塞风速和风压变化规律。

活塞风作用下地铁车站站厅火灾烟气流动特性的数值模拟研究

２．中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥
２３００２７；
４７３０００）
摘
要：以开敞式地铁车站为例，将列车、隧道、站厅层和站台层均简化为长方体并建立车站三维模型；
利用流体动力学软件Ｆｌｕｅｎｔ，采用压力基求解器和ＳＩＭＰＬＩＣ算法，研究活塞风作用下站厅火灾的烟气流动特性，并分析增设迂回风道和竖井对于削弱活塞风影响的效果。结果表明：站厅层空气流场结构在活塞风的作用下将会发生复杂的变化；站厅火灾发生后，在机械排烟、热浮力以及活塞风的共同作用下，站厅烟气分层现象遭到破坏；各楼梯口处气流速率变化剧烈，气流方向多次改变，并导致站厅层烟气被吸入站台层；增设迂回风道和竖井能够有效地削弱活塞风对起火站厅层烟气分层现象的破坏，延缓烟气侵入站台层的时间，减少侵入站
台层的烟气量。
关键词：地铁车站；烟气流动；活塞风；站厅火灾；迂回风道；竖井
中图分类号：Ｕ２３１．９６文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ — ４６３２．２０１３．０４．２０
根据站台是否与区间隧道相通可以将地铁车站分为封闭式、半封闭式和开敞式３类。早期修建的地铁站由于资金、技术等原因多为开敞式。当列车
在区间隧道中运行时，由于隧道壁的限制，列车所
用小尺寸模型实验和数值模拟方法对站厅火灾烟气

地铁隧道活塞风实测及特征分析

工况1以下行线为测试线路，分别在冬季早高峰7∶10～7∶45时段和夏季晚高峰17∶00～17∶30时段进行，冬、夏季测试时段内下行线分别共有5或6趟列车经过市图书馆站。监测了站台隧道及活塞风道内1，3，5和7测点处的风速和温度，其动态变化曲线分别如图3～4所示。
可见，各测点的风速和温度随着列车的驶入和驶离呈周期性的变化。活塞风道内的测点VP1和VP3受室外进出气流的影响不仅风速变化显著，而且温度也起伏有序地变化。冬季活塞风道中测点VP1和VP3风速的波动幅度较夏季的小，且其温度冬、夏季分别在3～14 ℃和28～35 ℃之间波动。站台隧道进站端测点VP7的风速波动幅度比出站端测点VP5的风速波动幅度大，但因其均处于隧道内部，故温度整体稳定，仅有微小波动。冬季早高峰测点VP5温度为17.49 ℃左右，VP7的为18.54 ℃左右；夏季晚高峰测点VP5温度为26.02 ℃左右，VP7的为25.59 ℃左右。
1.1 测试仪器
测试仪器选用能达到微风启动的、可以同时测量温度、湿度、风速、压力等多个参数、储存容量约为1.8 G的 Testo480多功能测量仪，内置2个K型热电偶接头和3个数字探头，该仪器由一高度约为1.3 m的三脚架支撑。该仪器温度测量范围为-200.0～+1 370.0 ℃，精度为±(0.3 ℃+测量值的0.1%)；所内置的差压传感器的量程为-25～25 hPa，精度为±0.3 Pa，分辨率为0.1 Pa；内置的大气压传感器的量程为700～1 100 hPa，精度为±3 hPa，分辨率0.1 hPa；内置的热线风速传感器的量程为0～20 m/s，精度为±0.03 m/s，分辨率为0.01 m/s。
根据流体力学的基本原理，当管内流体雷诺数Re>4 000时，流动逐渐转化为湍流。地铁活塞风可视为湍流，且整个流动横断面上的速度及温度分布比较均匀，可近似视为沿隧道方向的一维流动[4-5]。因此，监测隧道横断面上某点的风速可代表整个断面的平均风速。

地铁活塞风的分析计算与有效利用

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、
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。
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
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

