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地铁站台送风射流与活塞风耦合作用速度特性理论分析_王丽慧

82 暖通空调HV&AC 2015年第45卷第1期

专题研讨

地铁站台送风射流与活塞风耦合

作用速度特性理论分析*

上海理工大学 王丽慧☆

同济大学建筑设计研究院 杜晓明

上海申通轨道交通研究咨询有限公司 郑 懿上海理工大学 陶 辉 黄 晨

摘要 在既有横流理论基础上,通过理论建模得到站台活塞风与送风射流动态耦合速度场数学模型,该模型得到了液体缩尺模型试验的验证,两者的偏差在10%以内。由理论解析求解进一步分析得到这两股气流耦合轴心轨迹分3个阶段变化;并得到耦合射流轨迹与水平面夹角、轴心速度等特征参数的动态及典型时刻变化特性。

关键词 送风射流 活塞风 耦合 速度场 射流轨迹 液体缩尺模型 试验台 地铁站台

Theocharacteristicsofreticalanalsisonairvelocit     yy 

underroundrailwalatformconditionedb   gypy 

airetcouledwithistonwind     jpp

i★,minBWanLihuDu XiaoZhenYi,Tao Huiand HuanChen g,y g g g 

,bstlowtractasedontheexistincrossheordevelosthemathematicalmodelofcouledvelocitAf  B         -gyppy 

,wistonwindhichisvalidatedbtheliuidscalemodeltestwithadeviationof10%.fieldofairetand                  jpyq etsofthetwoairstreamscanbedividedintoTheanalticsolutionshowsthattheaxistraectorofcouled                 jyjyp 

,laneaswellashases.Obtainsthevariationoftheanlebetweenthetraectorandthehorizontalthree              ppgjy arametersdurinboththednamicrocessthevariationfeatureofaxisvelocitandothercharacteristic            ppgyy  eriod.andthetical   pyp

,,,,,,,Kewordssulairetistonwindcoulinvelocitfieldettraectorliuidscalemodeltestbed       jppgyjjyqppyy  underroundrailwalatform gyp 

,,CiiofShanhaiforScienceandTechnoloShanhaiersitahnnv★U     ggygy 

0 引言

随着我国城市化进程的推进,地铁作为集约交通的代表,在各大中城市大量修建,至2我015年,

[]

地铁环控的舒国地铁将建成4m1。因此,000k 

通过CFD数值模拟分析了采用横向送风形式侧式

2]

;从评站台整体速度在活塞风作用下的分布规律[

估人体热舒适性的角度,分析了不同车况下,站台典型截面、人体典型部位的温度和速度的CFD模

3]

;文献[在数值模拟基础上指出非屏蔽拟结果[4]

适性和运营节能成为业内关注的热点问题,而此与地铁环控站台层和站厅层的气流组织密切相关。在非屏蔽门系统中,喷口送风射流与站台活塞风动态耦合是其最典型的气流组织,笔者对此两股气流动态耦合速度场进行理论建模与特性分析。

地铁热环境中,有关不同气流相互作用的已有研究如下:一方面,针对非屏蔽系统的站台热环境,

),国家自然科学基金资助项目(编号:沪50908147,51278302

(:)江基金编号D03140

门系统上送下回式的空调气流组织形式能有效抑制活塞风对站台区域造成的温升;相关研究也给出了冷却阻尼喷口加管倾斜4时在非屏蔽门系统5°

博士,副教授女,78年2月生,19☆王丽慧,

上海理工大学环境与建筑学院932000

()103816498129

:anlhsst.edu.cnailwE-m@ug

收稿日期:1-262013-1修回日期:1-082014-0

 *

()20151王丽慧,等:地铁站台送风射流与活塞风耦合作用速度特性理论分析83 

5]

。另一方面,中对活塞风的控制效果最好[针对区流受到站台活塞风间歇性非稳态且周期性的作用。在这两股气流耦合速度场理论建模中引入横流理论,此处的横流为非稳态站台活塞风,送风射流在横流作用下的流场变化原理见图1。图中Ⅰ为从射流出口到势流核心区末端的超始段,Ⅱ为射流弯曲段,u轴心为耦合射流的轴心速Ⅲ为射流贯穿段。/。度,ms

