不同站台门系统车站速度场分析

摘要：为研究不同站台门系统对地铁车站气流流动的影响，有效控制地铁站内风环境，本文以某双层岛式地铁车站为研究对象，利用CFD软件，对两种不同高度的安全门系统车站站厅、站台层典型断面的速度场进行模拟分析。结果表明全高安全门系统可以有效控制活塞风对人体造成的吹风感，从而可保证车内气流流动风速，达到人体满意的舒适条件。

关键词：站台门；地铁；CFD模拟；速度场；

中图分类号：U231文献标识码： A

1引言

随着城市轨道交通的大力发展，地铁已成为人们出行的必要交通工具，与其它交通方式相比，地铁具有安全、舒适、载客量大、低污染、低能耗等特点，被称为“绿色交通”，受到各国的青睐。然而，在早期大多数地铁建设没有考虑环境控制，车站风速很高，乘客有很强地不适感，且随着人口增长，世界上主要城市的交通变得日益拥挤，迫使地铁系统以更快的速度发展，即提高车速，增加车流密度，增大客运量等；从而，客观上造成列车活塞风的速度增加，乘客不适感增强[1-2]。为此，优化地铁环空设计形式，为乘客提供一个舒适、卫生、安全的候车环境具有一定的现实意义。

地铁站台门系统是保证乘车安全及车站内通风环境的一项重要措施，而站台门根据不同地区的气候特点及活塞风运动规律有不同的安装尺寸，本文仅选用了半高安全门和全高安全门两种系统形式进行模拟研究，着重对比分析车站内典型断面的气流流动状况，从而为研究地铁环控各单元速度场受活塞风影响的规律和特点奠定一定理论基础。

2车站模型的建立

2.1几何模型

该站台为典型的双线岛式站台，有效站台为120m。地铁列车采用6辆编组，尺寸为118m×2.8m×3.8m；站厅公共区沿车站纵向设置两条排风道；站台层轨顶、站台板下均设有排风口，分别与列车空调冷凝器及列车制动电阻相对应，各设48个；站台两侧距站台边缘约200mm的位置设有站台门系统，半高安全门的门高为1.5m；全高安全门系统为2.5m。综上所述，所建模型如图1、2所示：

图1全高安全门车站模型 图2半高安全门车站模型

2.2数学模型

地铁车站内气流比较复杂，为保证模拟结果的准确性，模拟中将其简化为三维稳态的不可压缩粘性流体的湍流流动，采用有限容积法，标准k－ε双方程模型来建立离散方程进行计算，具体形式如下：[3-4]

（1）连续性方程

（2）动量方程

（3）能量方程

（4）紊流脉动动能方程

（5）紊流能量耗散率方程

式中：μi――速度矢量，m/s；

P ――压力，Pa；

ν ――运动粘性系数，m2/s；

νt――运动粘性系数，m2/s。

其中i，j=1，2，3，C1，C，Cε，Ck，Cμ，Cc均为常数。

2.3模型假设

本文研究对象为在地铁空间中通风对流换热现象。并做如下假设：

1) 假设空气流动为不可压缩粘性流体的稳态流动。关于不可压缩假设，是考虑到当气流速度在50~70m/s以下时，气流的密度变化很小，可以当作不可压缩流体对待[5]。

2) 符合Boussinesq假设：除密度外其他物性为常数，对密度仅考虑动量方程中与体积力有关的项，其余各项中的密度亦作为常数。在此假设下，密度差可被近似的作为纯粹的温度影响。引入容积膨胀系数β，密度可以表示为：，式中T为空气的温度，K；ρ为空气密度，kg/m3；、Tcρc分别为参考温度和对应的密度。引入有效压力。

