刘 庚 刘 磊 张 鑫 王新轲

(1.西安市地下铁道有限责任公司 西安 710016;2.北京城建设计研究总院有限责任公司 北京 100037;3.西安交通大学人居环境与建筑工程学院 西安 710049)

不同湍流模型模拟地铁站台气流组织比较

刘 庚1刘 磊2张 鑫3王新轲3

(1.西安市地下铁道有限责任公司 西安 710016;2.北京城建设计研究总院有限责任公司 北京 100037;3.西安交通大学人居环境与建筑工程学院 西安 710049)

以某地铁站台为例，利用计算流体力学方法，采用标准k－ε模型、RNGk－ε模型、混合长度零方程模型、Chen零方程模型以及v2f模型，对其通风系统下站台、站厅内的温度场和速度场进行数值模拟。通过对不同模型下结果的比较分析，发现Chen零方程湍流模型在较少的收敛迭代次数下，能够得到与标准k－ε模型和RNGk－ε模型较为接近的流场和温度场，而混合长度零方程模型和近年来兴起的v2f模型则与其他模型的计算结果有较大差异。结果表明，在对地铁站台建立热环境数值模型时，湍流模型的选择也需谨慎。

地铁;站台;计算流体力学;湍流模型;热环境;数值模拟

1 研究背景

地铁作为缓解城市交通压力的重要手段，在国内一些大城市的发展中日益受到重视。在修建地铁的过程中，车站站台的环境控制设计尤为重要，地铁内空气运动方向和速度大小以及空气温度高低直接影响站台候车人员的舒适度。因此，在地铁真正实施建设之前，对各种环境控制方案下的流场和温度场进行科学可靠的计算模拟和分析，避免投资过大反而效果不好的问题是非常必要的。由于地铁站台空间较大，流场既受到站台通风空调系统的影响，也受到隧道活塞风的影响，所以情况较为复杂。国际上发展相对较为成熟的地铁环控模拟软件SES［1］，可提供车站、区间、通风井和风机的空气速度、温度和湿度的动态模拟;清华开发的地铁热环境模拟软件STESS，可对不同通风方案下及地铁运行时期的地铁区间及站台热环境进行模拟［2］。上述两类软件的原理主要是基于网络法，因此无法预测通风时站台内的热环境空间分布。近年来，由于计算机硬件的迅速发展，使得利用计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)方法预测站台内气流组织、优化通风方案成为可能。但在大多数文献中，利用CFD进行模拟时，湍流模型基本上采用CFD软件中的默认模型，对选择不同湍流模型对模拟结果造成的影响鲜有考虑［3］。在室内小空间内的研究表明，不同湍流模型模拟室内气流的结果会有很大差异［4］。下面拟比较不同湍流模型模拟地铁站台气流组织的结果，评估其差异。

2 几何模型

本研究的模拟对象为文献［5］中所提到的天津地铁下瓦房站。该站为典型双层岛式站台，整个车站站台全长120 m(x方向)，宽 19.2 m(y方向)，高 8.13 m(z方向)。下层为站台层，站台宽11 m;上层为站厅层。站厅、站台采用均匀上送风，站台车行道顶部和站台下集中回/排风，站厅不设回风口。站台层和站厅层之间有3个楼梯连接，站厅层有4个出/进站口和外界相通。基于文献［5］的描述，建立几何模型如图1所示。站厅层只设送风口，尺寸为600 mm×300 mm，共64个，布置在距站厅底部装修面3.0 m的高度上。站台层采用上送风、轨顶排风以及轨底回/排风的气流组织形式。送风口尺寸为700 mm×350 mm，共72个，分两排均匀布置在距站台地板3.0 m高度的地方。

轨顶排风口尺寸为1000mm×500mm，共108个，距站台板3.0m。轨底回/排风口尺寸为500 mm×300mm，两排共120个，均匀布置在站台板下面。在站台两侧距站台边缘约200 mm的位置，设有平均高度1.4 m的安全门。

图1 车站几何模型

3 边界条件

按照文献［5］中所提到的车站，边界条件设置如下。

3.1 温度边界条件(实测值)

