关于城市轨道交通环控系统研究方法的分析与探讨

摘 要： CFD（ 计算 流体动力学）是近年 发展 较快的一种计算机辅助设计技术，其作用是各种工况下气流组织的温度、速度场的模拟仿真。当前，国外已开始将CFD逐渐 应用 到地下空间领域，对地下空间的空气状况进行三维模拟、 分析 和 研究 。文章对CFD技术在城市轨道 交通 环控系统中的应用进行了分析和探讨。

关键词: 城市轨道交通; 环控系统;计算流体动力学

城市轨道交通中的地下车站和区间隧道是一个大型、狭长、与外界联系面较小的地下空间。密集的乘客、列车和各种机电设备的运行，以及连续的照明都会产生很大的热量，不及时排除就会导致地铁内温度逐年上升。此外，地铁内各种设备及列车运行引起的噪声、有害气体、列车活塞效应对车站空气环境的扰动，以及隧道内因潮湿造成的霉烂气味等都会使地下环境不断恶化。同时，当人流密集、空间狭小、密闭性高的地铁内发生事故、火灾时，人员的安全疏散和烟气的排除也是非常重要的 问题 。鉴于以上各种因素，必须设置环控通风系统，对车站和区间隧道内的温度、湿度、气流速度、噪声以及事故、火灾情况下人员安全疏散措施等进行全面控制。其中，有效、可靠的环控通风系统对保证地铁乘客的安全、舒适和确保设备运行及寿命是十分必要的。

地铁系统是一个由车站、隧道、出入口等构成的复杂的三维 网络 。地铁系统的环控模拟，主要是研究地铁内的不稳定空气动力学和热力学方面的问题，即地铁车站正常工况下的三维温度场、气流场分布、污染物浓度分布、平均空气年龄、人体舒适性的模拟研究以及地铁车站和隧道事故、火灾工况下的三维温度场、气流场分布、烟气流动状况等的模拟研究。 目前 国际上广泛认可使用、相对成熟、用于地铁环控模拟计算的软件是Subway EnvironmentSimulation，简称SES。该程序是由美国交通部于1975年开发的世界上第一个地铁环控计算机模拟软件。1976年，SES修改后被应用到公路隧道通风分析中；1985年，又增加了火灾的动态模拟。现在，SES已经从DOS版本升级为WINDOWS版并形成目前的第4版。该软件作为设计计算工具，可以模拟地铁内多列列车运行时车站、隧道和通风井的温度、湿度、风速以及车站的空调负荷。它允许用户模拟一定数量列车的动力与刹车系统；不同的环境控制系统（包括强制通风、车站空调与车轨排风）；设定的地下隧道与车站和通道连接所形成的空间内的空气流动；所希望的列车运行次序(包括由不同运行特性和发车间隔的列车的混合编组)；各种稳定与不稳定状态的热源；列车停在区间的紧急状况时机械通风与热浮力共同作用下所形成的空气运动；特别是能够模拟系统投入运行多年后热库对隧道的 影响 。对一个有大量列车运行的地铁，SES计算机模型提供动态的模拟过程，它允许对通过任何车站、区间、通风井和风机的空气速度、温度、湿度的连续读值，或在设定的时间获得空气参数的最大值、最小值、平均值。

SES软件主要由4个既独立又互相关联的子程序组成：列车运行子程序(Train Operation)，空气动力子程序(Aerodyanmic)，温度／湿度子程序( The rmodyanmic)，热壑／环控子程序(Heat Sink and ECS)。列车运行子程序可以计算列车的速度、加速度、位置及系统中所有列车的发热；空气动力子程序依靠这些列车参数再加上系统的几何组成与通风状况数据，计算所有车站、区间、通风井中的空气流量和气流速度；温度／湿度子程序利用空气动力学子程序得出的空气参数与列车运行子程序计算出的列车发热数据来计算系统中的显热与潜热，从而得到各处位置的温度和湿度。最后，列车运动子程序按气流速度推算列车附近活塞风作用。这些子程序计算出的地铁通风与热负荷数据同室外每日与年度气象条件参数一起，被热壑／环控子程序用来计算地铁内空气与隧道结构、周围土壤之间长期的热传导作用，同时也可以得到为使某些区间温度达到设计条件而所需的冷量。通过SES软件可以验证设计者所设定的地铁环控通风系统构成方案及系统运行模式的合理性，以便完成地铁环控通风系统的设计。需要注意的是该软件本身也存在着一定的局限性，例如SES的模拟原理是伯努利方程，这就决定了它无法反映车站及隧道内场分布的详细情况，只能将地铁系统简化为一维模型进行处理，只能计算某一点的气流速度大小，而具体的变化情况诸如方向和具体流动情况则无法反映，所以SES软件的最终输出结果是一维的，它只能从数据上计算特定断面的一些参数。而地铁系统中的车站及隧道部分显然是三维模型，因此，如果想了解地铁车站及隧道中空气的温度、速度等具体详细的分布情况就必须考虑借助使用其它的研究 方法 和手段来实现。

