地铁通风网络的数值分析

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1、第!"卷，第#期中国铁道科学$%&’!"(%’#!))!年!月*+,(-.-,/0-12*,3(*34567897:，!))!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!文章编号：#))#;<="!（!))!）)#;)#"#;)>地铁通风网络的数值分析冯炼，刘应清（西南交通大学机械工程学院，四川成都=#))"#）摘要：根据地铁列车在运行过程中引起空气流动的特点，采用通风网络理论，对空气流动现象进行合理简化，对于复杂的地铁网络系统，利用图论中“树图”理论形成独立回路，并利用电路理论中有关定律解算回路

2、中风量、风阻。发展和完善了地铁空气流动的数值计算方法。结合我国正在进行的某轻轨地下部分环境控制设计的任务，对地铁系统速度场、温度场进行了预测；并对不同的环境控制方案进行了比较，提出了合理建议。关键词：地铁；通风网络；数值模拟中图分类号：?<>"’>文献标识码：-!地铁系统网络分析#引言!"#树图与独立回路的确定随着世界城市地铁的迅速发展，地铁环境控制现设某包含车站、隧道和风井的地铁结构如图问题也愈来愈引起人们的关注，!)世纪")年代末#所示。将该图抽象成由节点和气流支路组成的通以前，多数地铁都没有真正考虑环境问题，地铁列风系统图。如图!所示，图中支路用!"表示，节点车的运动引起

3、的活塞风速使车站通道和站台上的乘用#"表示，其中#>$##)均为与大气相连接的节点，客要忍受较高风速，随着地铁列车车速的提高，同而通风网络要构成连通图在大气中只能有一个真实向行驶列车之间距离的缩短，该问题显得更加突节点，应除去伪节点，经变换变为如图"所示地铁出。由于人们对环境要求的提高，地铁环境控制措通风网络图，也称拓扑图。施不断得到改善。许多国家的科学家对地铁通风和环境控制进行了大量的研究，目前，世界各国研究地铁环境控制的主要方法有试验方法和数值模拟方法。试验方法可分为全尺寸现车试验和缩尺模型试验。数值模拟研究方法分有限差分法、有限元法和特征线法等。由于实车试验和模型试验组织

4、和实施难度较大，工作量也非常巨大，因此地铁环境控制图#地铁结构示意图的研究普遍采用数值计算的方法。地铁系统是一个由车站、隧道和通风竖井组成的复杂三维网络，它与公路隧道、铁路隧道、矿井通风等有着相似的理论分析方法，可以直接借鉴其研究成果。目前地铁系统的通风数值模拟，主要是研究地铁内的一维不稳定空气动力学和热力学问题，包括列车活塞风、机械通风、空气阻力、地铁图!通风系统图温升等问题。收稿日期：!))#;)=;#@作者简介：冯炼（#A=<—），女，重庆人，副教授，工学博士。万方数据"!#中国铁道科学第#!卷图!为包含节点!的集合，边"的集合，以及边20———网络中第0条风路的风阻值；

5、#与节点$之间有关联关系的!的有向图%（!，"，/0———网络中第0条风路的风量值。!），其中，%&%（!，"，!）{!&（$"，$#，$!，$$，$%）（"）"&（#"，##，#!，#$，#%，#&，#’，#(，#)）图$树图对于地铁隧道和风井支路，风压除了局部阻力、沿程阻力等自然风压，还包括列车阻力和机械通风阻力，其支路流量方程可写成如下形式：*,0#30&50,0+60,0+70&80（$）*4图!通风网络图其中，30———包含该支路几何尺寸的参数；80———包含流量,0的二次多项式。根据图论中树的理论，一个拓扑图，其全部分根据质量守恒定律：支可分为树支及余树支两部分，一

6、个图的生成树不)（-"0，0&"，#，⋯，(）（%）是唯一的，因此必须寻找最小树（或最优树）。从!"0-/0-&+-&"网络中选最小生成树的问题，在“图论”及其它学式中，"0-———在第0个节点上的第-条风路中空气科中已有研究，有向图%（!，"，!），’!’&(，密度；’"’&)存在一个包含所有节点，但没有闭合回路/0-———在第0个节点上的第-条风路的空气的子图，称为树图如图$所示，它是有向图%的一个流量。子集，没有包含在树图中的支路，也是图%的一个根据能量守恒定律：)))子集，为余树图。其中树图中树支个数为（(*"），余!10-&!1,0-+!1-0-支数为（)*(+"），

7、树图中增加一个余支，就形成一---个相互独立的回路。余支数即为有向图基本回路个（-"0，0&"，#，⋯，)*(+"）（&）数，图!的基本回路数为%。若各支路流量为,（--&"式中，10-———第0回路上第-条回路的风压值；.)），回路中流量为/（00&".)*(+"），则有式1,0-———第0回路上第-条风路中通风机的风（#）。压；ì,"&/"1-0-———第0回路上第-条风路的自然风压。ï,#&*/#由式（$）.（&）可得到图!的网路方程：ï网络"：ï,!&/"*/!ï*,"*,!ï,$&