站台活塞风与空调送风射流耦合的机理补充研究及应用
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摘 要
对于无屏蔽门的地铁站台，列车进站和出站过程中，因列车运行正压和负压
作用形成的站台活塞风与车站空调送风射流的动态耦合是地铁车站气流组织的典
型特性。动态站台活塞风与送风射流耦合规律的研究内容已立项了国家自然科学
基金项目。而在已有的研究成果中，站台活塞风的理论建模只针对列车进站过程，
对于列车出站负压作用下站台活塞风速度场的形成规律尚属空白。本文则重点建
立了列车出站工况下站台活塞风速度场的理论模型，并通过现场实测和数值模拟
方法进行验证完善；同时编制软件将上述国家自然科学基金全部理论研究成果转
化为实际地铁设计运营可参考的便捷的计算数据；论文依据站台活塞风在车站不
同区域分布特点将站台分为典型三个区域，从满足人体动态热舒适性的角度，利
用软件给出三个区域送风温度和送风速度的参考范围。
论文重点在于对无屏蔽门系统列车离站过程中负压作用下站台活塞风速度分
布进行理论建模。首先，基于二维吸风口速度分布模型，研究隧道口在受到隧道
壁面与站台壁面限制的情况下，站台活塞风风速的分布情况。根据列车离站车况
下，站台活塞风受影响的强弱程度，将站台分为受影响显著区域和受影响一般区
域，并得到两区域边界的计算式。通过理论公式的计算，分析几个不同参数的变
化对站台活塞风速的影响 v=v(x,y,B,F,u0)，发现：隧道宽度每增加 0.1m，站台活塞
风速度最大值增大约 0.15m/s；当站台宽度到 12m 时，站台宽度的增加对测点的活
塞风速度最大值基本没有影响；列车最大运行速度每增加 2m/s，站台活塞风最大
值增大 0.3m/s；列车加速度的增大，不影响站台活塞风的最大速度，只影响列车
在隧道运行完整工况对站台影响时间的长短。
其次，选取地铁二号线北新泾站进行现场实测，分别在列车离站状态站台活
塞风模型受影响的显著区域选取三十个测点，在一般区域的六个截面选取九个测
点，将实际测试的数据结果和理论计算结果作对比偏差分析，验证测试结果与理
论计算结果的吻合性，通过简化物理模型，数值模拟了在隧道口不同抽吸速度作
用下，站台活塞风速度场和压力场分布，验证理论模型的准确性以及分区概念的
合理性。
形成完整的列车进出站站台活塞风计算理论和列车进出站周期内耦合射流相
关参数计算，根据该计算结果分析列车进出站周期内，站台耦合射流的变化情况，
以及耦合射流作用下，人员停留典型高度的热舒适性情况，通过 VB 编程，形成一
套完整简洁的计算工具，通过 Labview 的模拟数据传递过程，完成计算数据结果
在前面板的同步演示，动态直观的观察耦合射流的速度及温度变化情况。
最后将站台合理分区，列车进站状态下站台活塞风起始段为 A区，站台活塞
风发展段为 B区，列车离站站台活塞风受影响显著区域为 C区。结合不同工况下
耦合射流轨迹、人体吹风满意度 PD 值以及人体热舒适性指标 RWI 在列车进出站
过程中的变化情况，合理分析变化过程，结合实际地铁站台设计要求，给出合理
的建议，以 PD、RWI 为主要满足条件，耦合射流最大偏转角度为参考条件，对于
站台的不同区域，A区域送风温度 28℃~30℃，送风速度 6m/s；B区域送风温度
30℃~32℃，送风速度 6m/s~8m/s；C区域送风温度 30℃~32℃，送风速度 6m/s。
关键词：列车离站站台活塞风 隧道口负压抽吸模型 现场实测 VB 编
程 Labview 模拟数据传递
ABSTRACT
In the subway environment system without platform shield doors, the piston wind
has a significant impact on the air distribution of the platform; during the train out
situation, the negative pressure is formed at the tunnel export and plays suction roles to
the platform; the research about piston wind coupled with air jet is a national natural
science foundation project. The results are all based the trains-in status, there’s still no
research about the trains-out status. This paper focus on the trains-out status, so we
aimed at the modeling of the platform air distribution with the suction roles from the
tunnel export, with this model we put the platform into three area, then we combine the
isothermal coupling and non-isothermal coupling model, so we can calculate the
platform air distribution at any situation. Then with the calculation results we can
research then comfort of the passengers during the train in and train out situation, and
give some Eerrgy-economizing Suggestions.
