平入式地铁出入口风压作用CFD模拟研究

胡玉祥 胡小平 曾 臻 唐云辉 肖益民

（1.重庆大学城市建设与环境工程学院 重庆 400044；2.辽宁省电力有限公司大连供电公司 大连 116001；3.中铁二院工程集团有限责任公司 成都 610031；4.重庆市气象科学研究所 重庆 401147）

0 引言

地铁出入口是地铁车站空间内部与地面环境之间的过渡和联系的空间，对于维持地铁站内部的环境有着极其重要的作用，出入口外部有一定秩序的人造公共环境。随着地铁建设的发展，地铁出入口形式也在不停地变化，其形式的变化对整个地铁的通风系统产生了较大的影响。

Hazim B Awbi等[1-4]介绍了风压的计算方法等，并提出了影响风压系数Cp的关键因素。国内，李红祥等[5-7]介绍了自然通风应用与研究的主要方面，并采用“矩形房间”模型，通过改变开口尺寸及开口位置分别模拟了不同的组合方式下模型房间内及周边风压的变化。

但是以上研究都是针对地上建筑，未曾研究类似于地铁站通道的地下建筑的风压作用。本研究针对平入式地铁出入口形式，采用数值模拟的方法分析了地铁出入口处风压的分布情况。

1 物理模型

1.1 物理模型的建立

地铁出入口形式有多种，主要有独立式出入口、与建筑共建的共用出入口以及与地下广场相结合的下沉式出入口[8-10]。根据出入口的具体形式，又可将独立式出入口分为平入式和棚入式两种。平入式（见图1）的入口面基本与地面等高，无多余的结构；棚入式（见图2）的入口处设有专门的短暂通道连接至内部通道。

图1 平入式地铁出入口Fig.1 The level subway entrance

图2 棚入式地铁出入口Fig.2 The subway entrance with shed

本研究选取重庆市地铁1号线沙坪坝站1号出入口（如图3）建立1:1的平入式物理模型，经过实地测量获得物理模型的参数后，建立模型如图5所示。由图4可以看出入口处有一个玻璃棚（起到捕风器的作用）；所以，虽然入口只有一个，但在模型中设有两个入口面，入口面1尺寸为5m×3m（长×宽），此面为水平面，入口面2为玻璃棚对应的入口面，尺寸为3m×0.9m（长×宽），此面为垂直面；内部通道尺寸为3m×2.4m（长×宽）。为了得到较好的模拟结果，本次模拟将物理模型置于较大的流场计算域中，通过实地测量得出地铁出入口与周边建筑的距离，并以此作为该计算域的边界，如图6所示。

图3 沙坪坝站1号出入口（正视图）Fig.3 The 1st entrance of Shapingba subway station(the front view)

图4 沙坪坝站1号出入口（侧视图）Fig.4 The 1st entrance of Shapingba subway station(the side view)

图5 物理模型图Fig.5 Physical model diagram

图6 计算域模型图Fig.6 Computational domain model diagram

1.2 数学模型

整个计算域内的气流实际上属于非稳态的三维不可压缩紊流流动，本次研究只关注风压的作用，不考虑热源的作用，故不需要开启能量方程，且将密度ρ视为常数。在紊流粘性模型中，气流流动用质量、动量的时均N-S方程来描述：

1.3 边界条件

进口边界条件：根据重庆地区的全年平均风速，初给定入口边界的速度为恒定风速，分别为U=1m/s、2m/s、3m/s。

固体壁面条件：上空面：W=0；侧空面：V=0。

当入口面全开时，风流经入口面会有一部分气流进入地下通道；但是假设当入口面为实体墙（即全封闭的状态）时，气流只能沿入口面流动，并不能进入通道。为了比较入口封闭和入口全开的同一面上的风压作用，故采用两种不同的出口边界条件：

（1）计算域outlet出口边界设为压力出口，将入口面1、入口面2、内部通道面设为wall边界，此种情况，气流不能流进通道，入口全封闭；

（2）计算域outlet出口边界及地铁内部通道口部均设为压力出口，入口面1、入口面2设为interior，此种情况下，部分气流流进通道。

2 结果分析及讨论

本研究不考虑热源的作用，即不考虑浮升力的影响，只考虑风压的作用，根据建立的计算域可知，风从inlet吹入经过充分发展后，在第一种出口边界条件下，气流经过入口面后，从计算域outlet边界流出；在第二种出口边界条件下，一部分气流经过入口面1及入口面2进入地铁通道内部，另一部分从计算域outlet边界流出。

建筑的风压分布除了建筑体型的影响外，还受风速的影响，相同的建筑体型，在不同的风速条件下，风压在建筑物表面上的分布是不同的。本次研究只针对平入式地铁出入口形式，通过改变风速进行风压对比分析。