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间热环境,由数值模拟研究得到空气幕与区间活塞风的相互作用对区间通风的优化效果,指出在区间隧道自然风井和机械风井之间安装空气幕能有效

6]

。上述研究内容多采用数值提高风井通风效率[

模拟方法,本文采用理论数学建模的方法研究喷口送风射流在站台活塞风动态作用下的速度场变化

7]

和液体特性,课题组前期已分别采用了现场实测[8]

缩尺模型试验[方法,获得了两股射流耦合速度场

相关参数分布特点,为理论数学建模和求解提供了基础与验证。

本文的理论建模以横流理论为基础,现有横流理论多用于液相稳定流研究,常以向江河及海洋排放的废水为研究对象。在试验研究方面,

图1 横流作用下送风射流轨迹变化

R为射流的出口流速otani等人对流速比R(Kam

与横流流速之比)在较大范围内的湍动射流宏观特性进行了测量,给出了射流基于速度和温度的轴线方程

;和P系Subraramana等人tte等人y

统研究了射流轴线方程,但都侧重于射流的时均量

[9]

[10]

[11]

由理论推导知,送风射流轨迹方向改变的主要原因在于横流导致的绕流阻力的作用,其应与该射流段的离心惯性力相等,即

u2sin2a()1Cdds=sy2r

/式中 Ckgd为绕流阻力系数;ρ为空气密度,

3;/;ummsθ为射流轴线a为活塞风的横流速度,

研究。将横流理论用在两股气流动态耦合过程中的相应研究尚未见诸报道。

本文的研究内容拓展了横流理论在气相流体中的应用,同时给出非屏蔽环控气流组织速度场的本质变化特性,可为地铁环控节能设计运营提供理论参考。本文针对活塞风温度与站台送风温度相同情况下的非屏蔽系统进行耦合射流速度场理论建模。1 理论模型与验证

1.1 理论数学建模结果

随着列车运行,站台每个风口下方稳态送风射

;与x轴的夹角,°Δy为射流在y方向的厚度(y,方向垂直于x,z构成的平面)A为正交于m;ζ轴

;的射流断面面积,v为射流断面平均流速,m

/;r为射流轴线的曲率半径,s为耦合射流msm;

轨迹长度,m。

两股射流等温耦合速度场典型特征参数理论推导结果如下:)耦合射流轨迹长度s1

()2

s=

2222((212)2223 2 2(+z+lnlnlnflnf-ff1+2)1+2)

12322164271.1.2k7

式中 z为竖直方向坐标,m;f1=e

;f2=

271.k1.27-

f1和f2表达式中的k值含义如下:

Cd3.26()k=3227

RβD1.π0

式中 D为射流喷口直径,m。0为比例常数;β

横流速度ua是由站台活塞风贴附射流原理计]。图算得到的,具体计算原理和方法参见文献[122给出根据此原理计算得到的站台活塞风起始段

和主体段测点

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B典型点A(x=17.5m,0m)y=6.

图2 列车进站过程站台典型点活塞风速

(及隧道口速度在列车进站过x=60m,0m)y=6.

程中的周期性变化结果。速度场特征参数的解析

84 暖通空调HV&AC 2015年第45卷第1期

专题研讨

求解是以送风喷口位于站台活塞风测点B上方为例进行的,站台和区间隧道的相对位置B处风口、图中b见图3,um;0为隧道宽度,0为隧道出口处活/。塞风风速,ms

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图3 风口、站台和区间隧道的相对位置图

)耦合射流与水平面夹角θ2

771.21.2

zzkkzz-

12rcrccotcot=aθ=a

22

)4 (

)耦合射流水平分速度u水平3

耦合射流水平分速度u水平与射流轴心速度]))其表达式见文献[满足式(的关系。u轴心(135

()5u水平=u轴心cosθ耦合射流起始段内:  进一步求解,

图4 理论求解射流轨迹与试验结果对比

差在1证明了送风射流与站台活塞风作0%以内,用下等温耦合速度场理论建模的准确性。2 耦合射流速度特性的理论求解与分析

2.1 耦合射流轨迹随时间的变化

/,测点B上方的喷口送风速度为4m风口直径

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s为6m。此送风射流在动态活塞风作用下射流轨迹0c。图5中纵坐随时间变化的理论模型求解结果见图5标表示喷口下方高度,且以喷口处为坐标原点。

u水平

56)]+f1+6.8+11.[rr

(zz

32.1+0.76+1ff1-2)

