地鐵站軌行區(qū)排風均勻性模擬研究與實驗驗證
高軍 曾令杰
同濟大學機械與能源工程學院
摘 要：為了解決地鐵站軌行區(qū)均勻排熱問題，研究出一種新型等截面長風管局部阻力構件為驗證該構件是否具有優(yōu)化排風均勻性的作用，本文采用CFD方法模擬已有排風管道流場及風管阻力特性，模擬結果說明該局部阻力構件具有優(yōu)化管道內(nèi)氣流組織，各風口排風均勻性好，降低風機能耗的特點。針對已有排風管各排風口的風量、風速進行了實測，實測加該局部阻力構件的排風管各風口風量結果與模擬計算的結果能較好地吻合，證明采用CFD方法可以較好地預測風管道內(nèi)的流場分布，具有較高的可靠性。
關鍵詞：均勻排風節(jié)能局部阻力構件
Simulation Study and Experimental Verification
of Exhaust Uniformity in the Subway Station
GAO Jun, ZENG Ling-jie
College of Mechanical Engineering, Tongji University
Abstract: In order to solve the problem of exhaust uniformity in the subway station, this paperproposes a new localresistance device. To verify whether this device has optimized exhaust uniformity, the whole flow field and the resistancein the duct is simulated by using the CFD. The simulation results introduce that the new local resistance device has thecharacteristics of the optimization of air distribution, the good uniformity of each outlet, the low energy consumption offan. The air volume, wind speed of each outlet are measured, and the measured results and the numerical simulationresults can better match. It verifies that using the CFD technique can accurately predict the flow field in the pipe.
Keywords: exhaust uniformity, energy conservation, local resistance device
0 引言
目前我國各主要城市都在興建地鐵以緩解中心城區(qū)的交通壓力[1]。而地鐵在駛入地鐵站的過程中，因地鐵制動散發(fā)的熱量較大，工程上通常在地鐵站臺區(qū)的軌頂和軌底設置等截面長風管，以排風形式帶走地鐵制動所產(chǎn)生的熱量[2]。
由于地鐵站軌行區(qū)的排熱均勻性很大程度上依賴于排風均勻性[3]，本文將均勻排熱問題簡化為均勻排風問題。為克服常規(guī)排風管道的不足，保證各風口實現(xiàn)均勻排風，研究出一種新型等截面長風管局部阻力構件，本文針對無／有該局部阻力構件的排風管道進行CFD數(shù)值模擬，分析該局部阻力構件是否具有優(yōu)化排風均勻性的作用，并通過實測已有排風管道各風口風量，對模擬結果進行驗證。
1 均勻排風原理
傳統(tǒng)地鐵站軌行區(qū)排熱系統(tǒng)采用等截面長風管進行排風，其利用的是靜壓排風原理[4]，對于排風管道，靜壓絕對值由風機側至末端沿程降低，根據(jù)條縫型孔口出流公式[5]：
對于在風口處加裝新型局部阻力構件的排風管，構件處的風管斷面如圖2，其利用全壓排風原理[6]，局部阻力構件的設置可將風機動力比較均勻地分配到風管中每一個排風口流動支路上，使得每個排風口保持較為理想的風量均勻度；同時局部阻力構件的開口面積由風機側至風管末端沿程增大，根據(jù)風量與孔口出流面積成正比，在靜壓絕對值沿程降低的同時增大出流面積可以使各風口處流量趨于一致，在傳統(tǒng)排風管的基礎上顯著提升了排風均勻性。
2 排風均勻性模擬
為驗證該局部阻力構件是否具有優(yōu)化排風性能的作用，利用計算流體力學工具，對無／有局部阻力構件的地鐵站軌行區(qū)排風系統(tǒng)的速度、壓力分布分別進行數(shù)值模擬。已有排風管道長103.2m，管道為3000mmx800mm的等截面管道，并且分別在38.4m和53.8m處設有兩個彎頭，排風口有40個，均位于管道的下表面，從風機側至管道末端依次給各風口編號：風口1、風口2、風口3等，風機額定風量為45000m3m，為了對無局部阻力構件的排風管道與有局部阻力構件的排風管道性能做出比較，分別對兩者進行建模。兩種風管的尺寸、長度、風口尺寸及總風量相同，區(qū)別僅在于是否在風口處加裝該局部阻力構件。如圖3為已有排風管平面圖。
2.1數(shù)值模型
采用CFD模擬軟件Fluent對地鐵站軌行區(qū)均勻排風系統(tǒng)進行模擬。利用Gambit建模，對與排風口緊鄰的主風管劃分非結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸50mm，對于無排風口的直管段劃分結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸100mm；各排風口設為壓力人口邊界，壓力取相對大氣壓力OPa；風機人口處采用速度邊界條件，風速根據(jù)給定風量進行返算。從風機側至管道末端依次給各風口編號：風口1、風口2、風口3等；風機和各風口處均取水力直徑及湍流強度計算條件。管道設置為“Wall”邊界，管壁粗糙度取薄鋼板風管粗糙度0.16，局部網(wǎng)格劃分如圖4。
