CFD技术在地铁通风设计中的应用进展.pdf

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1、隧道与地下工程器TunneI&UnaergrOundEngineeringCFD技术在地铁通风设计中的应用进展刘忠荣(上海审建工程造价咨询有限公司，上海200010)摘要：介绍了地铁环境的特点和研究方法、CFD技术的基本原理与求解过程。以及CFD技术在地铁通风设计中的具体应用案例。这些案例表明，CFD技术能够评价并优化地铁通风设计方案，这对缩短设计周期、降低研发成本、保证设计方案的可行性和可靠性具有重要的工程应用价值。关键词：地铁；隧道；CFD；通风设计；数值模拟中图分类号：U231．5文献标志码：B文章

2、编号：1009—7767(2010)01-0099-04AdvanceonApplicationofCFDTechniqueinVentilationPlanningofSubwayLiuZhongrong1地铁环境的特点和研究方法1．1地铁环境的特点【-11)地铁车站和区问隧道除出入口等极少部位与外界连通外，其余基本与外界隔绝，只有用人工气候环境才能满足乘客的要求。2)地铁需要不间断照明，车站和车厢的照度、色彩、装饰和布置都是影响乘客心理变化的重要因素。3)列车、设备和乘客都会释放大量热能。若不及时排出

3、。将使车站和区间隧道内温度上升，影响乘车环境。4)地铁隧道是狭长的地下建筑。列车和各种设备在运行中产生大量噪声不易消除。会对乘客产生很大影响。5)列车在区间隧道运行时产生“活塞效应”．若设计不合理。会干扰车站的气流组织，使乘客的舒适度下降，并影响车站的负荷。6)当发生事故尤其是火灾时，将导致环境恶化，使施救困难，必须采取有效的应急措施。上述特点．导致地铁环境存在的主要问题是121：环境温度上升。空气质量下降，风速及风压急剧变化。因此，空气质量、温度、压力瞬变是地铁环境控制的3个主要问题。为满足乘客的安全舒

4、适和设备的使用要求．地铁内必须具备良好的环境控制系统。要采取有效措施，创造和维持良好的地铁环境。具体包括：控制车站和区间隧道内温度、湿度、气流速度、空气质量和噪声，为乘客创造舒适安全的乘车环境；当列车滞留在区间隧道时。要保证维持车厢内乘客生理需求的必要环境条件；当地铁发生火灾时，能提供有效的排烟手段，为乘客和消防人员输送足够的新鲜空气．引导乘客迅速撤离现场。1．2地铁环境的研究方法131早期主要采用实验测量方法研究地铁环境。该方法优点是能够获得第一手真实可信的数据。为地铁环境设计提供直接依据，这也是理论分

5、析和数值模拟的基础。但实验测量成本高，人力物力消耗大。测试时间长，效率低，且受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度等诸多客观条件的制约。随着数值计算技术的发展，科研工作者开始采用数值模拟方法对地铁环境进行研究．其重点是地铁内不稳定空气动力学和热力学方面的问题。具体包括：地铁车站正常工况下的温度场、速度场、压力场、平均空气年龄、人体舒适性的模拟研究．以及地铁车站和隧道事故、火灾T况下的温度场、速度场、压力场、污染物质量浓度分布与烟气流动状况等。2CFD技术的基本原理与求解过程2．1基本原理计算流体动力学

6、(ComputationalFluidDynamics．简称CFD)是通过数值方法求解包含流体流动和热传导等相关物理现象的控制方程，以获得流场的离散的2010第1期(1一)第28巷啼荭数木川ET99器隧道与地下工程Tunnel&UndergroundEngineering定量描述，并采用图形可视化技术显示计算结果，来预测流体运动规律的综合技术。CFD技术的基本思想是：将原来在时间域和空间域内连续的场变量(如速度场和压力场)，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散

7、点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解场变量的近似值。根据离散原理不同，CFD求解方法主要包括有限差分法、有限单元法和有限体积法。目前大多数商业化CFD软件均采用有限体积法。2．2控制方程I蝴1)质量守恒方程。任何流动问题都必须满足质量守恒定律，即：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。质量守恒方程常称为连续性方程，具体表达式为：里+V0y)：0。dt式中：P为密度；t为时间；V为流体的速度矢量。2)动量守恒方程。动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律．即：

8、微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。该定律实际上是牛顿第二定律。动量守恒方程也称为Navier-Stokes方程．具体表达式为：型+V(JoVV)：pF+V#。dt式中：F为外力；Z为黎性应力张量。3)能量守恒方程。能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律．即：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热量加上体力和面力对微元体所做的功。该定律实际是热力学第一定律，具体表达式为：掣+