00

2z

2z2

+f

()6

  当耦合射流处于射流起始段之后:

zz(0.3812)()7u水平=c

2z2z

294+f+0. 1+f2

r0

),()/;式(中 即r67ra2m,0为射流入射半径,0=D

为湍流系数,由实验确定,为射流流动结构特征参;/。数,此处取0u76ms.0c为喷口射流初速度,1.2 理论数学模型的验证

采用液体缩尺模型试验验证活塞风与送风射流等温耦合速度场理论模型,模型试验与原型满足雷诺数和阿基米得数相似,几何比例尺和速度比例测试仪器为L尺均为1∶16,GY-Ⅲ型多功能智能/。有关模型试验台的流速仪,其精确度为1cms]。图4为活塞风速5m/、原理见文献[送风射12s//流分别取4,6ms和8ms时理论计算结果与模型试验结果的对比,其中液体模型试验限于试验条

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件取4个测点。图中纵坐标表示喷口下方高度,且以喷口处为坐标原点。从图中可见,两者轨迹吻合较好,对应于送风射流速度从小到大,两者轨迹偏

图5 典型点耦合射流轴心轨迹随时间的变化

从图5可见,送风射流与动态活塞风的耦合轨),迹变化可分为3个阶段:耦合轨迹向右10~30s,偏转程度逐渐增大(依次见t=14st=20s和t=,其对应着图2中列车区间隧道内加27s的轨迹)

速运行B点站台活塞风逐渐增大阶段;2)30~70,耦合射流向右偏转程度持续最大(依次见t=35s

,其对应着图2中列车区间隧=70s的轨迹)s和t

道内匀速运行B点处站台活塞风风速最大且基本)耦合射流偏转角度逐渐变不变阶段;370s之后,,小至恢复自由射流状态(依次见t=80st=90s,和t其对应着图2中列车减速进站=99s的轨迹)

至停站B点处站台活塞风逐渐减小至零的过程。

从理论推导知,扰流阻力是影响耦合射流轨迹

()20151王丽慧,等:地铁站台送风射流与活塞风耦合作用速度特性理论分析85 

偏移的根本原因,而ua的周期性变化直接导致了扰流阻力的周期性变化。可见,活塞风风速的变化决定了两股射流耦合轨迹的变化规律。

从耦合射流速度场分布结果看,在列车进站动态站台活塞风的作用过程中,活塞风对送风射流轨迹影响显著,使得送风射流影响区域多偏向了活塞风作用方向。

2.2 耦合射流轨迹与水平面夹角的变化

地铁车站内风环境应满足人体过渡区域舒适度基本要求,因此,此处以喷口下方人员活动高度分析耦合射流轨迹1.6m处区域为主要研究对象,

与水平面夹角随时间的动态变化特性,解析求解结果见图6

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大、不变和减小的3个阶段,在距地面1.6m高度的位置,耦合射流轨迹长度分别呈现不断增加、保持不变和逐渐减小3个阶段。因此,图中1.6m高度处在列车进站过程中,对应于站台活塞风风速变化的3个阶段,耦合射流轴心速度呈现出先减小、保持不变和再增大的变化趋势。具体轴心速度数/值与活塞风和送风射流的风速值相关,在1~4ms之间变化。

