地铁隧道内列车活塞风的计算方法
都市快轨交通・第19卷第5期2006年10月
学术探讨
地铁隧道内列车活塞风的计算方法
刘伊江
(铁道第二勘察设计院 成都 610031)
摘 要 以流体连续性方程及伯努利方程为理论依据,针对地铁特点,推导得出隧道内列车活塞风的计算方法,并对影响活塞效应的因素做定性分析。关键词 地铁 隧道 列车 (SES、STESS等)。在国内相关专著或刊物上,虽然针对铁路山岭隧道通风的活塞风计算方法已有一些介绍[12],但地铁隧道内活塞风的手工计算方法的介绍却并不多见。本文的目的是借鉴山岭隧道活塞风的计算方法,针对地铁隧道的特点,从流体力学的基本原理出发,推导得出简单隧道模型下地铁活塞风的理论计算方法,并定性分析其特点。
图1 地铁隧道内活塞风计算示意图
后面;列车尾部在一段时间内驶离形成一段“空穴”,由车尾周围的空气就近补充。在隧道中运行时,由于受隧道壁的限制,列车前端所排挤开的空气不能全部绕流到车后,有相当一部分被推向前方;而列车尾部的“空穴”也不能由尾部附近的空气及时补充,故形成比在半自由空间行驶时更大的尾部负压,进而吸引远处的空气流入补充。设列车横断面积为A0,车速为V0,
(见图1),在dt时间内,列车前端推开的空气体积为
A0V0dt,即列车以A0V0的体积率推移前端空气。此部
1 模型的建立
列车突入隧道后的一段时间内,活塞风压的压源是随列车而移动的,活塞风速随时间增大。但当隧道足够长时,一段时间后活塞风速便趋于一稳定值,活塞风基本达到稳定流状态,活塞风压稳定不变,与列车走行位置无关[12]。相对而言,地铁隧道长度远大于列车长度,故在多数情况下,地铁隧道活塞风可按恒定流计算。
为简化计算模型,这里按一个区间内仅有一列车行驶考虑,且只考虑计算区段前后各两座活塞风井的作用,忽略相邻其他(前端及后端)区段及列车的影响,如图1所示。对这种简化对计算结果带来的影响将在文末讨论。
分风量分为两部分,一部分向前方隧道流动形成活塞风,另一部分风量则由列车与隧道壁形成的环形间隙中流向列车后方。设隧道横断面积为A,活塞风速为
v,列车与隧道壁之间环状空间内空气的绝对流速(相
对于隧道壁)为w,则向前流动的空气体积为Avdt,流向车尾的空气量为(A-A0)wdt,根据连续性方程可写出
A0V0dt=Avdt+(A-A0)wdt
2 活塞风形成的机理
列车在半自由空间上运行时,其前方空气可不受阻挡地被排挤到列车的两侧及上方,继而绕流到列车
收稿日期:2006-03-01
修回日期:
2006-07-07
则有
w=
α=
A-A01-α
(1)
式中,α为列车阻塞比,α=A0/A。
而环状空间中空气相对列车的流速vs为
作者简介:刘伊江,男,大学本科,工程师,从事地铁通风与空调设
计,yijiangliu@126.
