1 绪 论
1.1课题研究的背景
地铁是现代城市交通系统中一个非常重要组成部分，对于缓解大城市的交通拥堵问题有重要意义。地铁具有其它交通工具无法比拟的优点，如载客量大、运行速度快、占用室外土地资源少及对环境造成的污染小等。作为缓解大城市的交通拥堵重要手段，地铁经历一百多年的发展，在国内外已经得到广泛应用。到目前为止，全世界已经有 60 多个国家 198 余座城市建成地铁/轻轨网络系统，地下铁道运营线路超过 100km 的城市有 14 座，全世界运营线路已超过 6000km[1]。随着城市人口的增加，对城市快速交通的需求不断增大；而城市经济的发展也为建设轨道交通提供了资金条件。所以，地铁轨道交通目前已成为世界上很多大城市发展的重要生命线。发展地铁轨道交通已经成为我国解决大城市交通拥堵问题的根本途径。1979年香港地铁开始通车营业，长度超过 400km，平均每天运送 240 万人次，客运强度达到 5.5 万人次每公里，位列世界第一，是目前利用率最高的公共交通工具。随着我国经济发展的需要以及中央对交通基础设施建设支持力度的加大，长度超过 5000m 的特长隧道大量出现，隧道运营通风技术成为制约这些隧道建设的一项重要技术[2-4]。地铁隧道按结构形式大致分为两类，一类是单洞单线隧道，另一类是单洞双线隧道[5]，按隧道的位置可分为区间隧道和车站隧道。地铁隧道通风系统根据隧道所处的不同位置可以分为区间隧道通风系统和车站隧道通风系统。区间隧道通风系统主要有两个用途：一是以通风的形式将区间隧道内由于地铁列车运行以及人员等产生的热量排出，使区间隧道内温度适宜；二是区间隧道通风系统在地铁区间隧道发生火灾时作为排烟系统进行区间隧道的排烟。车站隧道通风系统也主要有两个用途：一是用来排除列车停站时间段内由列车刹车和加速时的驱动系统散热及列车空调冷凝器的排热；二是隧道发生火灾时作为排烟系统进行排烟[6]。隧道发生事故工况时，地铁隧道通风系统的首要任务就是向滞留列车区间提供一定的通风量进行通风排烟。地铁列车阻塞在区间隧道时，地铁隧道通风系统要保证列车空调系统的正常运行，而区间隧道发生火灾时，则要进行通风排烟并控制烟气流向。
……….
1.2国内外研究现状
王大鹏，刘松涛推导了烟气浓度和能见度的计算公式、参数及计算模型，并将用自定义函数方法进行 CFD 数值模拟计算得到的能见度的结果同 FDS 能见度计算结果进行比较，发现二者结果基本一致[7]。李现庭和彦启森最早对城市地铁火灾进行二维场模拟，指出对于一般的地铁火灾，2m/s 的纵向通风速度完全可以阻止烟气向上扩散[8]。王洪德，林琳，赵轶等以天津地铁区间隧道为研究对象，用 CFD 数值模拟软件模拟了列车停在隧道中部时的火灾工况时，不同事故通风方式下隧道内烟气的分布状况，得出：通风方式对隧道烟气蔓延范围、温度及毒性分布有较大的影响；对于 10 MW 规模的火灾，地铁隧道采用开放式推迟加压的通风方式不仅能够有效引导烟气流动，还能为人员的安全疏散提供更充裕的时间[9]。谢灼利等通过对地铁站台火灾临界危险条件和人员的疏散的特点进行分析研究和计算得出地铁站台火灾人员安全疏散模型以及人员安全疏散时间的计算方法，并发现站厅的楼梯疏散过程的瓶颈。因此，楼梯设计是否合理是能否解决问题的关键[10]。南京工业大学的周汝等提出对于典型的双层地铁车站结构，在站台通向站厅的楼梯口设置防烟空气可以保证人员有 6min 以上的安全疏散时间[11]。
………
2 区间隧道射流通风数值模拟的验证
2.1 深圳某地铁区间隧道实测数据分析
因重庆地铁线不具备测试条件，课题组在深圳地铁三号线进行了实测。一共进行了两次测试。第一次测试地点为深圳市地铁龙岗线工程塘坑——六约区间，主要集中在里程 YDK24+322~YDK24+870 间；第二次测试地点为深圳地铁三号线工程六约——塘坑区间，主要集中在里程 YDK24+664 至 YDK24+920 间。该区间隧道通风系统示意图、测试区域隧道示意图及射流风机安装断面图分别见图 2.1、2.2、2.3。本测试在测试前对相关测试断面进行了分析，进而对其进行合理布置测试点。在测试中严格按照布置点进行相关数据的测试并记录每次测试结果，测试完毕后对相关数据求平均值，从而得到相关断面的平均值。本次测试采用的仪器均是电子读数，只有精度误差，没有人为产生的误差。所以，本次测试的误差就是精度误差，根据前面 2.12 小节中仪器的精度误差计算即可。测试结果及误差汇总见下表 2.3、2.4，实测结果压力分布图见图 2.5、2.6。
………..
