第３８卷第２９期 ・１５８・ ２ ０ １ ２年１ ０月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏｌ＿３８ Ｎｏ．２９ Ｏｃｔ．２Ｏ１２ 文章编号：１００９－６８２５（２０１２）２９—０１５８－０２ 单线隧道活塞风计算方法 刘 鹏 （山西省建筑设计研究院，山西太原０３０００１） 摘要：通过对单线单竖井隧道的空气动力学特性进行一维的理论分析，初步了解了隧道内的活塞风特性及其影响因素，并通过 ＳＥＳ软件进行模拟，对理论计算结果进行验证。该计算方法的提出，为隧道内活塞效应的研究建立了理论基础。 关键词：隧道，活塞风，竖井，ＳＥＳ 中图分类号：Ｕ４５３．５ Ｏ 引言 地铁列车在区间隧道中运行时，隧道中的空气被列车带动而 顺着列车前进的方向流动，这一现象称为列车的活塞作用，所形 成的气流称为活塞风…。活塞风的特性是隧道设计的重要参数， 且地铁列车在区间隧道中运行时所产生的活塞效应对隧道和站 台内空气的流动特性和空气品质起着重要影响，列车在地铁隧道 中高速运行时的活塞效应不仅对隧道内空气的流动特性起着重 要影响，而且对列车内的空气品质及地铁站台的通风也会产生比 较大的影响，因此对地铁隧道内活塞效应的研究有着十分重要的 意义。 １ 单线单竖井隧道活塞风速理论计算 列车在区间隧道内运行时，由于隧道壁面的限制，列车对隧 道空气产生推动作用，列车车头处呈现正压，车尾部分则为负压， 在这样的压差作用下，一部分气体被推出隧道出口，进入下一车 站，一部分则从车头经过列车和隧道间的环状空间流到车尾。为 方便研究做如下假设： １）隧道内流场为一维恒定流动； ２）只研究整个列车均在隧道内，且匀速前进的工况； ３）隧道出入口处风压均为当地大气压，即忽略隧道出入口的 压差； ４）隧道内无坡度变化，无截面积变化，壁面粗糙度不变； ５）隧道内初始速度为０。 隧道中部有一竖井，列车在竖井左侧隧道中匀速前进（见图 １），取１断面和２断面为距离隧道人口和出口一定距离的断面， 此处的空气速度为０，相对压强为０。断面３和断面４分别为列车 车头和车尾所在断面，断面５为隧道竖井出口处速度为０断面， 断面６为紧靠竖井前断面。假设列车长度为 ，前进速度为 。， 横截面积为Ａ０，当量直径为ｄ０，竖井截面积为Ａ ，长度为￡ ，竖井 当量直径为ｄ ，竖井内速度为 ，竖井左右两侧隧道断面积均为 Ａ，长度分别为 。和 ，活塞风速为 ，隧道阻塞比为 ， ＝Ａ０／，４， 隧道内空气密度为Ｐ，各断面压强均为Ｐ （ｉ＝ｌ～６），各断面速度 均为 （ｉ＝１—６）。 隧道与列车间的近似环状空间的断面积为Ａ—Ａｎ，当量直径 为ｄ ，环形空间中气流相对于隧道壁的速度为 ，气流相对于火 车的速度为 。 在列车运行时，其排开气体的体积一部分从隧道出口排出， 一部分从列车车头经环状空间流到列车尾部。对竖井左侧隧道 内流场应用不可压缩流体的连续性方程 。 Ａ０ ０＝Ａｖ＋（Ａ—Ａ０） 。 收稿日期：２０１２—０８－２１ 作者简介：刘鹏（１９７６一），男，工程师 文献标识码：Ａ 整理得： Ａ０％一Ａｖ ０一 丁 。 Ａ０ 。一Ａ ０一 ．一 ． ｏ 。 ’ 入 一Ｌ 出 口 口 —生Ｕ． ． 厶 图１单线单竖井隧道示意图 列车在隧道内运行至不同位置时，竖井内的气流方向会不 同，当列车经过竖井时，竖井内气流会发生速度从大变小然后又 从小变大的转向过程。 以下研究中忽略竖井内风量大小的变化过程，分别研究列车 只在竖井前和竖井后隧道内运行的工况。 对整个隧道列连续性方程： ｖＡ＝ Ａ＋１）ｃＡ （２） 对１．