2.4 耦合射流水平分速度随时间的变化

由图8可知,在活塞风持续时间段内,站台1.6m

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高度处耦合射流水平分速度随时间呈现双峰分布

图8 站台1.6m高度处耦合射流水平分速度逐时变化

现象。在列车加速阶段,站台活塞风速度增大,站台

图6 站台1.6m高度处耦合射流轨迹与水平面夹角的变化

从图6可见,与耦合射流轨迹动态变化特性相似,站台1.6m高度处射流与水平面夹角随时间的变化也可分为3个阶段。在0~30s的列车区间隧道内加速运行过程中,夹角由90°迅速变小;,在3夹角几乎为00~70s的列车匀速运行阶段,°说明在活塞风引起的绕流阻力作用下,此阶段耦合在7射流轨迹已偏移至站台高度1.0s6m之上;,之后,夹角较快增大至9此阶段列车减速进站0°扰流阻力随活塞风减小而减小,至停站,送风射流逐步恢复到自由射流状态。

2.3 耦合射流轴心速度随时间的变化

图7为理论计算得到的距地面1.6m高度处耦合射流轴心速度随时间的变化结果。随着耦合射流轨迹长度的增加,送风射流的轴心速度因卷吸周围空气量的增大而减小。

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在站台活塞风风速增

断面质量平1.6m高度处耦合射流轨迹长度增加,均流速减小,同时耦合射流与水平面的夹角减小,余弦值增大,而耦合射流断面平均流速的水平分速度是断面质量平均流速和余弦值的乘积,两者函数递增方向相反,因此在活塞风加速阶段20s左右出现如图8所示的极值。当列车处于匀速阶段时,站台活塞风速保持不变,耦合射流水平分速度保持不变;在列车减速阶段,耦合射流水平分速度变化原理同列车加速阶段,在90s左右出现第2个峰值。2.5 典型时刻耦合射流速度分布特性

/(取隧道出口活塞风速8m最大值)的时段s,()分析站台活塞风与送风射流此时段维持约30s耦合速度场典型参数分布特性,见图9。从图9a可见,在站台活塞风风速最大的时刻,随着距离风口长度的增加,耦合射流与水平面的夹角逐渐减小,射流轨迹持续发生偏转,在接近站台底部处耦合射流几乎与水平面平行;从图9随着距离b可见,风口长度的增加,耦合射流长度渐增,且增加速率逐渐增大。随着射流轨迹偏移程度的增加,射流长度增加速度明显快于垂直方向高度增加速度,在站台底部射流长度几乎发展为站台高度的3~4倍;从图9在水平距离1mc的轴心速度分布可知,90c

图7 站台1.6m高度处耦合射流轴心速度逐时变化

左右之前,射流处于起始段,轴心速度几乎保持不

86 暖通空调HV&AC 2015年第45卷第1期

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专题研讨

合射流轨迹与水平面的夹角和轴心速度均呈现出先减小、维持不变、显著增大的变化特点;而耦合射流的水平分速度随时间呈现双峰分布特点。3.4 以隧道活塞风速持续最大的典型时段为例,

沿着距离站台顶部长度增加方向,耦合轨迹与水平面的夹角逐渐减小,轨迹长度增加明显,轴线速度起始段内保持不变,后明显减小;水平分速度先增大后减小,存在1个峰值。参考文献:

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变;而随着距离风口长度的继续增加,射流主体段轴心速度因卷吸周围空气而逐步减小,在站台底/;部,轴心速度已降至1m从图9耦合射sd可见,流水平分速度呈现先增加后减小的趋势,这是由于沿着射流轨迹的方向,耦合射流的断面平均流速为递减函数,而射流与水平面的夹角逐渐减小,其余弦函数是递增函数,耦合射流的水平分速度是两者的乘积,故两者相乘出现一个最大值。3 结论

分析得到扰流阻力是引起送3.1 基于横流理论,风射流在活塞风作用下轨迹偏转的根本原因,得到两股射流耦合轨迹、耦合轨迹与水平面夹角、耦合射流水平分速度等的理论数学模型;该模型得到了液体模型试验的验证,理论计算结果与试验结果的偏差在10%以内。

列车行进3.2 在活塞风引起的扰流阻力作用下,过程中,送风射流与站台活塞风的耦合轨迹分为逐渐向右偏转、保持不变和逐渐向左偏转恢复自由射流状态3个阶段。

耦站台1.3.3 列车进站全过程中,6m高度处,

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