壁面温度为24.3℃(顶部除外)，隧道空气温度为

25.3℃;通风工况下送风口的送风温度25.2℃。

3.2 速度边界条件(实测值)

活塞风的速度值取现场实测时间段内的累计平均值:站厅送风口的送风速度1.98 m/s，站台送风口的送风速度1.87 m/s，列车轨顶的排风速度0.67 m/s，站台底部排风口的排风速度0.85 m/s，列车进站口的活塞风速度3.1 m/s，列车对面出站口的活塞风速度 0.5 m/s，列车进站口的相邻隧道活塞风速度1.08 m/s，列车进站口的斜对面隧道活塞风速度0.6 m/s。

3.3 热源设定

1)人员散热量:车站内人员显热散热量，站台人员负荷为44 kW。

2)列车发热量:基于文献［5］，按6节编组列车考虑，冷凝器散热位于列车的顶部，大约有320 kW冷凝热。制动电阻的散热位于列车的底部，列车停站时，既有站列车平均有200 kW左右的制动电阻散热量散发到车站，冷凝器和制动电阻均可看作是沿轨道方向均匀散热的热源。

3)照明灯具散热量:在车站公共区为13 W/m2(由铁三院提供数据)，位于站台层和站厅层顶部。

4)广告灯箱散热量:在地铁站台为30kW(由铁三院提供数据)，散热位置在地铁站台的侧墙壁上。

4 物理模型

流场和温度场的控制方程可统一表述为

式中，各参数的含义可参见文献［6］，此处不再赘述。

与湍流模拟相关湍流黏性系数μt的获得需要求解湍流模型。笔者比较了5种湍流模型，即混合长度零方程模型［6］、Chen 零方程模型［7］、标准k-ε 模型［6］、RNGk-ε 模型［6］以及v2f模型［8-9］。

网格划分:用四面体对几何模型进行划分，共生成913 378个网格，网格最小尺寸为0.2 m，并经过了网格依赖性验证，能够满足精度要求。

5 结果比较

5.1 横截面x=40 m的速度场比较

由于空间较大，沿着x方向的流场不易全局展现，此处仅用x=40 m横截面(普通截面，不存在楼梯口等特殊边界)上的图为例来比较不同湍流模型计算出的速度场，见图2。可以看出，标准k-ε模型、RNGk-ε模型以及Chen零方程模型，计算出来的流场比较接近，在站台层人员活动区均有3个漩涡存在，且位置也较为一致;混合长度零方程模型计算出来的左侧漩涡非常不明显，右侧两个漩涡则较为明显;v2f模型计算出来的左侧因隧道活塞流对其影响非常大，漩涡并没有形成，且速度较高。

图2 不同湍流模型计算x=40 m的横截面流场

5.2 沿着x方向的速度和温度场变化

选取通过y=14.6 m、z=3.18 m 以及y=14.6 m、z=6.58 m沿着x方向的直线，分别代表右侧站台人员活动区人的头部位置和站厅人员活动区人的头部位置，图3和图4为不同湍流模型计算出来的速度分布。从中可见，在站台层长度方向60～120 m的空间内，除v2f模型外，其他模型的计算结果较为接近，但在前半段空间内，所有模型的计算结果均相差不大，这也与图2站台层右半边的流场较为接近。站厅层的规律与站台层的规律类似，但RNGk-ε模型与标准k-ε模型间的差距要大一些。这主要是因为RNGk-ε模型比较适合于低速流动，而站台层由于活塞风的作用，流速较高，故两者之间的差距不大，但站厅层整个空间内的速度都不大，因此RNGk-ε模型计算低速流场的特性就显示了出来，图5和图6分别给出了这两条直线上温度随x的变化。可以看出，对站台层，混合长度零方程模型计算得到的温度与其他模型间存在不小的差距，偏低约2℃;而对于站厅层，v2f模型与其他模型的模拟结果普遍有较大差异，在90～120 m空间内，除了Chen零方程模型与混合长度零方程模型较为接近，其他模型间都存在较大差异。