４断面，３－４断面，３－２断面和３－５断面分别应用气体能量 方程 。 ｐ４＋等２ 。＋Ａ等）， 等２ （３） ｐ，＋譬２：ｐ ＋譬２＋（ ＋Ａ ｌｏ＋ ） ２ （４） １ｐ３＋ ２ｐ３＋ ＝Ｐｏ＋Ａ．‘３６ ｄ ２＋（Ａ ２＋（Ａ ＬｂＬ，ｂ＋ 。＋ ，）ｔｗｂ ｄ。＋ ，２ ２ （５） ／ｐ３＋ ２＝Ｐｏ＋Ａ－３６ ｄ２＋（Ａ专＋ ＋ ）譬２ （６） 式中：￡——隧道入口； 孝。——出口阻力系数； Ａ——隧道沿程阻力系数； Ａ ——环状空间隧道沿程阻力系数； Ａ ——竖井沿程阻力系数； 邑——空气流入； ——流出列车和隧道间环形空间的局部阻力系数； ｌ——竖井； ——隧道连接处三通的直流和支流阻力系数。 整理得： 第３８卷第２９期 ２ ０ １ ２年１ ０月 刘鹏：单线隧道活塞风计算方法 ・１５９・ ｐ３ ： 。 ＋ 譬 （７） 以列车速度为６０ ｋｍ／ｈ为例计算单线有竖井隧道活塞风量及风 速的计算方法。此时，列车位于竖井和隧道入口之间。计算得当 ｐ３ ： ＋ ｐ下Ｖｃ （８） 前活塞风量为１４５ ｍ ／ｓ，右侧隧道和竖井风量分别为７８．５ ｍ ／ｓ 和６６．４ ｍ ／ｓ。 ｐ３ ： （９） ２．２数值模拟 本研究采用地铁环控模拟软件（Ｓｕｂｗａｙ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｉｍｕｌａ— 其中 ： Ａ ， ＝Ａ鲁 ＋ ＝Ａ Ｌｃ ＋ ｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｐｒｏｇｒａｍ，简称ＳＥＳ软件）对上述例子进行模拟计算。 ＳＥＳ软件是国际通用的成熟软件，被世界各地的地铁环境控制领 ，分别是左侧隧道、右侧隧道和竖井的总阻力系数； 为活塞作 域广泛加以应用，也被世界各地的环境控制设计及咨询行业所认 ３＋Ａｌ ｊ－ｕ一＋ 可，计算结果已经成功应用于世界各地的地铁系统中。ＳＥＳ计算 用系数¨ ＝—Ｔ 。 模型是一维计算模型，提供列车在隧道内动态模拟过程。、 由式（７），式（８）可得： 图２给出了模拟结果，结果显示，当列车在左侧隧道内以 ＝ （１ｏ） ６０ ｋｍ／ｈ运行时，活塞风速在７５时达到最大，此时，活塞风速为 代入式（２）得： ４．８ ｍ／ｓ，右侧隧道和竖井内风速分别为２．４ ｍ／ｓ，４．２ ｍ／ｓ。最大 速度值和理论计算结果非常接近。从模拟结果可知，当列车速度 √ 从０ ｋｍ／ｈ增加到６０ ｋｍ／ｈ时，活塞风速逐渐增加到最大，然后经 过竖井浸入右侧隧道，则左侧隧道内风速减小，右侧隧道内风速 由式（７），式（９）和式（１１）得： 增大。 口＝— （１２） 图３给出了右侧隧道和竖井内风量比，随着列车不断前进， √ 右侧隧道和竖井风量比基本为０．７５—０．８５，也与理论计算结果相 吻合。 其中，￡为隧道的总阻力系数： １．００ ，： ＋ ｂ—————— （１３） 一曲 Ｏ．９５ ｃ ＋鲁√鲁 ０．９０ ＋ 匠 ．．‘ ＾ 詈０糊 ０．．８８０ ５ ．．。 文献［１］给出了活塞作用系数计算方法，见式（１４）。但是该 如 ０．７５ 式中，０．ＯＯ８ ６ ｍ是建国初期采用国产的铁路用蒸汽机车牵引，在 ０．７０ ２００ ６００ １ ０ｏｏ １ ４００ 横断面积Ａ。＝１２．６ ｍ。条件下，根据现场试验结果计算得出的 。 列车位置，ｍ 列车位置／ｉｎ・ｓ－ 但是该数据是否适用于现有的铁路隧道、地铁隧道和列车等都还 图２活塞风速计算结果 图３右侧隧道和竖井内风量比 有待实验验证。