This paper focussd on the modeling of the negative pressure suction roles during
the train out situation in the non-platform screen system, with the research methods of
theoretical modeling and field measurement. First of all, it’s the first time we introduced
this model, we introduce the suction roles of the tunnel export to the platform with
limitation of tunnel wall and platform wall, and take the platform into two parts(the
affected part and the normal part), then determine the dividing line of the two parts and
analysis the influence factors of the platform velocity v=v(x,y,B,F,u0), we found that the
the platform velocity increase 0.15m/s while the tunnel width increase 1meter; when the
platform width increase to more than 12m, it’ll have much less affect on the platform
velocity; the maxmum velocity of train increase 2m/s while the platform velocity
increase 0.3m/s; the acceleration of the train has less affect to the maximum velocity of
the platform, but do affect its influence time to the platform.
Second, we choose an appropriate platform to have a field measurement(the Bei
xinjing station in metrol line two in ShangHai), we arranged thirty measuring points in
the affctted part and six measuring sections in the general part, then make comparative
analysis between the theoretical value and test value and have an error analysis. And
verify the accuracy of the modeling.
Third,using the VB programming, we got a software with simple interface, we can
calculate the parameter of the coupled jet and establish a database. And with the
Labview programm, we had a dynamic display of the calculation results.
Last, Solve the Trajectory, draught rating and percentage of dissatisfied during the
train in and trainout situation , give some advice to make a comfortable platform and
make full use of the air supply and save energy.
Key Word: Platform piston wind, Suction model of the train-out
export, Field measurement, VB programming, Labview simulation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ........................................................................................................... 1
1.1 研究背景 ........................................................................................................ 1
1.1.1 地铁发展现状 ....................................................................................... 1
1.1.2 活塞风对车站环境的影响 ................................................................... 2
1.2 国内外研究现状 ............................................................................................ 3
1.2.1 隧道活塞风特性的研究现状 ............................................................... 3
1.2.2 隧道活塞风对站台环境影响的研究现状 ........................................... 3
1.2.3 地铁站台过渡区域舒适性的研究现状 ................................................. 5
1.3 论文主要研究内容及意义 ............................................................................ 6
第二章 列车离站过程站台活塞风风速理论建模 ................................................. 8
2.1 列车离站过程的主要特性分析 .................................................................. 8
2.2 列车离站工况站台活塞风理论模型建立 .................................................... 8
2.2.1 受负压影响显著区域站台活塞风速度求解 ......................................... 8
2.2.2 受负压影响一般区域站台活塞风速度求解 ....................................... 14
