高军 曾令杰
同济大学机械与能源工程学院
摘 要：为了解决地铁站轨行区均匀排热问题，研究出一种新型等截面长风管局部阻力构件为验证该构件是否具有优化排风均匀性的作用，本文采用CFD方法模拟已有排风管道流场及风管阻力特性，模拟结果说明该局部阻力构件具有优化管道内气流组织，各风口排风均匀性好，降低风机能耗的特点。针对已有排风管各排风口的风量、风速进行了实测，实测加该局部阻力构件的排风管各风口风量结果与模拟计算的结果能较好地吻合，证明采用CFD方法可以较好地预测风管道内的流场分布，具有较高的可靠性。
关键词：均匀排风节能局部阻力构件
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
目前我国各主要城市都在兴建地铁以缓解中心城区的交通压力[1]。而地铁在驶入地铁站的过程中，因地铁制动散发的热量较大，工程上通常在地铁站台区的轨顶和轨底设置等截面长风管，以排风形式带走地铁制动所产生的热量[2]。
由于地铁站轨行区的排热均匀性很大程度上依赖于排风均匀性[3]，本文将均匀排热问题简化为均匀排风问题。为克服常规排风管道的不足，保证各风口实现均匀排风，研究出一种新型等截面长风管局部阻力构件，本文针对无／有该局部阻力构件的排风管道进行CFD数值模拟，分析该局部阻力构件是否具有优化排风均匀性的作用，并通过实测已有排风管道各风口风量，对模拟结果进行验证。
1 均匀排风原理
传统地铁站轨行区排热系统采用等截面长风管进行排风，其利用的是静压排风原理[4]，对于排风管道，静压绝对值由风机侧至末端沿程降低，根据条缝型孔口出流公式[5]：
对于在风口处加装新型局部阻力构件的排风管，构件处的风管断面如图2，其利用全压排风原理[6]，局部阻力构件的设置可将风机动力比较均匀地分配到风管中每一个排风口流动支路上，使得每个排风口保持较为理想的风量均匀度；同时局部阻力构件的开口面积由风机侧至风管末端沿程增大，根据风量与孔口出流面积成正比，在静压绝对值沿程降低的同时增大出流面积可以使各风口处流量趋于一致，在传统排风管的基础上显著提升了排风均匀性。
2 排风均匀性模拟
为验证该局部阻力构件是否具有优化排风性能的作用，利用计算流体力学工具，对无／有局部阻力构件的地铁站轨行区排风系统的速度、压力分布分别进行数值模拟。已有排风管道长103.2m，管道为3000mmx800mm的等截面管道，并且分别在38.4m和53.8m处设有两个弯头，排风口有40个，均位于管道的下表面，从风机侧至管道末端依次给各风口编号：风口1、风口2、风口3等，风机额定风量为45000m3m，为了对无局部阻力构件的排风管道与有局部阻力构件的排风管道性能做出比较，分别对两者进行建模。两种风管的尺寸、长度、风口尺寸及总风量相同，区别仅在于是否在风口处加装该局部阻力构件。如图3为已有排风管平面图。
2.1数值模型
采用CFD模拟软件Fluent对地铁站轨行区均匀排风系统进行模拟。利用Gambit建模，对与排风口紧邻的主风管划分非结构化网格，网格尺寸50mm，对于无排风口的直管段划分结构化网格，网格尺寸100mm；各排风口设为压力人口边界，压力取相对大气压力OPa；风机人口处采用速度边界条件，风速根据给定风量进行返算。从风机侧至管道末端依次给各风口编号：风口1、风口2、风口3等；风机和各风口处均取水力直径及湍流强度计算条件。管道设置为“Wall”边界，管壁粗糙度取薄钢板风管粗糙度0.16，局部网格划分如图4。
计算求解采用分离式求解器，压力速度藕合采用SIMPLE算法，二阶迎风离散格式，标准模型，近壁面采用Enhanced Wall Treatment[7]。各流动项残差均小于10-5，网格独立性经过了检验。
2.2排风均匀性模拟结果
根据上述物理模型，建立稳态N-S方程进行数值模拟，有局部阻力构件的排风管模型在迭代3000步左右时收敛，无局部阻力构件的排风管模型在迭代3500步左右时收敛。
图5为两种排风管40个排风口的风量模拟结果，理论上各风口的均匀排风量为1125m3／h。模拟结果显示，无局部阻力构件的传统排风管各风口排风量标准差为2684.98m3/h，有局部阻力构件的排风管各风口排风量标准差为71.28m3/h，由此可见有局部阻力构件的排风管相较传统排风管在排风均匀度改善上有了大幅度的改善。
2.3风管内流场对比分析
风管内流场分析包括速度场和静压场分析。