2.2 运用 FLUENT 软件对该区间隧道的数值模拟
本次模拟根据深圳市地铁三号线工程坑塘——六约区间隧道实际尺寸进行物理模型的设置，取该区间隧道 YDK24+700 至 YDK24+920 的实际尺寸建立建筑模型进行数值模拟。为了计算方便适当进行了简化。用 Gambit 软件建立物理模型并划分网格，网格数为 1422860，隧道壁龛示意图、几何模型图、射流风机机组断面图见图 2.7、2.8、2.9。测试过程中存在着仪器、人为及其它不确定因素引起的误差，如测试仪器的探头朝向、人员的走动、隧道风速等。这些因素会引起测试结果和实际结果有一定的偏差。测试结果与模拟结果之间存在一定的偏差，但是在可以接受的范围之内。所以，可以认为数值模拟结果和实测结果比较相符，也证明了模拟结果是准确的；因为隧道模型比较复杂，故在建立模型的时候对隧道模型进行了简化，可能会导致模拟结果出现一定的偏差。工况 1 的模拟结果介于理论计算的最大值最小值之间，工况 2 的模拟结果略小于理论计算最小值。所以，可以认为模拟结果和理论计算结果比较相符，也证明了模拟结果是正确的；综上，说明运用 CFD 数值模拟软件对地铁区间隧道事故工况射流通风问题进行研究是可行的、结果是可靠的。
……..
3 列车阻塞工况最佳通风速度的分析........21
3.1 概述.............. 21
3.2 数值模拟参数与方法.............. 22
3.3 冷凝器停止工作后传热对车厢内温度的影响......... 24
3.4 不同通风工况下隧道空气温度场的数值模拟......... 28
3.5 本章小结 ............ 35
4 列车中部火灾排烟的数值模拟及分析 ......... 37
4.1 背景分析 ............ 37
4.2 地铁区间隧道火灾的通风排烟与人员逃生模式..... 37
4.3 人员的疏散 ........ 38
4.4 数值模拟参数与方法.............. 39
4.5 数值模拟结果及分析.............. 41
4.6 本章小结 ............ 49
5 壁龛安装尺寸对射流风机升压效果的影响...... 51
5.1 背景分析............. 51
5.2 数值模拟参数与方法.............. 51
5.3 模拟计算结果............ 54
5.4 模拟结果分析............ 80
5.5 壁龛式射流风机造价计算分析..... 85
5.6 本章小结............. 88
5 壁龛安装尺寸对射流风机升压效果的影响
5.1 背景分析
目前，轨道交通区间隧道的射流风机很多都采用壁龛式安装。众所周知，地铁隧道开挖时的造价非常高，壁龛尺寸的大小也直接关系着地铁的总造价。因此，在确定壁龛尺寸时应该非常慎重，使其既能满足安全使用要求，又能将总造价降低到最低水平。隧道壁面绝对粗糙度根据 TB10068-2000《铁路隧道运营通风设计规范》取0.015m。进口边界条件设置为速度边界条件，取临界风速为 2.5m/s 设定速度进口边界条件。区间隧道出口设置为压力边界条件，近似为大气压。从隧道一端入口进入的气流全压值不断降低，在射流风机入口处达到最小值-11.4440Pa。之后，射流风机的增压作用开始逐步体现，隧道内气流亦进入射流诱导段。在该段内，由射流风机喷出的高速气流与区间内其他气体相互掺混，区间断面总压力不断上升，在 117 米处，全压力达到最大值 4.1322Pa。在此次模拟中，射流风机的诱导通风段从 56.3 至 117m的距离，总长度为 60.7m，有效升压力为 15.5762pa。模拟的 45 种情况全部按照以上步骤得出，故剩余 44 种情况只列出模拟结果图表，数据计算步骤及分析不再赘述。
……..
结论
通过本课题研究得出以下成果：
①地铁发生阻塞时，隧道内的温度，特别是列车冷凝器入口处的温度将逐渐升高。在很短的时间内，冷凝器入口处的空气温度将达到令冷凝器卸载甚至全部停止工作的状态，这将导致列车内的热环境迅速恶化，严重影响乘客的健康。因此，地铁发生阻塞时，如果阻塞达到 50s 就必须采取机械通风，将隧道内过多的热量排出，以保证冷凝器的正常工作。采取机械通风时，隧道内的温度场将随着风速的变化而发生变化，且机械风速越大，温度降的越低。根据模拟结果显示，针对重庆地区的地铁发生阻塞时，采用 2.21m/s 的机械通风风速即可将隧道内温度降低至地铁设计规范规定的列车顶部最不利点的最高温度限值以下，保证列车冷凝器的正常工作。根据模拟结果可知，地铁设计人员在进行地铁设计时，应将列车阻塞工况考虑在内，并且要根据实际情况选择合适的机械通风风速和风机，切勿完全照搬地铁设计规范规定的最小断面风速。
②针对本文模拟的强度为 10MW 的地铁中部火灾时，设置 6.5m/s 的机械排烟风速时，能确保地铁火灾烟气上游的乘客能完全撤离到安全区域，并尽最大可能的减少火灾对火灾烟气下游的乘客的伤害，从而有效避免重大伤亡事故的发生。
③根据以上对 45 种情况的模拟结果及其与无壁龛安装时结果对比分析，并考虑工程实际中希望得出兼顾使射流风机获得最大升压力和壁龛开挖量取得最小值的设计方案。
............
参考文献（略）