地铁站台活塞风与空调送风非等温耦合特性研究

3.0 牛悦 2024-11-11 5 4 2.17MB 84 页 15积分

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摘要

在地铁站台非屏蔽门系统中，地铁列车在隧道内运行产生的活塞风对地铁站

台气流组织影响显著。送风射流受站台间歇性活塞风作用的机理研究是从地铁环

控区域气流组织实际状态中抽象出来的科学问题，其广泛存在于地铁站台层、站

厅层、地铁走廊和地铁中转站等区域。送风射流与站台活塞风相互耦合的现象，

根据送风射流中空调系统开启与否，可分为等温耦合和非等温耦合两种工况，本

文在前人等温耦合的基础上，研究非等温耦合现象。恰当地控制和利用活塞风及

送风射流的相关参数，关系到广大乘客的舒适性和身体健康，对地铁热环境的舒

适性和节能性有很大作用。稳态送风射流（空调送风）与间歇性非稳态受迫气流

（活塞风）相互耦合是地铁站台热环境气流组织的典型特征，加强对其耦合机理

的研究，具有广泛的现实意义。

论文聚焦于非屏蔽门系统中站台活塞风与空调送风射流非等温耦合速度场和

温度场的机理及特性研究，综合运用了理论建模、液体缩尺模型实验和现场实测

等研究方法。其中，理论上建立了地铁活塞风与空调送风非等温耦合射流、速度

场和温度场的数学模型，具体特征参数包括：耦合射流轨迹曲线、轨迹与水平面

的夹角、质量平均速度、质量平均温度和轴心温度等参数，根据活塞风在站台上

附壁射流的运动理论模型，以地铁站台上不同位置 A（17.5,6）、 B（60,6）两点处

空调送风口作为研究对象，并由理论模型求解出活塞风作用周期内耦合射流速度

场和温度场各典型参数的动态变化规律，比较了两股射流等温耦合与非等温耦合

主要特征参数的区别，液体模型试验数据结果验证了两股射流非等温耦合速度场

和温度场理论模型的正确性。

在模型试验中，针对非等温耦合射流的温度场，把雷诺数和阿基米德数分别

作为速度场和温度场的相似准则数，通过实验模型与原型中的主要准则数相等，

计算出实验台尺寸，气体温度与盐水密度对应关系，搭建比例尺为 1:16 的盐水模

型实验台。借助电导率仪测试盐水电导率间接表征空气温度。在夏季空调季节对

实际建筑上海某地铁站站台层进行现场实测，测出站台层地铁活塞风与典型空调

送风射流非等温耦合的状态特征参数，如耦合射流的轨迹、速度场和温度场等，

与模型实验数据进行对比，验证模型实验台的准确性。

论文以地铁环控车站内部最典型的气流组织——站台活塞风与空调送风射流

的相互耦合为研究对象，建立了站台空调送风射流在活塞风作用下的非等温耦合

射流的温度场和速度场数学模型，这部分内容填补了现有理论研究的空白。相关

机理研究进一步完善了地铁环控节能舒适运行所需理论，两股射流非等温耦合特

性研究架起了理论研究与实际应用之间的桥梁，为地铁热环境的舒适节能服务，

为地铁交通可持续发展和城市建设服务，具有重要的科学意义。

关键词：站台活塞风空调送风射流非等温耦合温度场理论建模盐

水缩尺模型实验

III

ABSTRACT

In the non-platform screen door system, piston wind from the subway tunnel

influences the airflow of the subway platform greatly. The mechanical research of jets

influenced by intermittent piston wind is a scientific issue abstract from the actual state

of airflow in the subway environmental control area. It widely exists in the subway

platform, station hall, corridor, metro transit station and other large spaces. According to

the air conditioning system open or not, the mutual coupling of supplying air jet and

piston wind can be divided into two conditions: isothermal coupling and non-isothermal

coupling. On the basis of isothermal coupling, this study focuses on the phenomenon of

non-isothermal coupling. It is very good for the thermal comfort and energy-saving of

the subway to control and utilize the related parameters of piston wind and supplying air

jet properly. In addition, in the metro environmental control system, the coupling of

piston wind and air-conditioning jet when train is moving on the tunnel strongly affects

the airflow distribution of the platform, the station hall and the entire subway station,

and related to the passengers’ comfort and health. The mutual coupling between steady

jet(air-conditioning air) and intermittent unsteady force air flow (piston wind) is the

typical characteristics of the air distribution in metro thermal environment. Therefore, to

strengthen the research about the movement mechanism of the coupled wind has a wide

range of practical significance.