一般而言，建筑物表面各点的压力值，都必须与远处前方上游或离建筑物一定距离（如远远超过边界层外某一点）的自由气流的平均动压进行对比，因此可定义一个无量纲的风压系数

其中：U为参考风速（一般可用无穷远处建筑物高度处的风速）；P为建筑物表面的压力；P0为远处未受扰动气流的压力；为ρ自由流的空气密度。

决定风压系数Cp值的因素主要有以下几点[1]：

（1）建筑的几何形体；

（2）相对于建筑的风速（速度大小与风向）；

（3）建筑物的暴露情况，如相对于其他建筑的位置、来流风向上的地势形态及粗糙度情况。

本次研究只关注风速大小对风压系数Cp的影响，通过改变计算域入口处的空气速度，研究入口面1及入口面2上的风压系数Cp的变化情况，针对风速U=1m/s、2m/s、3m/s分别计算Cp值。

2.1 第一种出口边界条件

入口面1及入口面2为wall面，封闭，内部接口面为wall面，计算结果见表1、表2所示。

表1 入口面1上的压力值Table 1 Wind pressure of the 1st surface of entrance

表2 入口面2上的压力值Table 2 Wind pressure of the 2nd surface of entrance

由表1及表2可知，计算域入口风速的变化会导致风压系数Cp也随之而变。具体来说，随着风速的增加，入口面1及入口面2上的面平均压力值都增大了，且风压系数Cp值也随着风速的增大而变大。比较入口面1及入口面2的风压系数可以发现，入口面2上的Cp值明显较大，且随着风速的增大，Cp值的增幅也更大，这种差别的原因在于入口面1平行于风速来流方向，属于剪切通风形式，此种形式下风速对风压的影响较小，Chia-Ren Y H Chiu[12]等人在研究中也证明了此现象。

2.2 第二种出口边界条件

入口面1及入口面2为交界面，开口，设为interior，内部接口面设为pressure-outlet，计算结果如表3、表4所示。

表3 入口面1上的压力值Table 3 Wind pressure of the 1st surface of entrance

表4 入口面2上的压力值Table 4 Wind pressure of the 2nd surface of entrance

由表3可知，入口面1上的风压值均为负值，且随着风速的增大，入口面1上的风压系数Cp的绝对值越来越小，且越接近零。而由表4可知，随着风速的增大，入口面2上的风压系数Cp值反而减小，入口面2的风压值均为正值，因风速垂直于入口面，风经过入口面2四周的锐边缘时，会导致压力值的急剧变化，故压力值存在上升的趋势。但由两表可知，随着风速的增大，两个入口面上的风压值是增大的，说明入口面1及入口面2上的静压增值相对于动压的增值小，故导致风压系数Cp值随着风速的增大反而减小。

由表3可知，入口面1上的风压值为负值，但是这并不意味着风不能进入通道内部，由于入口面2与入口面1垂直相交，在交界处会出现气流的卷吸作用，进而导致气流进入内部通道。

3 结论

本文利用CFD方法对平入式地铁出入口的压力场进行了研究，并充分考虑了计算域的影响，考察了风速对于地铁出入口风压的影响。

（1）在工程计算中，一般先假设出入口为封闭状态，模拟计算得到出入口面的压力值，然后将得到的压力值作为新的边界条件计算通道内部的气流组织及压力值分布情况。而实际地铁出入口并不是封闭的，有气流进入出入口通道。本次研究比较了两种不同边界条件下的计算结果，发现同一流速下，全开的入口面上的风压值及风压系数都比封闭入口面上的小，且差别较大，甚至在入口面1上风压值会出现负值，故实际工程上将封闭建筑上的风压值作为开口建筑的边界条件进行计算的做法是不准确的，应该进行修正。

（2）本文研究了不同风速下的同一个地铁出入口的风压变化情况，当假设入口处于封闭状态时，风速增大时，入口面上的风压值及风压系数都随之增加；当入口不封闭时（现实中的状态），风速增大时，入口面上的风压值随之增加，但当采用风压系数Cp作为衡量指标时，Cp值随着风速的增大而减小。

（3）地铁出入口一般建在纵向的街道中，由于风的流动受到周边障碍物的影响，风向具有不稳定性，故实际能进入地铁通道内部的风量是不定的，故将计算域扩至整个街道，这样得出的两个入口面的压力值更准确，也可得出实际进入通道的风量。本次研究改变了入口风速，其他条件均不改变，故进入地铁通道内部的风量也随之改变，风压系数Cp也随着风速的改变而变化，故风压系数与进入通道的流量并不是独立的。