图3 站台通过y=14.6 m、z=3.18 m沿x方向的速度分布

图4 站厅通过y=14.6 m、z=6.58 m沿x方向的速度分布

图5 站台通过y=14.6 m、z=3.18 m沿x方向的温度分布

图6 站台通过y=14.6 m、z=3.18 m沿x方向的温度分布

5.3 整个车站的平均温度及各模型迭代次数

表1给出了5种模型计算得到的整个车站内的平均温度和迭代次数。从中可以看出，尽管本文第5.2节所说不同模型计算在两条直线上所得的结果存在较大差异，但从整体来看，5种模型得到的平均值差异很小。这主要是因为不论采用哪种湍流模型，整个计算均满足能量守恒方程，因此其平均温度不会有太大的差异，差异主要体现在温度的空间分布。从迭代次数来看，在这几类模型中，两类零方程模型较为简单，也较容易收敛。

表1 不同湍流模型计算整个车站平均温度和迭代次数

6 结语

通过对上述模拟结果的比较分析，可以得到以下几点结论:

1)整体比较而言，Chen零方程模型与标准k-ε模型相比，不论是在整体还是在局部都有较为接近的结果，同时迭代次数较少，计算效率较高，是标准k-ε较好的替代模型。

2)RNGk-ε模型在地铁站台速度较高区域，与标准k-ε模型较为接近，但在速度较低的空间内存在一定的差异。

3)v2f模型与其他常见的模型计算相比，无论是速度场还是温度场，均存在不小的差异。在某些断面上，基本流形都与其他模型有较大差异，特别是在某些活塞风较大的区域，所获得的结果更显出活塞风的影响。

当然，由于本研究中的模拟结果缺乏与实验测量数据的比较，因此在用不同湍流模型计算地铁通风系统气力组织和温度场时，对可靠性并没有给出评判，还有待做更进一步的研究。

［1］Lin C J，Chuah Y K，Liu C W.A study on underground tunnel ventilation for piston effects influenced by draught relief shaft in subway system［J］.Applied Thermal Engineering，2008，28(5/6):372-379.

［2］郑晋丽.隧道通风系统模拟计算和结论［J］.地下工程与隧道，1997(1):41-45.

［3］Ke M，Cheng T，Wang W.Numerical simulation for optimizing the design of subway environmental control system［J］.Building and Environment，2002，37(11):1139-1152.

［4］Fukuyo K.Application of computational fluid dynamics and pedestrian-behaviorsimulationsto the design oftaskambient air-conditioning systems of a subway station［J］.Energy，2006，31(5):706-718.

［5］袁凤东，由世俊.地铁岛式站台空调气流CFD模拟［J］.重庆建筑大学学报，2007，29(1):89-92.

［6］陶文铨.数值传热学［M］.2版.西安:西安交通大学出版社，2005:341-344;347-353.

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［9］李孔清，龚光彩，汤广发.v2f模型在室内空气流动数值模拟中与其他湍流模型的比较研究［J］.暖通空调，2009，39(1):37-42.

Comparison between Simulated Subway Station Thermal Environments by
Different Turbulence Models

Liu Geng1Liu Lei2Zhang Xin3Wang Xinke3
(1.Xi’an Metro Company Limited，Xi’an 710016;2.Beijing Urban Engineering Design ＆ Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100037;3.School of Human Settlement and Civil Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049)

Abstract:For a subway station in Tianjin，temperature fields and velocity fields were simulated by a computational fluid dynamics(CFD)method adopting 5 turbulence models including the standardk-εmodel， RNGk-εmodel，mixing length zero equation model，Chen’s zero equation model andv2fmodel.A comparison between the simulated results showed that the flow field and temperature field obtained by Chen’s zero equation turbulence model was close to that by the standardk-εmodel and RNGk-εmodel with less iteration steps while the results by mixing length equation model andv2fmodels were distinct from those by the above three models.Therefore，it should be careful to choose turbulence models when thermal environment is simulated by CFD method.

Key words:subway stations;CFD;turbulence models;thermal environment;numerical simulation

U231.5

A

1672-6073(2012)02-0049-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.013

收稿日期:2011-07-01

2011-07-22

作者简介:刘庚，男，工程师，从事地铁站台设计理论与技术的研究，wangxinke@mail.xjtu.edu.cn

中央高校基本科研业务项目(xjj20100138)

(编辑:郭 洁)