This paper focused on the research of velocity field and temperature field about the

non-isothermal coupling between piston wind and air-conditioning supplying air jet on

the non-platform screen door system, used theoretical modeling, model experiments and

field measurement methods synthetically. Through theoretical analysis to establish the

track of non-isothermal coupling jet about the piston wind and air-conditioning

supplying air and the mathematical model of the velocity field and temperature field,

and specific included tracks of coupling jet , angles between track and horizon, quality

average speed , quality average temperature, axial temperature and so on. Moreover, it

also got the dynamic variation of coupling jet about velocity field and temperature field

in the piston wind cycle, and validates the theoretical model according to the model

experimental results. According to the jet movement of piston wind in the station

platform wall and Using the air conditioning outlets of different position of Subway

platform, A (17.5,6), B (60,6) two points were as a research object, and also got the

dynamic variation of coupling jet about velocity field and temperature field in the piston

wind cycle. At last, compared with the main characteristic parameters of the two jets

coupled in the isotherm and non-isotherm conditions, and the experimental results of the

liquid model verified the accuracy of the velocity field and temperature field about the

two jets in non-isotherm conditions.

In the model experiments, the Reynolds number and Archimedes number were as

the standard numbers of velocity field and temperature field separately, built a scale

1:16 model brine experiment station, and used the conductivity meter to indicate the

brine density indirectly. In the summer air-conditioning season, according to a filed

measurement for a platform of shanghai subway station, acquired the non-isotherm

coupling state parameters of air-conditioning supplying jet and piston wind in the

platform, such as track of coupling, velocity field and temperature field. At last,

comparing the measured parameters and experimental data proved the accuracy of the

model test.

The research object of this paper was the most typical airflow organization of the

subway station —— the mutual coupling of the supplying air jet and piston wind, and

built the mathematical model of temperature field and velocity field about the platform

air-conditioning supplying jet influenced by piston wind in the non-isotherm mutual

coupling conditions, filled part of the blank of the existing theories. Related mechanism

further improved the required theory of the energy-saving and comfort in the subway

environmental control system, the coupling study of the two jets in the non-isothermal

conditions set up a bridge between the theoretical research and practical application,

served the comfort and energy-saving of the Metro thermal environment, served

sustainable development of subway traffic and urban construction, and had an important

scientific significance.

Key Word: Platform piston wind, Air-conditioning supplying jet,

Non-isothermal coupling, Theoretical modeling of temperature field,

Salt-Bath scaled model

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................................................................... 1

1.1 研究背景 ........................................................................................................ 1

1.2 国内外研究现状 ............................................................................................ 2

1.2.1 地铁活塞风研究现状 ........................................................................... 2

1.2.2 空调射流研究现状 ............................................................................... 3

1.3 论文主要研究内容及意义 ............................................................................ 5

第二章站台活塞风与空调射流非等温耦合理论数学建模 ................................. 8

2.1 活塞风简介 .................................................................................................. 8

2.2 站台活塞风与空调送风射流等温耦合速度场理论模型 ............................ 8

2.3 站台活塞风与空调送风射流非等温耦合速度场理论模型 ...................... 13

2.3.1 站台活塞风作用下空调射流轨迹 ....................................................... 13

2.3.2 非等温耦合射流轨迹截面质量平均速度 ......................................... 15

2.4 站台活塞风与空调送风射流非等温耦合温度场理论模型 ....................... 17

2.4.1 非等温耦合射流轨迹截面质量平均温度 ........................................... 17

2.4.2 非等温耦合射流轨迹截面主体段轴心温度 ....................................... 19

2.5 本章小结 ...................................................................................................... 20

第三章站台活塞风与空调射流非等温耦合特性理论求解与分析 ................... 21

3.1 理论求解站台活塞风与空调送风非等温耦合各参数特性 ...................... 21

3.1.1 站台活塞风动态变化及典型点选取 ................................................... 21

3.1.2 两股射流非等温耦合轨迹特性 ........................................................... 22