2.3 列车离站模型解析式求解 .......................................................................... 15
2.4 列车离站状态站台活塞风影响因素分析 .................................................. 16
2.5 本章小结 ...................................................................................................... 18
第三章 列车离站状态地铁站台活塞风速度场的现场实测与数值模拟 ........... 20
3.1 现场测试目的 .............................................................................................. 20
3.2 实测方案 ...................................................................................................... 20
3.2.1 测试对象 ............................................................................................... 20
3.2.2 测试工况要求 ....................................................................................... 20
3.2.3 测点选取及测试方法 ........................................................................... 21
3.3 离站状态下站台活塞风速度的理论值与实测结果对比 .......................... 25
3.3.1 受影响显著区域典型点活塞风速度理论与实测对比分析 ............... 25
3.3.2 受影响一般区域典型截面实测数据分析 ........................................... 29
3.4 CFD 数值模拟 .............................................................................................. 30
3.4.1 物理模型的建立和网格划分 ............................................................... 30
3.4.2 模拟结果及分析 ................................................................................... 31
3.5 本章小结 ...................................................................................................... 33
第四章 两股射流耦合计算软件开发及结果动态显示 ....................................... 34
4.1 软件开发的意义与设计思路 ...................................................................... 34
4.1.1 软件设计思路 ....................................................................................... 34
4.1.2 软件开发工具 ....................................................................................... 35
4.1.3 软件可实现功能 ................................................................................... 36
4.2 数学模型求解方程概述 .............................................................................. 36
4.3 程序计算流程图及程序框图 ...................................................................... 42
4.3.1 VB 程序计算过程及流程图 .................................................................. 42
4.3.2 VB 程序界面 .......................................................................................... 46
4.3.3 Labview 程序框图 ................................................................................. 47
4.4 程序编译 ....................................................................................................... 48
4.5 软件输出结果展示 ....................................................................................... 50
第五章 基于站台环境舒适性需求分析的软件应用 ........................................... 56
5.1 站台分区概念的提出 ................................................................................... 56
5.2 列车进出站过程中典型点耦合射流轨迹变化 ........................................... 57
5.2.1 不同喷口送风温度耦合射流轨迹线 ................................................... 58
5.2.2 不同喷口送风速度耦合射流轨迹线 ................................................... 60
5.3 列车进出站过程中典型点 PD 指标变化 ................................................... 62
5.3.1 不同喷口送风温度 PD 指标对比 ........................................................ 62
5.3.2 不同喷口送风速度 PD 指标对比 ........................................................ 63
5.4 列车进出站过程中典型点 RWI 指标变化 ................................................. 64
5.4.1 不同喷口送风温度 RWI 值对比 .......................................................... 65
5.4.2 不同喷口送风速度 RWI 值对比 .......................................................... 66
5.5 本章小结 ...................................................................................................... 68
第六章 结论与展望 ............................................................................................... 69
6.1 主要结论 ...................................................................................................... 69
6.2 不足与展望 .................................................................................................. 70
参考文献 ................................................................................................................. 71
在读期间发表的论文和承担科研项目 ................................................................. 75
致谢 ......................................................................................................................... 76
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
1.1 研究背景
在狭长的地下空间里，隧道和站台是一个连通的区域。为了营造一个安全、
环保的站台，较多的地铁线路安装了屏蔽门系统，在室外温度合适的地区仍有一
部分地铁线路采用安全门或无屏蔽门站台。地铁站台是一个人员短暂停留区域，
随着人们对乘客短暂停留区域的研究，人们越来越重视候车站台这样过渡区域的
环境热舒适性，对于安全门或非屏蔽门系统，在列车进出站的影响下，站台气流
组织情况呈现周期性非稳态的动态变化，显著影响着站台候车人员动态热舒适性
和站台环控系统冷量分布，前人[1][3]对地铁隧道活塞风的形成，以及活塞风与喷口
送风等温与非等温耦合作用下对站台气流组织的影响，有了比较深入的研究，两
者针对的是列车进站状态的研究，对于列车离站隧道口负压抽吸作用下，站台活
塞风的理论建模，目前还没有人进行研究。本论文补充列车离站隧道口抽吸理论
目的在于更全面的了解列车完整的进出站情况下站台活塞风变化特性，从而分析
列车进出站过程对于站台候车区域的舒适性影响，从节能性、候车人员舒适性等
方面出发，合理利用非屏蔽门系统下的隧道活塞风。同时相关研究结论对商场、
超市、走廊这样类似的人员短暂停留区域的环境热舒适性研究有很大的指导意义。
1.1.1 地铁发展现状
地铁，作为地下铁路交通工具，是轨道交通的一部分，也是城市公共交通的
重要组成。狭义上所说的地铁针对的是在城市地下运行的铁路或捷运；但是广义
上，此类系统往往配合修筑环境需要，可能会有部分路段在地面上，所以它是覆
盖了都市地上地下交通的高密度交通系统。作为享有“绿色交通”美誉的城市轨
道交通工具，地铁除了方便快捷之外，由于大部分在地下，其占地面积大大减小，
同时减少了对环境的污染。
英国的大都会（Metropolitan Railway），作为世界上第一条地下轨道交通在 1863
年开始运营，该地铁设计初衷是缓解伦敦交通压力，由于当时的电力还没有普及，
列车用的仍然是蒸汽机车。由于其运输能力强、运行准时的特点，很快全世界各
大城市都相继效仿。
我国城市轨道交通建设远远落后于发达国家，随着改革开放，国民经济得到
上海理工大学硕士学位论文
2
了充分的发展，各地区的城市现代化建设飞速发展。城市向郊区不断扩张，城市
面积不断扩大，一线城市人口急剧上升，市民平时出行和货物运输极度频繁，城
市交通运输能力受到巨大的挑战。伴随着我国城市的现代化，城市轨道交通以其
牵引动力大、客运能力强、占地面积小以及节能减排的特地，很快在城市交通工
具中占有一席之地。据统计，截止 2014 年4月，已有近 168 座城市建造了城市地
下铁路系统，总 里程数达 8000 公里。中国以 2800 公里总里程数，位于世界之首，
到2020 年我国新建的轨道交通线路预计超过 100 条，总建设里程为 3000km，投资
规模超过 10 万亿元。
1.1.2 活塞风对站台热环境的影响
为了保证地铁站台和站厅层的室内气温的相对舒适，庞大的地铁站一般选择
全空气系统对站台、站台均匀布置风口，从地铁站反馈过来的数据来看，用于地
铁站内部环境调节的空调设备及照明的耗电量约占地铁整个运行总能耗的 40％[8]，
空气调节和站内的机械排风同时开启时，两者的能耗在整个的地铁能耗中完全超
过了列车的所需的牵引能耗[9]。
因为在地铁站内，影响空调及排风系统的耗能因素很多，这就使得空调能耗
占总体能耗有很大的波动。列车在区间隧道内运行形成活塞风，对于没有屏蔽门
的地铁环控系统有很大的影响，而且对站台的作用情况复杂，对地铁系统的空调
能耗有着很大的影响，目前已成为国内外地铁研究的主要对象之一[10]。
对于开式系统或闭式无屏蔽门系统，隧道活塞风可以得到充分利用，通风或
吸风状态可以完成对列车站台的通风换气而减少机械排风所需能耗，这一作用在
过渡季节尤为明显，隧道活塞风可以实现站台与外界的自然通风，节约风机运行
带来的能耗；在空调季节，没被利用的冷量进入隧道[11][12]，可以适当降低隧道温
度，以保证车辆空调设备的正常运转[13][14]。
考虑活塞风以上有利的情况，在列车进出站周期性隧道活塞风的作用下[15]，
站台活塞风与喷口送风射流耦合气流对站台区域舒适性有着很大影响，为了更好
的利用活塞风，加强对由列车进出站引起的间断性活塞风对站内（无屏蔽门系统）
气流组织（喷口送风）的影响作用的研究，具有广泛的现实意义[16][17]，此研究已
经立项了国家自然科学基金项目。本论旨在分析列车在离站过程去隧道口形成负
压，在隧道口抽吸作用下，站台送风射流耦合后的运动情况，在优化喷口的送风
温度和送风速度的情况下，更多去利用活塞风的有利影响。
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作者：侯斌
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时间：2025-01-09