基于fluent与pyrosim的火灾情况下地铁活塞风效应模拟技术

科学技术创新2020.12基于Fluent 与Pyrosim 的火灾情况下地铁活塞风效应模拟技术谢知航（西安科技大学，陕西西安710000）地铁因方便、快捷、输运量大等优点，在构建城市快速立体交通网络发挥着越来越大的作用[1]。

但由于地下空间的封密性，也使其火灾风险倍受关注，特别是火灾烟气对人的致亡率最为突出[2]。

随着节能减耗的广泛倡导，多数中高纬度地铁站开始利用活塞风来带动地铁站内的空气流动以减少能源消耗，但火灾时活塞风可能会增加火灾烟气蔓延的不确定性，从而增加人员疏散疏导的难度。

对于地铁火灾烟气的流动特性许多学者已经进行了大量研究。

Manabu Tsukahara 等人[3]通过研究地铁站疏散楼梯处的火灾烟气分布规律，确定了人员的安全疏散路径；赵明桥[4]采用全比例实验，研究出了垂帘分区控制烟气扩散的方案。

也有许多学者针对地铁活塞风进行了研究。

贺江波、吴喜平、边志美等人[5]用恒定流理论作为活塞风简化计算模型，并利用MATLAB 软件对无竖井隧道、列车不同行驶位置下的活塞风进行了模拟，得到了活塞风风速变化规律。

目前针对活塞风对地铁火灾烟气蔓延影响的研究较少。

既要实现动态模拟列车产生的活塞风流动状态，又要研究活塞风流动状态对火灾烟气蔓延的影响，很难通过一个模拟软件实现，因此本文做了基于Fluent 与Pyrosim 的火灾情况下地铁活塞效应模拟。

1Fluent 与Pyrosim 概述1.1Fluent 软件概述Fluent 早在1998年就进入中国市场，在国内和国外的仿真领域具有非常大的影响力。

Fluent 软件特点如下[6]：（1）Fluent 软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，且具有基于网格节点和单元网格的梯度算法。

（2）Fluent 软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，局部网格重生是其独有的，主要应用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道的情况。

（3）Fluent 软件具有强大的网格支持能力，拥有多种基于解的网格自适应、动态自适应技术。

城市地铁活塞风对地铁环境的影响规律与有效应用分析

编号：AQ-JS-05998( 安全技术)单位：_____________________审批：_____________________日期：_____________________WORD文档/ A4打印/ 可编辑城市地铁活塞风对地铁环境的影响规律与有效应用分析Influence law and effective application analysis of piston wind on Subway Environment城市地铁活塞风对地铁环境的影响规律与有效应用分析使用备注：技术安全主要是通过对技术和安全本质性的再认识以提高对技术和安全的理解，进而形成更加科学的技术安全观，并在新技术安全观指引下改进安全技术和安全措施，最终达到提高安全性的目的。

活塞风通过隧道和出入口引起地铁环境的变化,是地铁能耗的重要影响因素，在过渡季节和冬季充分利用活塞风是实现地铁通风系统进一步节能的有效措施。

风口屏蔽门系统可有效利用活塞风,因其兼具安全、舒适的特点，较之传统的半高安全门系统和屏蔽门系统具有许多优点，重点探讨活塞风对地铁环境的影响规律、活塞风的有效利用对地铁通风空调系统能耗的影响和带风口屏蔽门系统在北方城市的适用性。

某城市地铁概况某城市地铁里程全长26.188公里，全线共设22座车站，其中高架站有8座，地下站有13座，地面车站有1座，站间距离最小为0.784公里，最大为1.624公里，平均为1.225公里，站台有效长度均为120m，站台两端部均有站端风井，每站4条，区间隧道有双跨矩形有中柱(双线单洞)、双跨矩形有隔墙、单跨矩形、圆型盾构四种，车站两端各有两个机械风井，既有线各区间中部均有两个机械风井，列车车厢尺寸长宽高值分别为19.52m、2.8m、3.51m，动车自重37t，拖车自重27t,带司机室车定员252人，一列载额定乘客列车总质量为298.2t。

