活塞风在地铁站台部分的附壁效应模型实验研究

杜晓明¹，王丽慧¹，刘佳妮²

(1. 上海理工大学 环境与建筑学院，上海，200090；

2. 上海市上安机电设计事务所有限公司，上海，200437)

摘要：搭建地铁站台缩尺模型实验台，用水模拟进入站台的隧道活塞风的扩散规律，利用LGY-Ⅲ型多功能智能流速仪测量研究断面处的流速分布规律。通过改变隧道入口处活塞风的速度及其随时间的变化规律，采取定活塞风工况和变活塞风工况相结合的方式，对测得的实验数据进行整理，并与附壁射流模型进行验证。研究结果表明：进入站台的活塞风在站台的扩散符合附壁射流规律，因此，可以把其看作平面附壁射流进行研究。

关键词：附壁射流；液体缩尺模型实验台；地铁站台

中图分类号：TU96⁺2             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)S1-0043-07

Experimental study of piston wind coanda effect on subway platform

DU Xiao-ming¹, WANG Li-hui¹, LIU Jia-ni²

(1. School of Environment & Building, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200090, China;

2. Shanghai Shang An M&E Design Office Co., Ltd., Shanghai 200437, China)

Abstract: Through constructing a small scale model experiment table of subway platform, water and LGY-Ⅲ type of intelligent multi-function anemometer was used to simulate the diffusion rule of tunnel piston wind in the platform and the velocity distribution in each section, respectively. By changing the tunnel entrance velocity of piston wind, adopting the conditions of the constant velocity and the varied velocity, and with the data collection and analysis, the result shows that the distribution of the platform piston wind corresponds to the wall jet model, and then which can be studied as a classics plane wall jet.

Key words: wall jet; liquid scale model; subway platform

随着城市人口的不断增加，为解决城市的行路难问题，地铁已经成为城市交通中不可或缺的重要组成部分。当前，国外已经有100多座城市建成了地铁；在国内，国务院已经正式批准28个城市建造地铁^[1]。由于地铁所在城市的地理位置以及地铁初投资等因素的考虑,目前地铁开、闭式系统依然广泛存在^[2]。在开、闭式系统中，列车在隧道区间内运行时产生大量的活塞风，不仅温度较高^[3-4]，而且含有大量污染物^[5]；由于站台没有安装屏蔽门，会有大部分通过隧道出口进入站台，并在站台扩散，改变站台的气流组织和空气品质，不仅对乘客的身体健康形成危害，还会导致地铁环控系统的能耗增加，因此加强对活塞风进入地铁站台扩散规律的研究显得尤为重要。目前，国内外关于地铁活塞风对于站台热环境的研究很多，大多采用数值模拟^[6-7]、模型实验^[8-9]和现场实测^[10]的方法，得出了不同列车运行工况下活塞风在站台内的动态变化规律和活塞风对站台气流组织的影响等成果；然而，以上研究只是针对活塞风在站台内的运动特征及其影响因素进行了简单性的概括分析，并未真正得出活塞风在站台内运动时的速度分布规律。同时，考虑现场实测中干扰因素较多，且伴有一定的危险性，本文作者拟通过模型实验的方法对进入站台的活塞风在站台的运动规律进行研究，同时将其与现有已经研究较为成熟的射流模型进行对比。根据地铁站台与隧道出口的几何构造特征，进入站台的活塞风在运动过程中受到站台一侧壁面的影响，因此本文作者初步选定进入站台的活塞风运动模型为附壁射流。通过模型实验方法对进入站台的活塞风运动规律进行研究，既可以避免现场实测的不利因素，而且相对数值模拟结果更加可信。

1  附壁射流简介

当射流贴附在固体壁面上流动时，有一部分侧边为固体边界，成为附壁射流，如图1所示。

图1  平面附壁射流发展示意图

Fig.1  Developing sketch of plane wall jet

根据资料^[11]，附壁射流从喷口射出后，上部边界和自由射流一样卷吸周围流体，产生掺混作用，形成同时向上和向下发展的混合区；下部边界受到固体壁面摩擦阻力作用形成壁面边界层向上发展，中间形成势流核心区，其中射流核心区随着距离喷口长度增加，宽度逐渐减少直至为0。以后在射流主体段内，按最大速度u_m将流动分为上部的自由混合区和下部的边界层区。

