關(guān)于城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)研究方法的分析與探討摘 要： CFD（計算流體動力學(xué)）是近年發(fā)展較快的一種計算機輔助設(shè)計技術(shù)，其作用是各種工況下氣流組織的溫度、速度場的模擬仿真。當(dāng)前，國外已開始將CFD逐漸應(yīng)用到地下空間領(lǐng)域，對地下空間的空氣狀況進行三維模擬、分析和研究。文章對CFD技術(shù)在城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了分析和探討。關(guān)鍵詞: 城市軌道交通; 環(huán)控系統(tǒng);計算流體動力學(xué) 城市軌道交通中的地下車站和區(qū)間隧道是一個大型、狹長、與外界聯(lián)系面較小的地下空間。密集的乘客、列車和各種機電設(shè)備的運行，以及連續(xù)的照明都會產(chǎn)生很大的熱量，不及時排除就會導(dǎo)致地鐵內(nèi)溫度逐年上升。此外，地鐵內(nèi)各種設(shè)備及列車運行引起的噪聲、有害氣體、列車活塞效應(yīng)對車站空氣環(huán)境的擾動，以及隧道內(nèi)因潮濕造成的霉?fàn)€氣味等都會使地下環(huán)境不斷惡化。同時，當(dāng)人流密集、空間狹小、密閉性高的地鐵內(nèi)發(fā)生事故、火災(zāi)時，人員的安全疏散和煙氣的排除也是非常重要的問題。鑒于以上各種因素，必須設(shè)置環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)，對車站和區(qū)間隧道內(nèi)的溫度、濕度、氣流速度、噪聲以及事故、火災(zāi)情況下人員安全疏散措施等進行全面控制。其中，有效、可靠的環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)對保證地鐵乘客的安全、舒適和確保設(shè)備運行及壽命是十分必要的。 地鐵系統(tǒng)是一個由車站、隧道、出入口等構(gòu)成的復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)。地鐵系統(tǒng)的環(huán)控模擬，主要是研究地鐵內(nèi)的不穩(wěn)定空氣動力學(xué)和熱力學(xué)方面的問題，即地鐵車站正常工況下的三維溫度場、氣流場分布、污染物濃度分布、平均空氣年齡、人體舒適性的模擬研究以及地鐵車站和隧道事故、火災(zāi)工況下的三維溫度場、氣流場分布、煙氣流動狀況等的模擬研究。目前國際上廣泛認(rèn)可使用、相對成熟、用于地鐵環(huán)控模擬計算的軟件是Subway EnvironmentSimulation，簡稱SES。該程序是由美國交通部于1975年開發(fā)的世界上第一個地鐵環(huán)控計算機模擬軟件。1976年，SES修改后被應(yīng)用到公路隧道通風(fēng)分析中；1985年，又增加了火災(zāi)的動態(tài)模擬。現(xiàn)在，SES已經(jīng)從DOS版本升級為WINDOWS版并形成目前的第4版。該軟件作為設(shè)計計算工具，可以模擬地鐵內(nèi)多列列車運行時車站、隧道和通風(fēng)井的溫度、濕度、風(fēng)速以及車站的空調(diào)負(fù)荷。它允許用戶模擬一定數(shù)量列車的動力與剎車系統(tǒng)；不同的環(huán)境控制系統(tǒng)（包括強制通風(fēng)、車站空調(diào)與車軌排風(fēng)）；設(shè)定的地下隧道與車站和通道連接所形成的空間內(nèi)的空氣流動；所希望的列車運行次序(包括由不同運行特性和發(fā)車間隔的列車的混合編組)；各種穩(wěn)定與不穩(wěn)定狀態(tài)的熱源；列車停在區(qū)間的緊急狀況時機械通風(fēng)與熱浮力共同作用下所形成的空氣運動；特別是能夠模擬系統(tǒng)投入運行多年后熱庫對隧道的影響。對一個有大量列車運行的地鐵，SES計算機模型提供動態(tài)的模擬過程，它允許對通過任何車站、區(qū)間、通風(fēng)井和風(fēng)機的空氣速度、溫度、濕度的連續(xù)讀值，或在設(shè)定的時間獲得空氣參數(shù)的最大值、最小值、平均值。 SES軟件主要由4個既獨立又互相關(guān)聯(lián)的子程序組成：列車運行子程序(Train Operation)，空氣動力子程序(Aerodyanmic)，溫度／濕度子程序(Thermodyanmic)，熱壑／環(huán)控子程序(Heat Sink and ECS)。列車運行子程序可以計算列車的速度、加速度、位置及系統(tǒng)中所有列車的發(fā)熱；空氣動力子程序依靠這些列車參數(shù)再加上系統(tǒng)的幾何組成與通風(fēng)狀況數(shù)據(jù)，計算所有車站、區(qū)間、通風(fēng)井中的空氣流量和氣流速度；溫度／濕度子程序利用空氣動力學(xué)子程序得出的空氣參數(shù)與列車運行子程序計算出的列車發(fā)熱數(shù)據(jù)來計算系統(tǒng)中的顯熱與潛熱，從而得到各處位置的溫度和濕度。最后，列車運動子程序按氣流速度推算列車附近活塞風(fēng)作用。這些子程序計算出的地鐵通風(fēng)與熱負(fù)荷數(shù)據(jù)同室外每日與年度氣象條件參數(shù)一起，被熱壑／環(huán)控子程序用來計算地鐵內(nèi)空氣與隧道結(jié)構(gòu)、周圍土壤之間長期的熱傳導(dǎo)作用，同時也可以得到為使某些區(qū)間溫度達(dá)到設(shè)計條件而所需的冷量。通過SES軟件可以驗證設(shè)計者所設(shè)定的地鐵環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成方案及系統(tǒng)運行模式的合理性，以便完成地鐵環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計。需要注意的是該軟件本身也存在著一定的局限性，例如SES的模擬原理是伯努利方程，這就決定了它無法反映車站及隧道內(nèi)場分布的詳細(xì)情況，只能將地鐵系統(tǒng)簡化為一維模型進行處理，只能計算某一點的氣流速度大小，而具體的變化情況諸如方向和具體流動情況則無法反映，所以SES軟件的最終輸出結(jié)果是一維的，它只能從數(shù)據(jù)上計算特定斷面的一些參數(shù)。而地鐵系統(tǒng)中的車站及隧道部分顯然是三維模型，因此，如果想了解地鐵車站及隧道中空氣的溫度、速度等具體詳細(xì)的分布情況就必須考慮借助使用其它的研究方法和手段來實現(xiàn)。 CFD(Computational FluidDynamics，即計算流體動力學(xué))是現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)的一種，是近年發(fā)展較快的一種計算機輔助設(shè)計技術(shù)。其作用是對各種工況下氣流組織的溫度、速度場等的模擬仿真。暖通空調(diào)制冷行業(yè)是CFD技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，我國暖通空調(diào)制冷行業(yè)已有不少專家對CFD的應(yīng)用研究開展了大量的工作，并取得了許多重要成果。自20世紀(jì)70年代末80年代初起，即已有一些高校、研究機構(gòu)開始CFD技術(shù)的應(yīng)用研究，20年來已取得許多重要的成就，研究的范圍從以室內(nèi)空氣分布以及建筑物內(nèi)煙氣流動規(guī)律的模擬為主，逐漸擴展到室外及建筑小區(qū)繞流乃至大氣擴散問題。近些年來，隨著CFD計算技術(shù)的突飛猛進的發(fā)展，許多工程領(lǐng)域都有了成功利用它作為模擬評價、優(yōu)化設(shè)計手段的實例。在隧道、地下鐵道的通風(fēng)工程中，CFD應(yīng)用也成績斐然。國內(nèi)部分高等院校也開始利用CFD技術(shù)對地鐵區(qū)間隧道及車站內(nèi)各種工況下的空氣流動和分布情況進行模擬研究。對于地鐵環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，會有多種可選方案，所以計算機模擬的功能之一就是對多種方案的比選優(yōu)化；對于正在籌建的地鐵系統(tǒng)，其運營后的氣流場與溫度場無法進行現(xiàn)場測試，所以計算機模擬能夠有效而可靠地對未建成的地鐵系統(tǒng)進行預(yù)測；對已經(jīng)建成的地鐵系統(tǒng)，由于客流量較大，為了保證正常運營，有時在列車附近無法進行現(xiàn)場測試，但可以通過計算機模擬來進行計算分析。同時可以對一些過去沒有經(jīng)過理論計算的感性認(rèn)識進行驗證，例如隧道風(fēng)的變化情況、排煙量對火災(zāi)溫度場的影響等，過去只是通過一些想象進行推斷，但是對具體變化情況及具體數(shù)據(jù)缺乏理論計算及科學(xué)論證，利用CFD方法，以上問題均可以得到解決和落實。采用CFD方法可以對地鐵車站及隧道的溫度場、氣流場、污染物的濃度分布及排放、人體舒適性以及火災(zāi)情況下的通風(fēng)模式、煙氣流動狀況及此情況下的溫度場和氣流場進行三維可視化仿真模擬。CFD的功能十分強大，它經(jīng)過一次完整的計算后，就可以得到任意一個斷面的任意方向上的溫度、濕度、壓力、平均空氣年齡以及PPD（預(yù)期不滿意百分率）與PMV（預(yù)期平均評價）等隨時間的連續(xù)變化值。并且模擬得出的計算數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的可視化結(jié)果是十分直觀形象的，因此，它所模擬出的結(jié)果較SES軟件更加直觀，得到的結(jié)果也更加具體，能夠為地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計提供充分的依據(jù)。 圖1為CFD模擬的輸出結(jié)果，它進行的是三維計算，不但可以得到計算區(qū)域內(nèi)任意時間的任意一點的各個參數(shù)值，而且可以處理成圖1所示的結(jié)果，從中可以清晰地看到整個斷面的溫度分布情況。 利用CFD通過有效空間范圍的三維幾何模型的建立、數(shù)據(jù)化網(wǎng)格的劃分、差分格式的確定以及邊界條件的設(shè)置，可以對地下空間的相關(guān)環(huán)境因素和參數(shù)進行模擬計算。總體而言，CFD通常包含如下幾個主要環(huán)節(jié)：建立數(shù)學(xué)物理模型，數(shù)值算法求解，結(jié)果可視化。經(jīng)過對結(jié)果的比較、分析，可以總結(jié)歸納出影響地下空間環(huán)境控制的各種因素，從而可以有針對性地采取相應(yīng)的解決措施和辦法，以便對地下空間環(huán)境進行有效的控制。它能夠解決SES軟件解決不了的一些問題。例如，我們利用CFD通過對地鐵車站火災(zāi)工況進行模擬計算，根據(jù)得出的計算數(shù)據(jù)和直觀形象化的結(jié)果（圖2、3）可以分析出火災(zāi)強度、火源位置、燃燒時間、煙氣流動、排煙形式及排煙量等對地下車站內(nèi)部空間環(huán)境的影響，由此可以制定有效的防排煙措施和人員疏散方案，保證火災(zāi)情況下地鐵車站內(nèi)的乘客及工作人員的安全撤離，同時為消防人員創(chuàng)造撲滅火災(zāi)的條件。類似這些直觀形象化結(jié)果的比較和分析都是SES軟件目前所不能做到的。SES軟件雖然對地鐵的地下車站、區(qū)間隧道以及鐵路、公路隧道具有較強的適用性，而CFD則可以適用于包括地鐵在內(nèi)的所有地下空間，具有更廣泛的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。 經(jīng)過多年對地鐵地下空間環(huán)境控制問題的研究以及具體工程項目設(shè)計的實踐，我們認(rèn)為將SES軟件和CFD技術(shù)共同作為對地鐵及相關(guān)的地下空間內(nèi)部環(huán)境進行研究分析的手段和方法，不僅可以對地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)運行的實際效果進行預(yù)測，同時還可以為建設(shè)方提供準(zhǔn)確適宜的環(huán)境控制設(shè)計方案，從而確定適宜的方案措施及系統(tǒng)的運行模式，保證地鐵及相關(guān)地下空間的正常運營和事故狀態(tài)下的有效應(yīng)對措施，為地鐵工程的建設(shè)運營和相關(guān)城市地下空間的開發(fā)與利用提供有力的保障。參考文獻1Ming-Tsun Ke, Tsung-CheCheng, Wen-Por Wang. Numeri-cal simulation for optimizing thedesign of subway environmentalcontrol system. Building andEnvironment，2002，37 (11)2Jojo SML,ChowWK. Numeri-cal studies on performance evalu-ation of tunnel ventilation safety.Tunnelling and UndergroundSpace Technology，2000，18(4)3Elias R,Raw M J,Bostwick P.Numerical simulation of subwaystation fires and ventilation.American Society of Mechani-cal Engineers, Fluids Engineer-ing Division (Publication)FED. 1996，238 (3)4歐陽沁，江泳，朱穎心，等.關(guān)于地鐵隧道區(qū)間段阻塞工況臨界通風(fēng)速度的研究. 地鐵與輕軌，2002 (2)