速度场分析：图8与图9分别为无局部阻力构件排风管与有局部阻力构件排风管在截取流动平稳段即风口6～10的速度分布云图。对比速度分布云图可以看出，相同位置处无局部阻力构件排风管的风速明显低于有局部阻力构件排风管，同时沿长度方向无局部阻力构件排风管内相邻两风口风速下降更快，而在有局部阻力构件的风管内各处速度分布较为均匀，靠近局部阻力构件尾部近壁面风速较低，这是因为空气由外部空间进入排风管内方向发生改变而产生的离心力作用。各排风口风速沿程略有降低，由于各局部阻力构件的开口面积沿程增大，根据风量与风速、风口面积成正比关系，故该排风管能够实现均匀排风，从图中也可看出，除局部阻力构件尾部有少量涡流外，该局部阻力构件对管内气流干扰较小。
静压场分析：图10与图11分别为无局部阻力构件排风管与有局部阻力构件排风管在截取风口6～10处的静压分布云图。对比静压分布云图可以看出，无局部阻力构件排风管内各处静压绝对值很小，且各排风口之间静压差别较大，由于该风管利用的是静压排风原理，故各排风口风量较小且不均匀；对于有局部阻力构件的排风管，管内各处静压绝对值较传统排风管大幅上升，说明该风管各排风口风量明显高于无局部阻力构件排风管，静压绝对值沿长度方向逐渐降低。由于局部阻力构件有效利用了管内动压头，故由风口进入管道内相同的风量所需的静压头下降，同时由于局部阻力构件具有导流作用，使直流三通阻力降低，有利于实现各排风口均匀排风。
3 风管阻力特性模拟
3.1数值模型建立及边界条件设置
风管阻力特性模拟采用的物理模型与之前一节所述相同，仅是将风机入口的速度边界条件变为压力出口边界条件，给定风机压头从-1500Pa到-100Pa变化，中间间隔为100Pa，共15个工况，根据排风机总压返算的每一个工况下的排风管风量以及计算所得的管道压力损失，再根据△p=SQ2拟合出无局部阻力构件的传统排风管与有局部阻力构件排风管的管路特性曲线如图12。该结果说明，在排风机工作效率不变且无／有局部阻力构件的排风管总排风量相等时，有局部阻力构件排风管能大幅降低风机能耗，降低的能耗可根据风机性能曲线与管路特性曲线相交的风机工作点位置算出。
4 模拟结果与实测对比验证
为了验证模拟结果的准确性，对已有均匀排风管（已加装局部阻力构件）典型风口风量，风速及静压进行了实测，各风口排风量测试采用精度较高的风量罩(型号ACH-1，测量范围150—3600m3/h，测量精度3%)，并用热球风速仪（型号QDF-3，测量范围0.05～10m/s，测量精度5%）所测风速与实测局部阻力构件开口面积对风量罩所测风量进行校准，根据对该排风管道系统的测试分析，在风机排风量为45000m3/h的条件下，将实测的典型风口排风量与数值模拟所计算的各个风口处的排风量进行对比。如图11，从该图可以看出，通过数值模拟得出的各风口的风量值与各风口的实测值能够较好吻合。从而证明用CFD数值模拟可以较好地预测风管道内的流场分布，具有较高的可靠性。
5 结论
为保证地铁站轨行区实现均匀排风，以便有效排出地铁制动过程中散发的热量，研究出一种新型等截面长风管局部阻力构件，本文对其排风性能做了数值模拟，与传统等截面排风管进行对比并与已有排风管实测结果进行对比验证，得到以下结论：
1)对于有局部阻力构件的排风管，其排风均匀性明显优于无局部阻力构件的传统排风管。
2)通过速度场与压力场对比分析可知，有局部阻 力构件的排风管内流场分布较为均匀，且相同位置处 的速度和静压绝对值比无局部阻力构件的排风管高，有利于实现均匀排风。
3)风管阻力特性模拟可知，对于相同排风管（其区别只是有无局部阻力构件）在排风机工作效率相等的前提下，有局部阻力构件排风管能降低一部分风机能耗。
4)已有排风管实测结果与数值模拟结果进行对比验证，数值模拟得出的各风口风量值与各风口实测值能够较好地吻合，证明用CFD数值模拟可以较好地预测风管道内流场分布，具有较高可靠性。
参考文献
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[2] Feng- dong Yuan, Shi- Jun You. CFD simulation and optimizationof the ventilation for subway side platform[J].Tunnelling andUnderground Space Technology, 2007, 22: 474-482
[3] 张建刚，何天祺，惠磊，单侧进风长通道多风口送风均匀性研究[J]．制冷与空调，2005，(S): 104-106
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