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排热风口设置形式对地铁车站轨顶排热均匀性的影响研究周鹏

发表时间：2020/5/15 来源：《基层建设》2020年第3期作者：周鹏

[导读] 摘要：地铁车站隧道通风系统是地铁车站通风空调系统的重要组成部分，其中轨顶风道的排热设计是保证地铁车辆停站时车辆空调冷凝器能否正常工作的关键因素。

        广州地铁设计研究院股份有限公司广州 510010
        摘要：地铁车站隧道通风系统是地铁车站通风空调系统的重要组成部分，其中轨顶风道的排热设计是保证地铁车辆停站时车辆空调冷凝器能否正常工作的关键因素。针对大编组的车辆设置，传统的等距离、等尺寸的轨顶排热风口设置已明显不能满足停站时车辆空调冷凝器在隧道内工作温度要求，需要改变轨顶排热风口的设置形式。本文通过对轨顶排热风口的尺寸与设置形式进行CFD数值模拟研究，分析了不同的排热风口尺寸与设置形式对大编组地铁车站轨顶风道排热均匀性的影响，为后续的大编组地铁车站隧道通风系统优化设计提供参考。
        关键词：风口尺寸轨顶排热风口数值模拟均匀性
        1 前言
        在地铁车站通风空调系统设计中，车站隧道通风系统设计需要考虑很多因素，首先需要及时排除车辆停站时空调冷凝器产生的高温空气，削弱隧道内高温空气对车站内空调环境的影响，同时也提高车辆空调冷凝器的换热效率[1]，其次需要考虑车站排热风机辅助车站站台排烟的效果。在以往的地铁车隧道通风系统设计中，由于站台有效长度小，只需要考虑正常排除余热，保证隧道内温度满足要求即可。可随着地铁时空运行的跨度越来越大，地铁车辆编组也越来越大，导致站台有效长度也随之增加，靠近站台中心的排热风口可能会丧失排热效果（没有风量）而导致热量堆积在站台中心的现象[2]。因此如何保证在长距离站台下轨顶排热风口的排热均匀性，是我们必须关注的问题。本研究采用CFD数值模拟技术模拟了在长距离站台轨行区上方轨顶风道内设置不同形式排热风口时的风口风量分布情况，通过计算得到的轨顶排热风口流量不均匀度和离散系数分析了轨顶排热风口的排热均匀性
        2 研究对象和数值计算方法
        本次研究的地铁车站采用全高屏蔽门制式，岛式站台，有效站台长度为186m，车站隧道隧道宽度为4.00m，高度为6.1m，车辆采用8A编组，每节车厢约20m，每节车厢有两组空调机组，车站隧道纵截面图如图1所示。根据隧道通风系统设计，车站排热风机风量按远期每端60m3/s配置，整个车站共设置4台风量30m3/s的变频排热风机，A，B端各设置两台，轨顶风道和轨底风道风量比为6：4。B端排热风机设置情况如图2所示。

        岛式车站每侧的轨行区轨顶风道排风均为对称设置，在降低模拟计算量且不影响模拟结果的准确性的前提下，取每侧轨行区二分之一的轨顶风道作为研究对象，对其进行几何建模，并设置不同尺寸的的轨顶风口。本文采用了SolidWorks建模软件对轨顶风道进行了模型简化建模，轨顶风道排热风口布置示意图见图3。在轨顶风道下方，对每节车厢上方的冷凝器上方设置一组轨顶风口，共8组排热风口。根据流体力学，位于站台中心的排热风口由于距离排热风机最远，风压损失最大而导致风量最小，因此为了实现均匀排风，必须使每组风口的风压尽可能地保持一致，则靠近排热风机的轨顶风口应小于远离排热风机的风口尺寸。基于此类原则，本文对轨顶风道先设置了2种不同形式的排热风口进行模拟分析，第1 组风口离排热风机最近，第8组风口离排热风机最远，然后根据数值模拟的数据结果对排热风口的尺寸进行优化，得到了第3种排热风口的设置形式，并重新进行模拟分析。3种形式对应的每组轨顶风口尺寸与布置情况详见表1，表1中风口尺寸单位均为米。

本次模拟计算将车站轨顶风道结构建立为六面体结构化网格模型，并对每个轨顶排热风口处进行加密处理，通过网格无关性验证确定最终的网格数为1442579个。为了便于后期对每个轨顶风口的风量进行详细分析，在数值模拟过程中，对每个排热风口都设置了监测面，监测并获取其体积流量。本次模拟计算采用RNG K-ε模型，入口采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件，壁面设置为标准无滑移壁面，其余模拟参数根据文献调研及实际情况进行设置[3，4]，如表2所示。将划分好的网格模型导入到FLUENT软件中，当计算结果收敛或者各项差值均小于0.0001时，导出各监测面的体积流量数据进行分析。

        离散系数表示了不同工况下的轨顶排热风口的风量均布性能。离散系数越小，说明该工况下排热风量分配越均匀；反之，说明排热风量分配不均匀。
        通过对数值模拟得到的数据进行处理，本文获得了工况1和工况2的每组排热风口风量的流量不均匀度情况。图4给出了2种工况下每组排热风口风量的流量不均匀度。
        从图4中可以看出，在不同的排热风口设置形式下，从第1组到第8组，轨顶排热风口的风量均呈现出下降的趋势，即靠近排热风机的轨顶排热风口风量大，远离排热风机的轨顶排热风口风量小，甚至会出现风量几乎为零的情况。在工况1中，第8组的排热风量风量仅为0.026 m3/s，流量不均匀度为0.11，显然对车辆空调冷凝器的排热效果极差，甚至可能会触发车辆空调冷凝器高温报警，影响列车线路正常运营。

        图4 工况1和工况2下每组排热风口的流量不均匀度
        为了使每组轨顶排热风口在列车停在站台时获得均匀的排热风量，本文对每组轨顶排热风口的尺寸进行了优化。根据工况1和工况2的模拟结果，本文发现相比于设置大尺寸的排热风口，减小每个排热风口的尺寸和提高每组排热风口的数量，有利于提高轨顶风道排热风口的均布情况。基于此，本文根据工况1和工况2的尺寸，设置第3种形式的排热风口尺寸，并在保证其他结构参数和模拟参数不变的条件下，进行了第3种排热风口设置形式的数值模拟，并对模拟后获得的数据进行了处理，得到了第3种工况下的每组排热风口的流量不均匀度，如图5所示。
        从图5可以看出，每组排热风口的流量不均匀度比较接近，保持在0.8~1.4左右，保证了每组轨顶排热风口都能够有效地排除空调冷凝器散发出的热量，确保车辆空调冷凝器的正常运行。

        从表3中的离散系数可以看出，第3种排热风口设置形式的流量均布性能要远远好于第1种和第2种的排热风口设置形式的流量均布性能。
        4 结论
        本文通过CFD数值模拟技术对适用于8A编组车辆的站台轨顶风道排热风口的设置形式进行了模拟分析，获得了不同轨顶排热风口尺寸和布置形式下的每组轨顶风道排热风口的流量不均匀度情况，分析了不同风口尺寸对轨顶排热风口流量不均匀度的影响，模拟结果表明为了实现理想的轨顶排热风口流量均布性能，应优先采用多数量和小尺寸的排热风口布置形式，且轨顶排热风口应正对车辆空调冷凝器的上方。
        参考文献：
        [1]北京城建设计研究总院.GB 50157—2003地铁设计规范.[S].北京：中国计划出版社，2003
        [2]郭辉.苏州某地铁车站轨顶排风口设置形式探讨[J].暖通空调，2010（05）：50-52.
        [3]韩占忠.Fluent 流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2004
        [4]董志周，吴喜平.地铁车站热环境分析[J].上海节能，2003，000（005）：36-40.
        [5]张哲，田津津.板翅式换热器封头结构的物流分配特性[J].化学工程，2009，37（1）：15-18.
        作者简介：周鹏（1994~），男，江西省抚州市人，助理工程师，从事轨道交通暖通空调设计研究。