CFD(Computational FluidDynamics，即计算流体动力学)是 现代 模拟仿真技术的一种，是近年发展较快的一种计算机辅助设计技术。其作用是对各种工况下气流组织的温度、速度场等的模拟仿真。暖通空调制冷行业是CFD技术应用的重要领域之一，我国暖通空调制冷行业已有不少专家对CFD的应用研究开展了大量的工作，并取得了许多重要成果。自20世纪70年代末80年代初起，即已有一些高校、研究机构开始CFD技术的应用研究，20年来已取得许多重要的成就，研究的范围从以室内空气分布以及建筑物内烟气流动 规律 的模拟为主，逐渐扩展到室外及建筑小区绕流乃至大气扩散问题。近些年来，随着CFD计算技术的突飞猛进的发展，许多工程领域都有了成功利用它作为模拟评价、优化设计手段的实例。在隧道、地下铁道的通风工程中，CFD应用也成绩斐然。国内部分高等院校也开始利用CFD技术对地铁区间隧道及车站内各种工况下的空气流动和分布情况进行模拟研究。对于地铁环控通风系统设计，会有多种可选方案，所以计算机模拟的功能之一就是对多种方案的比选优化；对于正在筹建的地铁系统，其运营后的气流场与温度场无法进行现场测试，所以计算机模拟能够有效而可靠地对未建成的地铁系统进行预测；对已经建成的地铁系统，由于客流量较大，为了保证正常运营，有时在列车附近无法进行现场测试，但可以通过计算机模拟来进行计算分析。同时可以对一些过去没有经过 理论 计算的感性认识进行验证，例如隧道风的变化情况、排烟量对火灾温度场的影响等，过去只是通过一些想象进行推断，但是对具体变化情况及具体数据缺乏理论计算及 科学 论证，利用CFD方法，以上问题均可以得到解决和落实。采用CFD方法可以对地铁车站及隧道的温度场、气流场、污染物的浓度分布及排放、人体舒适性以及火灾情况下的通风模式、烟气流动状况及此情况下的温度场和气流场进行三维可视化仿真模拟。CFD的功能十分强大，它经过一次完整的计算后，就可以得到任意一个断面的任意方向上的温度、湿度、压力、平均空气年龄以及PPD（预期不满意百分率）与PMV（预期平均评价）等随时间的连续变化值。并且模拟得出的计算数据经处理后的可视化结果是十分直观形象的，因此，它所模拟出的结果较SES软件更加直观，得到的结果也更加具体，能够为地铁环控系统设计提供充分的依据。

图1为CFD模拟的输出结果，它进行的是三维计算，不但可以得到计算区域内任意时间的任意一点的各个参数值，而且可以处理成图1所示的结果，从中可以清晰地看到整个断面的温度分布情况。

利用CFD通过有效空间范围的三维几何模型的建立、数据化网格的划分、差分格式的确定以及边界条件的设置，可以对地下空间的相关环境因素和参数进行模拟 计算 。总体而言，CFD通常包含如下几个主要环节：建立数学物理模型，数值算法求解，结果可视化。经过对结果的比较、 分析 ，可以 总结 归纳出 影响 地下空间环境控制的各种因素，从而可以有针对性地采取相应的解决措施和办法，以便对地下空间环境进行有效的控制。它能够解决SES软件解决不了的一些 问题 。例如，我们利用CFD通过对地铁车站火灾工况进行模拟计算，根据得出的计算数据和直观形象化的结果（图

2、3）可以分析出火灾强度、火源位置、燃烧时间、烟气流动、排烟形式及排烟量等对地下车站内部空间环境的影响，由此可以制定有效的防排烟措施和人员疏散方案，保证火灾情况下地铁车站内的乘客及工作人员的安全撤离，同时为消防人员创造扑灭火灾的条件。类似这些直观形象化结果的比较和分析都是SES软件 目前 所不能做到的。SES软件虽然对地铁的地下车站、区间隧道以及铁路、公路隧道具有较强的适用性，而CFD则可以适用于包括地铁在内的所有地下空间，具有更广泛的 应用 范围和领域。

经过多年对地铁地下空间环境控制问题的 研究 以及具体工程项目设计的实践，我们认为将SES软件和CFD技术共同作为对地铁及相关的地下空间内部环境进行研究分析的手段和 方法 ，不仅可以对地铁环境控制系统运行的实际效果进行预测，同时还可以为建设方提供准确适宜的环境控制设计方案，从而确定适宜的方案措施及系统的运行模式，保证地铁及相关地下空间的正常运营和事故状态下的有效应对措施，为地铁工程的建设运营和相关城市地下空间的开发与利用提供有力的保障。

参考 文献

1Ming-Tsun Ke, Tsung-CheCheng, Wen-Por Wang. Numeri-cal simulation for optimizing thedesign of subway environmentalcontrol system. Building andEnvironment，2002，37

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2Jojo SML,ChowWK. Numeri-cal studies on performance evalu-ation of tunnel ventilation safety.Tunnelling and UndergroundSpace Technology，2000，18

(4)4欧阳沁，江泳，朱颖心，等.关于地铁隧道区间段阻塞工况临界通风速度的研究. 地铁与轻轨，2002

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