com
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vs=w-V0=
1-α
(2)
22
ρp4+-ζ-ζ=p04-5+λtc+λc
22Ddc2
2(7)
3 公式推导
由前述可知,活塞风压的压源为(p4-p3)。由此分别写出车-隧环形空间段空气相对列车流动的伯努利方程、活塞风相对风道-隧道流动的伯努利方程及连续性方程,联立求解即可得出隧道内活塞风速。
22
ρp4+-ζ-ζ-4-5+λt5-6+λt
222DD
22
vρ
ζ=p0 (8)d+λd
dd2
由式(6)、式(7)可得
p4-p3=ξ2-5
2
3.1 气流相对列车运动的伯努利方程
由图1中44断面与33之间气流相对列车运动的伯努利方程
p4+
2
+ξb
2
ρ2
+ξc
2
ρ2
(9)
式中:ξ,含局部阻力和沿ζ+,
。d
ρ(v0-v)2
2
=p3+
ρ(v0-v)2
2++ζ02
,即无列车的隧道区段。
联立式(4)及式(9),可得
K
可得
2
ρp4-+ζ1+λ02
2d0
(3)
ρ2
2
ζ式中:λ0为环状空间气流沿程阻力系数;1为车头环状空间进口局部阻力系数;ζ2为车尾环状空间出口局部阻力系数;L0为环状空间长度,即列车长度;d0为环状空间水力直径。
ζ为计算方便,将ζ1、2并入λ0中,令
ζ1++ζ2=NL0d0
-1
=ξ2-5
2
2
+ξb
2
ρ2
+ξc
2
ρ2
(10)
式(10)中有v、vb、vc为未知量,通过流体连续性方程可得出此三个未知量之间的关系,则可求解该方程。
3.3 连续性方程
由流体连续性方程可知
Q=Aava+Abvb=Acvc+Advd=Av
(11)
式中,N为列车阻力系数,由试验确定,按文献[2]、
[1],取N=86×10
p4-p3=86×10
-4
又由并联原理可知
ξa-2
2
ρvm
L0
,代入式(3),则可得
2
-4
w+V0
2
=K
ρV0-v
2
2
2
=ξb
2
ρv2
]va=
vb
a-2
(12)
(4)
由式(10)～式(12)可得
v=
式中,K为列车活塞作用系数,有
K=2
1--4
1+
/K
(13)
ξ为计算网络系统的综合阻力系数,K为活塞作式中,用系数,有ξ=ξ2-5+
2
ξ2
ξ3.2 气流相对风道、隧道的伯努利方程
分别对a风亭进口与33断面之间和b风亭进口与33断面之间写伯努利方程,有
22
ρρ
p0-ζ-ζ-a+λa1-2+λt
2da2D
Ab+Aa
a-2
2
+
Ac+Ad
-4
6-d
2
ζ2
-3
22
=p3+ (5)+λt
22D
K=2
1-需说明的是,按前述假设,活塞风井a与12段隧道内风量相同,但因风道与隧道断面不同,故相应的风速不同,有
Qa=Aava=Av1-2]v1-2=
vaA
222
ρvρρp0-ζ-ζ=p3+ (6)b+λb2-3+λt
2db2D2
式中,p0为外界大气压力,ζ为计算管段总局部阻力系数,下标a、b表示a、b风井参数,下标12、23表示相应段隧道参数,t表示隧道参数。
同理
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(14)
故两计算段管内的动压头也有所变化,此变化系ξ数也应计入ξa-2中,6-d亦同。
地铁隧道内列车活塞风的计算方法
4 算例
分别按盾构、矿山法及明挖三种工法的典型单线隧道断面计算,区间隧道长度取2000m,活塞风井长
40m,按4m×4m及4.5m×4.5m两种断面分别计
算。车长L0=140m,断面积A0=10.26m2,车速V0=
80km/h。不考虑自然风及隧道坡度的影响,计算结果
列于表1。
表1 计算结果对照表
隧道工法盾构区间
风井断面/(p3-p4)/
m24×44.5×4.5
Pa534.2500.9578.7547.4
v/
Q/(
m3/s)
图3 车速对活塞风量的影响
(m/s)7.28.07.47.8
本文
7170.9159.
1167.9
SES178.22173.0182.9174.8180.5
暗挖区间
4×44.5×4.5
明挖区间
4
×44.5×4.5
图4 隧道长度对活塞风量的影响
需要指出的是,本文假设计算区段内仅有一列车运行,但在实际运营中,此种情况仅在第一班或最末班车运行时才可能出现。如图5所示,若某全速行驶的列车,其前、后相邻的列车恰好在前、后方车站停靠
(V0′=0,V0″=0),由于前、后方列车的阻滞,行进中的列
以相同参数取4站3区间建立SES模型进行模拟计算,计算结果也列于表1中
,本文方法的计算结果得到很好的验证。图2示出了计算区段节点(01、04站未标出)。
车所带动的活塞风大部分由与其相邻的活塞风井进出,更远端的隧道、风井分流的部分极小,则也与本文中假设的情况比较吻合。
图2 SES模拟节点图
5 分析
影响活塞风速及风量的因素有:列车运行速度
V0,
列车、隧道、风井的几何参数(包括数量、长度、断面
形状及面积、粗糙度、局部阻力类型)等。从式(13)可知,活塞风速与列车运行速度成正比。如将K、N值计算式代入式(13),可变形为
v=
图5 列车相对速度对活塞风井内风向的影响
1+
/NL0-α/NL0
若相邻的列车均以一定速度运行,相当于管路中风机串、并联的情况,对整个地下区段而言,总的活塞风风量增加了,但每一段区间内的情况则变得十分复杂。隧道内的压力状况取决于相邻列车的相对速度:若前车快后车慢,则其间隧道内为负压;若前车慢后车快,则隧道内为正压。两列车之间所夹风井的气流方
可知v∝α,L0,1/,其他条件不变时,阻塞比越大则活塞风速越大,列车越长活塞风速越大,风道阻力越小则活塞风速越大。以盾构隧道为例,分别计算不同车速下的活塞风量,以及车速为80km/h时不同隧道长度下的活塞风量,结果见图3、图4。
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向也会随主隧道内的压力状况相应变化。若要对地下段活塞风实时计算,就只能使用相关的模拟软件进行仿真动态模拟。
-4-1
本文中所采用列车阻力系数N为86×10m,
业出版社,1985.
[4]冯永芳.实用通风空调风道计算法[M].北京:中国建筑
工业出版社,1995.
[5]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工
是建国初期采用国产的铁路用蒸汽机车牵引,在横断面积A0=12.6m2条件下,根据现场试验结果计算得出的。“……桐梓会议认为这一数值对于内燃机车牵引
[1]
的隧道也是适用的”,但这一数据是否适用于城市地
业出版社,1993.
[6]GB50157—2003地铁设计规范[S].北京:中国计划出版
社,2003.
责任编辑:郭洁
下铁道的列车,则有待于现场实验的验证。鉴于我国城市地下铁道建设将逐渐进入高峰期,建议相关部门组织权威的测试机构,对此基础数据进行模型及实物测试,供可靠依据。
参考文献
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Airin
LiuYijiang
2ndSurvey&DesignInstitute,C.R.E.C.,
Chengdu610031)
Abstract:Calculationmethodofpistonairinducedbytrain
motioninsubwaytunnelsisderivedbasedonfluidcontinuityequationandBernoulliequation.Furtherqualitativeanalysisiscarriedoutonsomekeyfactorsaffectingthepistoneffect.
Keywords:subway;tunnel;train;pistonair;calculation
中国铁道出版社,1983.
[2]金学易,陈文英.隧道通风及隧道空气动力学[M].北京:
中国铁道出版社,1983.
[3]周谟仁.流体力学泵与风机[M].2版.北京:中国建筑工
(上接第54页)其相邻的地铁车站应有管线通道相连。在这种情况下,控制中心OTN节点可以采用图2(d)的连接方式。
综上所述,为了提高地铁OTN传输系统的可靠性,端站宜采用同光缆光纤连接方式,并且控制中心两侧车站应采用光纤直接连通。
参考文献
[1]蔡昌俊,徐明杰.广州地铁1号线通信传输系统———OTN
这样,当控制中心左侧或右侧两条光缆同时断开时,从图2(b)和(c)可见,控制中心两侧车站仍然连通,如图1(c)所示,相当于主环和次环在同一地点断开,由于OTN回环功能的两种方式都将形成一个包括控制中心和所有车站在内的新的工作环,信息传输不受影响,实现完全的保护。
以上描述的情况是控制中心的地理位置距离地铁线路较远且在两个相邻车站之间,因此通信光缆必须引出地铁隧道并选择地面敷设的方式(管道或直埋)和径路引入控制中心。实际上,为了运营管理的方便和控制系统的可靠性,地铁控制中心建筑的位置应力求选择在一个地铁车站的附近,且控制中心的地下层与
传输网络[J].地铁与轻轨,2001(1).
[2]骆丽青.城市轨道交通建设中几种骨干传输网方案的综
述与比较[J].地铁与轻轨,2003(4).
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责任编辑:郭洁
ConstitutionofOTNofSubwayandItsReliabilityAnalysis
XuHualin1 GuanZhongshao2
(11BeijingUrbanEngineeringDesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Beijing100037;
21ChinaRailwaySignal&CommunicationCorp.,Beijing100071)
Abstract:OnthebasisoftheprincipleofbreakdownprotectionforthetransmissionloopofOTNandconsideringtherealityofsubway,thispaperdiscussestheconstitutionofOTNtransmissionsystem,analyzesthereliabilityoftwotypesofconnectionofopticfibersonterminalstationsandputsforwardsuggestionsforenhancingreliability.Keywords:subway;OTN(OpenTransportNetwork);transmissionsystem;breakdown;protection
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