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摘要：基于现场测试数据，对新型可调通风型屏蔽门系统进行了模拟研究，分析了屏蔽门上方风口三种开启角度30°、60°、90°时活塞风对车站内流场变化的影响，计算了出入口风量，并与地铁设计规范进行了对比。结果表明，60°至90°风口开启角度能够满足地铁设计规范要求，风口角度开启越大，站台层受到活塞风影响越大，开启角度为60°时，活塞风作用于站台区域范围最大。建议可调通风型屏蔽门风口的开启角度在60°至90°范围为宜。
关键词：地铁；屏蔽门；活塞风；模拟
引言
地铁作为一种重要的交通工具，在缓解城市道路拥堵等方面发挥着巨大的作用。目前全世界开通地铁的城市已经超过100多个，国内已经有30多个城市拥有了地铁线路，解决了大多数人们的出行需求，与此同时，地铁运行所带来的能源消耗问题也越来越值得人们关注。地铁车站常用的屏蔽门系统有两种形式，一种是全封闭屏蔽门，另一种是全高安全门，全封闭屏蔽门系统将站台和隧道完全隔开，站台区有独立的通风空调系统，隧道内依靠活塞风来与外界进行空气交换。全高安全门并没有完全将站台和隧道分隔开，在安全门上部有空气流通，这样的设置有利于在过渡季节合理利用列车在隧道运行所产生的活塞风来给站台提供风量，夏季造成站台区冷负荷增加是该系统的缺点。综合分析两种系统的优势，近年来提出了一种新型的地铁站台门系统，又称可调通风型站台门系统，它是在全封闭屏蔽门的上端开启可调节的风口，夏季关闭，过渡季和冬季打开来利用活塞风对站台区域进行通风。近年来，对这种新型屏蔽门系统进行了一些研究和探索，表明该新型屏蔽门系统是可行的，并且有较好的节能性[1]。西南交通大学、西安建筑科技大学等对地铁环境和火灾排烟及安全疏散进行了多年的研究与实践。目前该系统在上海和南京等部分城市已经投入使用。本文基于新疆乌鲁木齐某岛式车站模型，研究了可调通风型屏蔽门可调风口的开启角度对于站台区流场变化的影响，并核算了三种工况的风量，对于空调季节较短且过渡季较长的北方地区，提出了更合理的方案。
1模型的建立与研究方法
1.1模型的建立与简化
以目前在建的新疆乌鲁木齐二号线农业大学站为研究对象，该车站为典型地下二层岛式车站，结合实际工程建立了站台，站厅和隧道区域的几何模型并进行了简化，其中，站台层尺寸140m×12m×3m，站厅层尺寸110m×20m×5.2m。站厅吊顶高度为3m，由于本文重点研究单列车运行的情况，因此只建立了单侧部分隧道，隧道部分的物理尺寸为160m×4.0m×4.5m。站台屏蔽门长度140m，屏蔽门上方2.2~3m处设置可开启的百叶风口（图2），风口尺寸2.0m×0.6m，百叶宽度20cm，忽略百叶厚度的影响，沿屏蔽门长度方向每侧各设置26个风口，车站排风机关闭，重点研究活塞风对车站的影响。
1.2计算方法和边界条件
本文采用三维数值模拟的方法，利用计算流体力学CFD软件，求解器采用基于压力的非稳态求解，湍流模型采用realizablek-ε两方程模型，SIMPLE算法，为求得精确解，采用有限容积法的二阶迎风格式。边界条件的设置：1）隧道断面定义为速度入口边界条件，采用UDF设置活塞风速，活塞风速的函数变化规律参考课题组2017年1月的测试数据。2）出入口和对侧百叶风口设置为压力边界条件。3）百叶风口设置为内部面，空气可以自由通过。
2地铁站测试
2.1测试对象和测试过程
为摸清地铁屏蔽门通风数值模拟的基础边界条件，课题组于2017年1月21日10：00-19：00，对西安地铁二号线纬一街站的B型车进出站阶段的活塞风特性进行了测试。测试仪器WFWZY-1万向风速仪2台，风速测试量程0.05~30m/s。自动记录列车进、出站通过测试断面的活塞风速，采样时间间隔为2s，通过实测获得了活塞风的变化特性及数学表达式。