計算求解采用分離式求解器，壓力速度藕合采用SIMPLE算法，二階迎風離散格式，標準模型，近壁面采用Enhanced Wall Treatment[7]。各流動項殘差均小于10-5，網(wǎng)格獨立性經(jīng)過了檢驗。
2.2排風均勻性模擬結果
根據(jù)上述物理模型，建立穩(wěn)態(tài)N-S方程進行數(shù)值模擬，有局部阻力構件的排風管模型在迭代3000步左右時收斂，無局部阻力構件的排風管模型在迭代3500步左右時收斂。
圖5為兩種排風管40個排風口的風量模擬結果，理論上各風口的均勻排風量為1125m3／h。模擬結果顯示，無局部阻力構件的傳統(tǒng)排風管各風口排風量標準差為2684.98m3/h，有局部阻力構件的排風管各風口排風量標準差為71.28m3/h，由此可見有局部阻力構件的排風管相較傳統(tǒng)排風管在排風均勻度改善上有了大幅度的改善。
2.3風管內(nèi)流場對比分析
風管內(nèi)流場分析包括速度場和靜壓場分析。
速度場分析：圖8與圖9分別為無局部阻力構件排風管與有局部阻力構件排風管在截取流動平穩(wěn)段即風口6～10的速度分布云圖。對比速度分布云圖可以看出，相同位置處無局部阻力構件排風管的風速明顯低于有局部阻力構件排風管，同時沿長度方向無局部阻力構件排風管內(nèi)相鄰兩風口風速下降更快，而在有局部阻力構件的風管內(nèi)各處速度分布較為均勻，靠近局部阻力構件尾部近壁面風速較低，這是因為空氣由外部空間進入排風管內(nèi)方向發(fā)生改變而產(chǎn)生的離心力作用。各排風口風速沿程略有降低，由于各局部阻力構件的開口面積沿程增大，根據(jù)風量與風速、風口面積成正比關系，故該排風管能夠實現(xiàn)均勻排風，從圖中也可看出，除局部阻力構件尾部有少量渦流外，該局部阻力構件對管內(nèi)氣流干擾較小。
靜壓場分析：圖10與圖11分別為無局部阻力構件排風管與有局部阻力構件排風管在截取風口6～10處的靜壓分布云圖。對比靜壓分布云圖可以看出，無局部阻力構件排風管內(nèi)各處靜壓絕對值很小，且各排風口之間靜壓差別較大，由于該風管利用的是靜壓排風原理，故各排風口風量較小且不均勻；對于有局部阻力構件的排風管，管內(nèi)各處靜壓絕對值較傳統(tǒng)排風管大幅上升，說明該風管各排風口風量明顯高于無局部阻力構件排風管，靜壓絕對值沿長度方向逐漸降低。由于局部阻力構件有效利用了管內(nèi)動壓頭，故由風口進入管道內(nèi)相同的風量所需的靜壓頭下降，同時由于局部阻力構件具有導流作用，使直流三通阻力降低，有利于實現(xiàn)各排風口均勻排風。
3 風管阻力特性模擬
3.1數(shù)值模型建立及邊界條件設置
風管阻力特性模擬采用的物理模型與之前一節(jié)所述相同，僅是將風機入口的速度邊界條件變?yōu)閴毫Τ隹谶吔鐥l件，給定風機壓頭從-1500Pa到-100Pa變化，中間間隔為100Pa，共15個工況，根據(jù)排風機總壓返算的每一個工況下的排風管風量以及計算所得的管道壓力損失，再根據(jù)△p=SQ2擬合出無局部阻力構件的傳統(tǒng)排風管與有局部阻力構件排風管的管路特性曲線如圖12。該結果說明，在排風機工作效率不變且無／有局部阻力構件的排風管總排風量相等時，有局部阻力構件排風管能大幅降低風機能耗，降低的能耗可根據(jù)風機性能曲線與管路特性曲線相交的風機工作點位置算出。
4 模擬結果與實測對比驗證
為了驗證模擬結果的準確性，對已有均勻排風管（已加裝局部阻力構件）典型風口風量，風速及靜壓進行了實測，各風口排風量測試采用精度較高的風量罩(型號ACH-1，測量范圍150—3600m3/h，測量精度3%)，并用熱球風速儀（型號QDF-3，測量范圍0.05～10m/s，測量精度5%）所測風速與實測局部阻力構件開口面積對風量罩所測風量進行校準，根據(jù)對該排風管道系統(tǒng)的測試分析，在風機排風量為45000m3/h的條件下，將實測的典型風口排風量與數(shù)值模擬所計算的各個風口處的排風量進行對比。如圖11，從該圖可以看出，通過數(shù)值模擬得出的各風口的風量值與各風口的實測值能夠較好吻合。從而證明用CFD數(shù)值模擬可以較好地預測風管道內(nèi)的流場分布，具有較高的可靠性。
5 結論
為保證地鐵站軌行區(qū)實現(xiàn)均勻排風，以便有效排出地鐵制動過程中散發(fā)的熱量，研究出一種新型等截面長風管局部阻力構件，本文對其排風性能做了數(shù)值模擬，與傳統(tǒng)等截面排風管進行對比并與已有排風管實測結果進行對比驗證，得到以下結論：
1)對于有局部阻力構件的排風管，其排風均勻性明顯優(yōu)于無局部阻力構件的傳統(tǒng)排風管。
2)通過速度場與壓力場對比分析可知，有局部阻 力構件的排風管內(nèi)流場分布較為均勻，且相同位置處 的速度和靜壓絕對值比無局部阻力構件的排風管高，有利于實現(xiàn)均勻排風。
3)風管阻力特性模擬可知，對于相同排風管（其區(qū)別只是有無局部阻力構件）在排風機工作效率相等的前提下，有局部阻力構件排風管能降低一部分風機能耗。
4)已有排風管實測結果與數(shù)值模擬結果進行對比驗證，數(shù)值模擬得出的各風口風量值與各風口實測值能夠較好地吻合，證明用CFD數(shù)值模擬可以較好地預測風管道內(nèi)流場分布，具有較高可靠性。
參考文獻
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