3.1.3 两股射流非等温耦合轨迹与水平方向夹角特性 ............................... 24

3.1.4 两股射流非等温耦合质量平均速度特性 ........................................... 25

3.1.5 两股射流非等温耦合射流主体段质量平均温度特性 ....................... 27

3.1.6 两股射流非等温耦合轴心温度特性 ................................................... 28

3.2 理论分析变工况下站台活塞风与空调送风非等温耦合射流特性 .......... 30

3.2.1 非等温耦合射流轨迹影响因素分析 ................................................... 30

3.2.2 非等温耦合射流特征温度参数影响因素分析 ................................... 32

3.3 理论对比站台活塞风与空调送风等温耦合与非等温耦合特征参数 ...... 37

3.3.1 两股射流等温与非等温耦合轨迹对比 ............................................... 37

3.3.2 两股射流等温与非等温耦合夹角对比 ............................................... 39

3.3.3 两股射流等温与非等温耦合质量平均速度对比 ............................... 40

3.4 本章小结 ...................................................................................................... 40

第四章液体缩尺模型实验与现场实测 ............................................................... 42

4.1 模型实验相似性原理及可行性分析 .......................................................... 42

4.1.1 液体缩尺模型实验相似性原理 ........................................................... 42

4.1.2 盐水缩尺实验可行性分析 ................................................................... 43

4.2 实验台搭建 .................................................................................................. 45

4.2.1 实验台原理及尺寸 ............................................................................... 45

4.2.2 实验台构成及数据采集 ....................................................................... 48

4.3 模型实验数据分析 ...................................................................................... 51

4.3.1 活塞风作用下空调射流竖直方向温度场 ........................................... 52

4.3.2 活塞风作用下空调射流水平方向温度场 ........................................... 54

4.4 现场实测验证模型试验结果 ...................................................................... 54

4.4.1 现场实测目的 ....................................................................................... 54

4.4.2 实测方案及仪器 ................................................................................... 55

4.4.3 实测数据对模型试验结果的验证 ....................................................... 56

4.5 本章小结 ...................................................................................................... 59

第五章缩尺模型实验对理论建模的验证 ........................................................... 61

5.1 模型实验与理论建模耦合射流轨迹对比 .................................................. 61

5.1.1 非等温耦合射流轨迹模型试验结果 ................................................... 61

5.1.2 模型试验验证理论模型耦合轨迹 ....................................................... 63

5.2 模型实验与理论建模耦合射流轴心温度对比 .......................................... 65

5.2.1 非等温耦合射流轴心温度模型试验结果 ........................................... 65

5.2.2 模型试验验证理论模型轴心温度 ....................................................... 67

5.3 本章小结 ...................................................................................................... 68

第六章结论与展望 ............................................................................................... 70

6.1 主要结论 ...................................................................................................... 70

6.2 不足与展望 .................................................................................................. 71

附表 ......................................................................................................................... 73

参考文献 ................................................................................................................. 76

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................................... 79

致谢 ......................................................................................................................... 80