文献［４］给出了适用于隧道活塞风的Ｋ值的计算 ３结语 方法： 通过对单线单竖井隧道内的空气动力特性进行一维的理论 Ｋ＝ ＿——— （ １ （（１４ ）） 分析和研究，初步了解了隧道内的活塞风的特性及其简单计算方 一 ） 、 法，并且通过ＳＥＳ软件的模拟计算进行验证。研究表明该方法计 式（１２）给出了当列车在竖井左侧内隧道运行时活塞风速的 算准确，适用于工程中对计算精度要求较低的场合。对单线多竖 计算方法，同理可以得到列车在竖井右侧隧道内运行时活塞风速 井的情况，计算与单线单竖井的计算方法相同。 的计算方法，此处不再赘述。为了验证该理论公式的正确性，本 参考文献： 研究拟采用ＳＥＳ软件进行模拟计算，并将计算结果与理论计算结 ［１］ 金学易，陈文英．隧道通风与隧道空气动力学［Ｍ］．北京：中 果进行比较。 国铁道出版社．１９８３． ２算例和数值模拟分析 ［２］ 周谟仁．流体力学泵与风机［Ｍ］．第３版．北京：中国建筑工 ２．１ 算例 业出版社，１９９４：１４７－１５０． 对长度为２ ０００ ｍ的单线单竖井隧道进行计算。隧道的横截 ［３］ 刘伊江．隧道内列车活塞风的计算方法［Ｊ］．都市快轨交通， 面积为３０．５ ｍ ，当量直径为５．５２ ｍ，隧道沿程阻力系数为０．０２２， ２００６（５）：５５—５８． 车辆尺寸为１２０ ｍｘ３ ｍ×３．８ ｍ，列车横截面积为１１．４ ＩＩｌ２。竖井 ［４］康国青．站台屏蔽门对车站环境影响的研究［Ｄ］．北京：北 位于隧道中问，尺寸为５０ ｍ×４．５ ｍ×４．５ ｍ，截面积为２０．２５ ｍ 。 京工业大学，２００９：３２．３３． Ｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｐｉｓｔｏｎ ｗｉｎｄ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｌｉｎｅ ｔｕｎｎｅｌｓ ＬＩＵＰｅｎｇ （Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＳｈａｎｘｉ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｕｎｄｅ￣ａｋｅｓ ｔｈｅ ｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ—ｌｉｎｅ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ ｓｈａｆｔ ｔｕｎｎｅｌ，ｈａｓ ｔｈｅ ｐｒｉ— ｍａｒｙ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｉｓｔｏｎ ｗｉｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｎｆｌｕｅｎｔｉａｌ ｆａｃｔｏｒｓ，ｈａｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＳＥＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｅｗ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ￣ｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｐｉｓｔｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ，ｐｉｓｔｏｎ，ｓｈａｆｔ，ＳＥＳ