2.4边界条件设定

1）列车发热量：机车冷凝器和制动电阻的散热量设为定热流边界条件，均匀分布在列车顶部和底部；

2）照明发热量设定为站台顶棚的热边界条件；广告灯箱布置在地铁站台的侧墙壁上；

3）人员散热按远期晚高峰人员数来确定，全热量按182 W/人，散湿量按220 g/(h人)计算；

4）假设安全门厚度均为零，不考虑由于安全门厚度引起的换热情况。

3模拟结果分析

图3全高安全门站厅层y=6.96m处速度场分布

图4半高安全门站厅层y=6.96m处速度场分布

图3、4分别为全高、半高安全门系统站厅层人体头部所在截面的速度场分布。由于楼梯口的泄流作用影响，该位置处速度值较周围偏大，由图3可以看出，全高安全门系统靠近列出进站侧风速值偏大为0.8m/s，而在半高安全门系统中，两侧楼梯口风速均较大，为1.1 m/s左右。从两图中还可以看出，远离列车进站侧的站厅层出入口均出现了少量进风的现象，半高安全门系统进风风速稍大些，达到1.68 m/s。而在该截面其他位置的风速均较均匀，在0.1 m/s左右。

图5全高安全门站台层y=3.2m处速度场分布

图6半高安全门站台层y=3.2m处速度场分布

图5、6分别为全高、半高安全门系统站台层人体头部所在截面的速度场分布。可以看出，两图中速度场分布均不均匀，车站进站端速度均偏高，全高安全门系统在1.1 m/s左右分布，半高安全门系统达1.6m/s；在车站公共区部分，全高安全门系统速度平均为0.72 m/s，半高安全门为1.34 m/s。

图7全高安全门x=32m截面处速度场分布图8半高安全门x=32m截面处速度场分布

图7、8为全高、半高安全门过列车进站侧楼梯口截面处速度场分布情况。从两图中可以看出，站台层列车附近由于活塞风影响，速度值偏高。列车停靠侧的人员停留区速度值，全高安全门系统为0.62m/s左右，而半高安全门高达1.23m/s左右，且由于半高安全门阻挡作用较弱，故风速的影响范围也较大；而非列车停靠侧两系统速度值均在0.5m/s以下；由图7可看出站厅层整体气流较均匀，仅在楼梯口位置速度值偏大，为0.58m/s左右，而从图8可知，站厅层气流受楼梯口的泄流作用影响较大，楼梯口附近风速最高可达0.86m/s.

图9全高安全门x=0m截面处速度场分布图10半高安全门x=0m截面处速度场分布

图9、10分别为全高、半高安全门系统在车站中心截面处速度场分布情况。由两图中可以看出，站厅层速度均较均匀，速度值均控制在0.5m/s以下；由于该断面没有泄流通道，故站台层各部分风速值、波及的范围也要比楼梯口断面大。全高安全门站台层靠近列车侧的人员停留区风速为0.8m/s左右，而半高安全门在1.15m/s左右，且对对侧人员也造成一定的吹风感。

3结论

通过以上对两种不同高度的安全门系统站厅、站台层等典型断面速度场模拟分析，可知两种安全门系统站厅层的速度场比较均匀，均控制在0.5m/s以下，仅在楼梯口位置由于半高安全门泄流作用较明显，风速值最高达0.86m/s；而站台层两系统速度场差别较大，全高安全门系统在车站进站端速度值为1.1 m/s左右，半高安全门系统达1.6 m/s；在车站公共区部分，全高安全门系统速度平均为0.72 m/s，半高安全门为1.34 m/s。由此可以看出，全高安全门可以有效地保证站内气流流动状况，达到人体满意的舒适条件。同时，本文的模拟结果可为地铁站台门系统的工程设计提供一定的参考意义。

参考文献

[1]张璐璐，迂回风道及安全门对地铁车站热环境的影响[D]，天津大学，2007

[2]徐波，地铁安全门系统和屏蔽门系统舒适性与能耗性研究[D]，天津大学，2007

[3]王福军．计算流体动力学分析，CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004

[4]韩占忠，王敬，兰小平．FLUENT：流体工程仿真计算机实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2004

[51]陈在康，庄达民．气体流动数值模拟解及其在通风空调中的应用，湖南大学学报(自然科学版)，1988，