第一章绪论

1.1 研究背景

随着我国城市化进程的快速发展，城市交通拥堵问题日益严重，个人机动车辆

拥有量的大幅度提高，我国城市传统的步行、自行车和机动车辆混合模式已经越

来越不适应现代城市交通运输的发展，大力发展城市轨道交通已成为解决城市交

通问题的重要手段。1990年全世界共有98个城市约5300km地铁轨道已经投入运营，

另有29个城市，94条线约1000km在建[1,2]，目前为止全世界约有120个城市建有地铁，

据不完全统计近20年来增加的线路是1863年到1963年一百年建成地铁总长度的3

倍。截至2011年底，我国地铁运营里程已达1688公里；而根据规划预测，到2015

年，我国地铁运营里程将达3000公里，2020年达6100公里[3]，将有40个城市建设地

铁，我国城市交通轨道建设已进入快速发展时期。目前上海地铁每天承担着全市

40%的公共交通客流量，是上海最重要的交通工具之一。业内人士表明[4]，未来中

国将迎来地铁的黄金发展期。

地铁是国际公认的解决大城市交通问题的首选技术，以其运量大、速度快、时

间准、能耗低、污染少和安全舒适的特点赢得了世界各大城市的青睐[5]。而地铁列

车在运行过程中引起的活塞风对地铁热环境的影响很大，恰当控制和利用列车引

起的活塞风，有利于维持适宜的地铁热环境。在地铁环控系统中，列车运行时产

生的地铁活塞风与站台中的空调送风射流产生耦合作用，强烈地影响站台、站厅

及整个地铁站内的气流组织分配，关系到广大乘客的舒适性和身体健康。

地铁列车在隧道内运行产生的活塞风与地铁通风和能耗关系密切。随着地铁

的广泛应用，有关活塞风影响规律的深入研究对于实现地铁运营节能具有重要的

理论价值和实际意义。在非屏蔽门系统中，站台空调送风射流受活塞风间歇性作

用的机理研究是从地铁环控区域气流组织实际状态中抽象出来的科学问题，其广

泛存在于地铁站台层、站厅层、地铁走廊区域和地铁中转站等空间[6,7]。该耦合气

流的发展状况受喷口形式、送风速度、送风温度和间歇性区间隧道活塞风等多种

因素影响，相比于间歇性受迫气流，送风射流又根据空调系统开启与否分为等温

射流和非等温射流[8,9]。课题旨在分析空调送风射流与间歇性的站台活塞风非等温

耦合条件下，耦合射流速度场、温度场的影响因素和变化规律，从而为实现空调

送风射流与地铁站台活塞风的优化配置提供理论基础，目的在于通过调控关键影

响参数，使地铁环控能够充分利用自然冷源，高效地利用空调冷源，在保证人员

地铁站台活塞风与空调送风非等温耦合特性研究

停留过渡区域舒适性的前提下，实现地铁环控的节能。这在节能减排的大背景下，

对于保证地下轨道交通的可持续发展[8]，是非常必要的。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 地铁活塞风研究现状