安装了平均高度为1.4m的安全门，拓宽看乘客在候车时的站立空间,适当减少活塞风对站台的影响，降低列车进出站时产生的噪声，在过渡季和冬季还可以利用活塞风满足车站新风需求。

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

活塞往复泵内流场非稳态数值模拟

活塞往复泵内流场非稳态数值模拟2.2数学模型假设流体为不可压缩流动，忽略重力影响，且泵内为非定常流动。

流体在往复泵内部二维流动的控制方程为：分别为流体沿x轴、y轴方向的速度分量b为流体压强；为动力黏度。

2.3网格划分根据泵内流场特点采用结构化网格与非结构化网格相结合的划分方式，如所示。

因为液缸流场形状规则，且活塞移动方向垂直于边界，所以采用结构化网格有利于网格的动态更新。

而在单向阀阀芯运动区域，由于流场形状不规则，所以采用非结构化网格划分。

动网格更新方法采用动态层法和局部重划法。

液缸内结构化网格由动态层技术更新。

单向阀阀区的非结构化网格采用局部重划法更新。

与动态层法不同的是该方法将与运动边界相连的网格重新划分，而不是简单地增加网格层0. 2.4边界条件出口边界条件。

往复泵出口联通工作负载，其出口为压力边流体性质。

壁面边界条件。

与单向阀阀芯设置为刚性体（rigidbody）。

3仿真结果与分析 3.1往复泵内压强建立过程~6cm、行程1.5~3cm、运动频率为8、10、12Hz的组合工况进行模拟。

给出的是活塞及单向阀运动过程中流场不同时刻的压强等值线。

往复泵活塞从右极限位置到左极限位置的运动时间为50ms（活塞运动频率10Hz）。

可以看出0~25ms时刻活塞壁面向左做匀加速运动，同时单向阀开启，泵内压强升高，泵出口压强较为平稳，单向阀两端压差在逐渐增大。

这是由于活塞的匀加速运动使流速增加，相比阀芯的运动速度及阀门开度，质量流量依然呈增大趋势，导致阀两端的压差也在增大。

从25 ~50ms时刻活塞壁面向左做匀减速运动，单向阀关闭，泵内压强逐渐降低，单向阀两端压差逐渐减小。

47.5ms时活塞接近左极限位置，运动速度已大幅降低，泵出口回流显著增加。

这说明单向阀作用明显，在活塞停止运动时单向阀关闭，有效阻止了回流。

给出的是活塞在8、0和12Hz运动频率下，泵内的压强建立过程。

由可见：当结构参数定时，频率越高增压过程越迅速，所能达到的极限压强也有所增大。

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ＹｏｕＳｈｉｊｕｎ，ＸｕｅＰｅｎｇ，ＺｈａｎｇＨｕａｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）
进行分析．其中，实验选在装有安全门的运行车站，并记录列车运行时的测点风速．数值研究基于实验车站的全尺
寸模型，并利用动网格技术对其模拟．研究结果表明，采用标准ｋ－ｅ方程的模拟方法结果和实验数据吻合较好，证
明其适用于高雷诺数的隧道模拟研究．研究同时发现，活塞风在站台前后两个联接处（迂回风道和活塞竖井）中表现出比较稳定的分流和吸风比率，且无论在开式系统还是闭式系统状态下，进入迂回风道和吹入站台的风量是成特定
ｒｅａｌｓｔａｔｉｏｎｗｉｔｈｐｌａｔｆｏｒｍｂａｉｌｏｕｔｄｏｏｒｓ（ＰＢＤ）ａｎｄａｉｒｖｅｌｏｃｉｔｙｖａｒｉａｔｉｏｎｓｗｉｔｈｔｉｍｅｗｅｒｅｒｅｃｏｒｄｅｄ．Ｄｙｎａｍｉｃｍｅｓｈ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａａｎｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｌｆｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）ｍｅｔｈｏｄａｒｅｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｔｈｒｅｅ — ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｕｎｓｔｅａｄｙ
Ｖｂ１．４７ＮＯ．２
Ｆ非稳态气流模拟
由世俊，薛鹏，张欢
（天津大学环境科学与Ｔ程学院，天津３０００７２）
摘要：活塞效应是影响地铁隧道和站台气流非稳态流动的主要因素，为此采用现场试验和数值模拟的方法对气流
比例关系的．
关键词：标准ｋ－荫程；活塞风阀；迂回风道；全尺寸模型；分流比率
中图分类号：ＴＵ８３４文献标志码：Ａ文章编号：０４９３ — ２１３７（２０１４）０２ — ０１６８ — ０６
ｍｅｔｈｏｄｉＳｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｆｕｌ１．ｓｃａｌｅｍｏｄｅｌｉｎｔｈｅｕｎｓｔｅａｄｙｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｓｔａｎｄａｒｄｋ－ｅｅｑｕａ — ｔｉｏｎｉｓａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｏｒｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈＲｅｙｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒａｉｒｌｏｆｗｉｎｔｕｎｎｅｌａｎｄｓｔａｔｉｏｎａｓｉｔａｇｒｅｅｓｗｅｌｌｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ．Ｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔｓｐｅｃｉｉｃｆｄｉｖｅｒｓｉｏｎａｎｄｓｕｃｔｉｏｎｒａｔｉｏｓｉｎｅａｃｈｃｈａｎｎｅｌｏｆｔｈｅａｉｒｌｏｆｗｏｒｆｐｉｓｔｏｎｗｉｎｄ．Ａｎｄｔｈｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｂｙｐａｓｓｄｕｃｔａｎｄｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｓｔａｂｌｅｉｎｅｉｔｈｅｒｏｐｅｎｓｙｓｔｅｍｏｒｃｌｏｓｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｉｓｓｔｕｄｙｃａｎｂｅｕｔｉｌｉｚｅｄａｓｂａｓｉｃｄａｔａｆｏｒｏｐｅｒａｔｉｎｇｔｕｎｎｅｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔａｎｄａｒｄｋ－ｃｅｑｕａｔｉｏｎ；ｄｒａｕｇｈｔｒｅｌｉｅｆｓｈａｆｔ；ｂｙｐａｓｓｄｕｃｔ；ｆｕｌｌ — ｓｃａｌｅｍｏｄｅｌ；ｄｉｖｅｒｓｉｏｎｒａｔｉｏ
第４７卷
第２期
２０１４年２月
Ｄ０Ｉ：１０．１１７８４／ｔｄｘｂｚ２０１２０７０６２
天津大学学报（自然科学与工程技术版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）
ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＵｎｓｔｅａｄｙＡｉｒｌｏｆｗｉｎＳｕｂｗａｙＩｎｌｕｅｆｎｃｅｄｂｙＰｉｓｔｏｎＥｆｆｅｃｔＢａｓｅｄｏｎＤｙｎａｍｉｃＭｅｓｈ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｉｓｔｏｎｅｆｅｃｔｈａｓｇｒｅａｔｉｎｌｕｆｅｎｃｅｏｎｕｎｓｔｅａｄｙａｉｒｌｏｆｗｉｎｔｈｅｓｕｂｗａｙｓｔａｔｉｏｎａｎｄｔｕｎｎｅ１．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｉｎ — ｓｉｔｕ
ａｉｒｆｌｏｗｉｎｔｈｅｓｕｂｗａｙｓｔａｔｉｏｎａｎｄｔｕｎｎｅｌＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｒａｉｎ — ｉｎｄｕｃｅｄｕｎｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｉｎｌｆ