单线隧道活塞风计算方法

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030001)

0 引言

地铁列车在区间隧道中运行时，隧道中的空气被列车带动而顺着列车前进的方向流动，这一现象称为列车的活塞作用，所形成的气流称为活塞风［1］。活塞风的特性是隧道设计的重要参数，且地铁列车在区间隧道中运行时所产生的活塞效应对隧道和站台内空气的流动特性和空气品质起着重要影响，列车在地铁隧道中高速运行时的活塞效应不仅对隧道内空气的流动特性起着重要影响，而且对列车内的空气品质及地铁站台的通风也会产生比较大的影响，因此对地铁隧道内活塞效应的研究有着十分重要的意义。

1 单线单竖井隧道活塞风速理论计算

列车在区间隧道内运行时，由于隧道壁面的限制，列车对隧道空气产生推动作用，列车车头处呈现正压，车尾部分则为负压，在这样的压差作用下，一部分气体被推出隧道出口，进入下一车站，一部分则从车头经过列车和隧道间的环状空间流到车尾。为方便研究做如下假设:

1)隧道内流场为一维恒定流动;

2)只研究整个列车均在隧道内，且匀速前进的工况;

3)隧道出入口处风压均为当地大气压，即忽略隧道出入口的压差;

4)隧道内无坡度变化，无截面积变化，壁面粗糙度不变;

5)隧道内初始速度为0。

隧道中部有一竖井，列车在竖井左侧隧道中匀速前进(见图1)，取1断面和2断面为距离隧道入口和出口一定距离的断面，此处的空气速度为0，相对压强为0。断面3和断面4分别为列车车头和车尾所在断面，断面5为隧道竖井出口处速度为0断面，断面6为紧靠竖井前断面。假设列车长度为L0，前进速度为v0，横截面积为A0，当量直径为d0，竖井截面积为Ac，长度为Lc，竖井当量直径为dc，竖井内速度为vc，竖井左右两侧隧道断面积均为A，长度分别为La和Lb，活塞风速为v，隧道阻塞比为φ，φ=A0/A，隧道内空气密度为ρ，各断面压强均为pi(i=1～6)，各断面速度均为vi(i=1～6)。

隧道与列车间的近似环状空间的断面积为A－A0，当量直径为d1，环形空间中气流相对于隧道壁的速度为vm，气流相对于火车的速度为u。

在列车运行时，其排开气体的体积一部分从隧道出口排出，一部分从列车车头经环状空间流到列车尾部。对竖井左侧隧道内流场应用不可压缩流体的连续性方程［1］。

整理得:

图1 单线单竖井隧道示意图

列车在隧道内运行至不同位置时，竖井内的气流方向会不同，当列车经过竖井时，竖井内气流会发生速度从大变小然后又从小变大的转向过程。

以下研究中忽略竖井内风量大小的变化过程，分别研究列车只在竖井前和竖井后隧道内运行的工况。

对整个隧道列连续性方程:

对1-4断面，3-4断面，3-2断面和3-5断面分别应用气体能量方程［2］。

式中:ξi——隧道入口;

ξo——出口阻力系数;

λ——隧道沿程阻力系数;

λ1——环状空间隧道沿程阻力系数;

λc——竖井沿程阻力系数;

ξ3——空气流入;

ξ4——流出列车和隧道间环形空间的局部阻力系数;

ξc1——竖井;

ξc2——隧道连接处三通的直流和支流阻力系数。

整理得:

由式(7)，式(8)可得:

代入式(2)得:

由式(7)，式(9)和式(11)得:

其中，ξz为隧道的总阻力系数:

文献［1］给出了活塞作用系数计算方法，见式(14)。但是该式中，0.0086 m是建国初期采用国产的铁路用蒸汽机车牵引，在横断面积A0=12.6 m2条件下，根据现场试验结果计算得出的［3］。但是该数据是否适用于现有的铁路隧道、地铁隧道和列车等都还有待实验验证。文献［4］给出了适用于隧道活塞风的K值的计算方法:

式(12)给出了当列车在竖井左侧内隧道运行时活塞风速的计算方法，同理可以得到列车在竖井右侧隧道内运行时活塞风速的计算方法，此处不再赘述。为了验证该理论公式的正确性，本研究拟采用SES软件进行模拟计算，并将计算结果与理论计算结果进行比较。

2 算例和数值模拟分析

2.1 算例

对长度为2000 m的单线单竖井隧道进行计算。隧道的横截面积为30.5 m2，当量直径为5.52 m，隧道沿程阻力系数为0.022，车辆尺寸为120 m×3 m×3.8 m，列车横截面积为11.4 m2。竖井位于隧道中间，尺寸为50 m ×4.5 m×4.5 m，截面积为20.25 m2。以列车速度为60 km/h为例计算单线有竖井隧道活塞风量及风速的计算方法。此时，列车位于竖井和隧道入口之间。计算得当前活塞风量为145 m3/s，右侧隧道和竖井风量分别为78.5 m3/s和 66.4 m3/s。

2.2 数值模拟

本研究采用地铁环控模拟软件(Subway Environmental Simulation Computer Program，简称SES软件)对上述例子进行模拟计算。SES软件是国际通用的成熟软件，被世界各地的地铁环境控制领域广泛加以应用，也被世界各地的环境控制设计及咨询行业所认可，计算结果已经成功应用于世界各地的地铁系统中。SES计算模型是一维计算模型，提供列车在隧道内动态模拟过程。

图2给出了模拟结果，结果显示，当列车在左侧隧道内以60 km/h运行时，活塞风速在75时达到最大，此时，活塞风速为4.8 m/s，右侧隧道和竖井内风速分别为 2.4 m/s，4.2 m/s。最大速度值和理论计算结果非常接近。从模拟结果可知，当列车速度从0 km/h增加到60 km/h时，活塞风速逐渐增加到最大，然后经过竖井浸入右侧隧道，则左侧隧道内风速减小，右侧隧道内风速增大。

图3给出了右侧隧道和竖井内风量比，随着列车不断前进，右侧隧道和竖井风量比基本为0.75～0.85，也与理论计算结果相吻合。

图2 活塞风速计算结果

图3 右侧隧道和竖井内风量比

3 结语

通过对单线单竖井隧道内的空气动力特性进行一维的理论分析和研究，初步了解了隧道内的活塞风的特性及其简单计算方法，并且通过SES软件的模拟计算进行验证。研究表明该方法计算准确，适用于工程中对计算精度要求较低的场合。对单线多竖井的情况，计算与单线单竖井的计算方法相同。

［1］金学易，陈文英.隧道通风与隧道空气动力学［M］.北京:中国铁道出版社，1983.

［2］周谟仁.流体力学泵与风机［M］.第3版.北京:中国建筑工业出版社，1994:147-150.

［3］刘伊江.隧道内列车活塞风的计算方法［J］.都市快轨交通，2006(5):55-58.

［4］康国青.站台屏蔽门对车站环境影响的研究［D］.北京:北京工业大学，2009:32-33.