国内外众多研究者在影响地铁活塞风特性的问题上，已经分别从不同方向、

不同程度进行过研究。

对于隧道内活塞风的研究，同济大学吴喜平、沈翔在论文中详细的分析了伴

随地铁活塞风产生的瞬变压力和隧道微压波[10,11]以及其对乘客和工作人员的具体

影响，并建立数学模型，解出了地铁活塞风在隧道内的速度方程和压力方程。针

对于活塞风产生的过程，把活塞风分为以下七种情况[10]，即列车匀加速行驶、部

分车身进入隧道，列车匀加速行驶、全部车身进入隧道，列车在隧道内部匀速行

驶，列车匀减速、未有车身驶出隧道。并用数学公式推导出了列车匀减速行驶、

部分车身驶出隧道工况下的速度分布，以及给出了各种工况下的压力分布示意图。

上海理工大学王丽慧分析对比了活塞风在地铁站厅、站台和区间隧道内发展的速

度场和温度场[14]，得出不同工况下活塞风对三处的影响具有延时性，且活塞风在

三处的速度、温度大小不同，并且作出了活塞风周期内三处风量的对比。

对于活塞风对地铁热环境影响的研究，同济大学对上海地铁做了许多现场实

测工作，从列车变速对站台气流组织的影响、活塞风对区间和车站各单元的影响

等多方面分析了地铁站厅和站台[12]的热环境，并且对区间隧道内的通风[13,15]、上下

排热效果都有研究，做出理论和实测的对比，从速度、温度及压力[14]等多个方面

详细分析了活塞风对地铁站厅、站台的影响。王丽慧、董志周等人分析了地铁车

站热环境[16,17]，介绍了地铁环控系统的形式与组成，并探讨了地铁站内气流组织，

并运用单因素实验分析了地铁站台改善活塞风影响效果[17]的各个因素，如：列车

速度、阻塞比、车长、隧道表面摩擦系数和列车表面摩擦系数等。天津大学李涛[18]、

西安建筑科技大学辛伟宁[19]在各自的硕士论文中研究了活塞风对地铁站内气流组

织和对站内热、湿环境的影响，并运用数值模拟，得出空调送风量变化对乘客区

温、速度分布有较大影响，而对活塞风口处气流流动情况影响甚微，为实现有效

控制和利用活塞风提供基础和参考依据。除了进行直接理论推导和现场实测外，

国内研究人员还通过搭建地铁站台模型实验台，直接对活塞风送风特性及站台内

部气流组织变化进行实验模拟。河北工业大学采用 1:1 比例设置站台的宽度和高度，

采用 1:6 的比例缩短站台的长度搭建实验台[20]，研究站台楼梯口处的烟气纵向流动

第一章绪论

规律。天津大学通过搭建比例尺寸为 1:25[21]的单层侧式站台模型，研究地铁站内

紧急通风情况下的烟气的气流特性。中国科学技术大学钟委[22,23]通过搭建相似比例

尺寸为 1:8 的模型实验台进行大量基础性实验，模拟地铁火灾烟气的流动特性。西

安建筑科技大学朱柏山[24]、天津大学王峰[25]和杨向劲[26]分别对岛式站台和地铁侧式

站台实况进行数值模拟，采用合理的假设，用标准的 κ-ε湍流模型准确地模拟铁站

台的温度场与速度场，无论是岛式站台还是侧式站台，乘客出入口都将是活塞风

泻流和列车离站时段气流补充的主要地方。

在国外，目前韩国的小尺寸实验台方面投入较大，自 2003 年以来，韩国大邱

地铁火灾后，仁川大学的 Dong-Ho Rie 等人建立了一个 1:4 的模型实验台[27]来对地

铁站内机械排烟的模式进行了模拟，但其选择相似比太小，其是研究结果准确性

不高。韩国建筑技术协会[28]的J.K Kin 等建立了 1:20 的地铁隧道模型来研究由地铁

运行造成的活塞风，模型实验台由一个 39m的长通道、一个长 3m宽0.225m的模

拟列车和一节列车的传送装置组成。通过电机的转数可以实现列车的不同运行速

度，并得到不同速度下长通道内的压力变化。文献[29]分析了韩国地铁站能耗，给

出了多条韩国地铁线的详细信息（包括运营时间、所用电量和站内温度），指出电

量消耗是站内温度主要决定因素。文献[30]以台北地铁研究了地下活塞效应，并且

进行模拟了活塞风对地铁站台所造成的影响。文献[31]研究地铁站放射性物质含量

时建立了地铁站三维模型，分析地铁中放射性物质分布，并研究放射性物质与站

内空气组织的关系。日本学者福井正宪和古野圣武[32]通过搭建 1:40 的比例模型实

验台，对列车活塞风进行了系统的研究，并同时进行实地观察。研究发现当活塞

风风速超过 7-7.5m/s 时，乘客会表现出自卫反应。

与本课题直接相关的上海理工大学杜晓明搭建研究站台活塞风的缩尺模型实

验台，采用几何尺寸比例为 1:16[8]，选用雷诺数作为相似准则，通过大量实验验证

了地铁活塞风在站台上附壁射流的过程，这些研究成果为本课题的研究奠定了必

要的基础。

1.2.2 空调射流研究现状

射流是流体的一种特殊运动形式，国内外对于射流的研究较多，领域不同，

研究的方向也有所不同。空调房间送风射流运动大多属于多股非等温受限湍流射

流运动[33]，一般描述方法是在单股等温湍流运动规律基础上，引入射流受限、射

流重合和非等温射流修正系数。

1970 年国内学者总结，射流技术就是利用液体或气体的射流流动过程中所产

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I摘要在地铁站台非屏蔽门系统中，地铁列车在隧道内运行产生的活塞风对地铁站台气流组织影响显著。送风射流受站台间歇性活塞风作用的机理研究是从地铁环控区域气流组织实际状态中抽象出来的科学问题，其广泛存在于地铁站台层、站厅层、地铁走廊和地铁中转站等区域。送风射流与站台活塞风相互耦合的现象，根据送风射流中空调系统开启与否，可分为等温耦合和非等温耦合两种工况，本文在前人等温耦合的基础上，研究非等温耦合现象。恰当地控制和利用活塞风及送风射流的相关参数，关系到广大乘客的舒适性和身体健康，对地铁热环境的舒适性和节能性有很大作用。稳态送风射流（空调送风）与间歇性非稳态受迫气流（活塞风）相互耦合是地铁站台热环境气流...

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