2.2活塞风速设置
本文将列车进、出站分为两个阶段进行模拟，忽略停站阶段，列车进站阶段共模拟70s。出站15s，参考实测数据，站台进站端断面A-A和出站端断面B-B风速均呈现规律性变化，利用Fluent中用户自定义函数UDF，将断面A-A和B-B活塞风速设置为与时间有关的函数。
3模拟结果分析
3.1进站阶段速度场分析
分析活塞风引起的站台层流场变化，取列车进站t=5s、t=40s时刻风口中心高度Z=1.7m处速度云图进行分析。当t=5s时，此时A-A断面已经测得活塞风速，屏蔽门上方百叶风口由隧道向站台进风[2]。处于30°开启时，受到百叶的阻挡，活塞风进入站台区域阻力较大，大部分活塞风沿隧道流向下游区间，所以对站台公共区流场影响较小。随风口开启角度的增大，风口处活塞风受到百叶的阻力减小，风口处风速明显增大。当t=40s，A-A断面风速达到最大值6m/s，活塞风所引起的站台区流场越来越紊乱，屏蔽门风口均处于进风状态，与t=5s相比，进入站台层的风量明显增加，并在楼梯口处形成较明显的速度梯度，楼梯处局部风速超过1.5m/s。随着风口开启角度的增大，可以看出，处于90°开启时，站台公共区所形成的流场最为紊乱。
3.2出站阶段速度场分析
列车出站，车尾经过B-B断面，隧道内风速最大值为5m/s，屏蔽门各个风口均由站台向隧道出风，风口开启角度越大，阻力越小，站台与隧道间风量交换越显著。
3.4车站通风量分析
地铁设计规范中规定“通风季节新风量按照30m3/h•人，通风换气次数需满足不小于5次/h。”鉴于站台和隧道的压差作用，列车进站阶段车站风口处于进风状态，即活塞风由隧道流入站台。列车出站阶段，风口处于出风状态，活塞风由站台流入隧道，同时对面一侧风口进风，故定义列车进、出站所引起的车站新风量计算式：G=L×（G1+G2+G3）式中：G为车站新风量，m3/h；L则为小时行车的对数，对/h；G1为列车进站阶段屏蔽门风口进入车站的风量，m3/h；G2为列车出站阶段出入口进入车站的室外新风，m3/h；G3为列车出站阶段从对侧屏蔽门风口进入车站的风量，m3/h。根据资料，发车间隔约为5min，假设两侧隧道列车交错进、出站，则小时行车对数为L=24对/h，计算得到车站风量。新疆农业大学站设计高峰小时停站人数为698人，需要的最小新风量为20940m3/h。根据换气次数5次/h计算得到车站所需风量为58200m3/h，站厅层所需风量为33000m3/h，经比较得到60°、90°风口均能满足设计规范要求，这与林炎顷等人的研究结论相符，30°风口满足人员所需最小新风量但小于规范规定的5次/h换气次数的规定，说明可调通风型屏蔽门的风口30°开启角度时，其活塞风不能保证车站内的通风换气的需求[3]。
结束语
本文基于新疆乌鲁木齐地铁二号线农业大学站建立物理模型，重点研究了单列车进、出站工况下，设置不同开启角度的可调通风型屏蔽门站台区的流场变化规律，运用CFD软件模拟了三维流场，得出新疆地区空调运行时数相对较短、过渡季节较长，使用这种新型屏蔽门可以合理地降低通风能耗，且能基本满足人体的舒适要求。综合考虑，建议可调通风型屏蔽门风口的开启角度应为60°至90°。
参考文献：
[1]叶晨辉，曹艳华，臧建彬.屏蔽门地铁车站系统排热数值模拟研究[J].制冷，2016，36（2）：12-17.
[2]明廷臻，龚廷睿，杨威，等.带风口屏蔽门地铁车站自然通风特性的数值模拟[J].暖通空调，2017，47（7）：94-98.
[3]谢强松，张欢，尹奎超，等.两种站台门系统对天津地铁侧式站台冬季内部环境的影响[J].暖通空调，2015，45（7）：33-36.