2  液体模型实验台的简介及测试方案

2.1  模型实验台的原理基础

本文以上海南京西路地铁站台为原型，选取几何比例尺为1:16。由相似性原理可知：模型与原型运动相似需要满足动力相似，考虑到进入站台的活塞风与站台气流的温差决定的浮力作用较小，进入站台的活塞风初始动量起主导性作用。因此，根据实验台搭建过程中，抓住对流动起决定性作用的力，满足主要相似准则数相等的原则^[12]，本实验只需满足雷诺数的大小相等，或者流动进入自模区。

在保证原型与模型运动相似的前提下，本实验选取速度比例尺为1:16。因此可得对应于原型隧道出口不同活塞风速时模型相应参数的对照表，如表1所示。

从表1可知：本实验选取的雷诺数满足相似性原理的要求，从而可以确保模型与原型内的流动相似，即模型实验所得数据能够用来准确描述原型的运动特征。

表1  隧道出口活塞风不同速度下原形与模型各参数对照表

Table 1  Contrast of parameters between prototype and model with different piston wind velocities at tunnel exit

2.2  模型实验台的搭建

根据相似性原理，搭建液体缩尺模型实验台，其原理图如图2所示。

图2  模型实验台的原理图

Fig.2  Principle drawing of model experiment table

搭建后的模型站台实图，如图3所示。

站台与隧道出口的原型与模型几何尺寸对比，如表2和表3所示。其中：实验中模型站台长度根据实验研究所需长度进行选取；原型隧道口高度的选取以站台与隧道之间无遮挡实际高度为准进行选取，并对隧道断面进行等面积处理，简化为圆形。为避免实验过程中活塞风循环管路回水口对模型站台实验区域的影响，选用多层细格栅将两部分进行有效隔离。

图3  模型实验台的实图

Fig.3  Entity of model experiment table

表2  站台的原型模型尺寸对照表

Table 2  Contrast of dimensions between prototype and model on platform

表3  隧道的原型模型尺寸对照表

Table 3  Contrast of dimensions between prototype and model at tunnel exit

模型中，通过隧道口进入站台的最大活塞风速度由水泵和普通阀门调节；活塞风部分管内水流速度的变化规律，根据实际地铁隧道内活塞风的变化规律由电动调节阀进行控制，其中管路内各时刻水流量由转子流量计读取。模型站台内布置有多个流速测杆，流速由LGY-Ⅲ型多功能智能流速仪进行动态连续读取，其测量精度可以达到1 cm/s。

2.3  模型实验工况

经计算，模型与原型的时间比例尺为1:1。实际情况中，列车在隧道内运行时产生的活塞风速度与列车运行时的速度和隧道及列车的几何形状等因素有很大关系。根据既有隧道内活塞风速度变化的资料^[11]，选取实验中活塞风加速、匀速及减速运动过程的持续时间分别为36，30和36 s，并选取原型活塞风的最大速度为8 m/s。

本实验将对活塞风在模型站台横向和高度方向上的分布规律进行研究。另外，模型站台中的测杆布置见图4。

为充分研究活塞风在站台y方向的速度分布规律，实验拟对活塞风分恒定和非恒定2种工况进行实验，其中定活塞风工况中选取原型活塞风速度分别为5，6和7 m/s，变活塞工况选取最大速度为8 m/s，时间设置如上。如图4所示，模型实验选取距离进水口0.53(原型为8.5 m)，高度为0.1 m(原型为1.6 m)处一测量杆可以进行横向移动，测量站台y方向上靠近壁面范围内的活塞风速度分布。

另外，为测定活塞风在高度z方向上的分布规律，实验选取距离站台隧道出口较远距离处，即距隧道出口为0.75(原型12 m)、距壁面0.36(原型5.76 m)处一个测杆对活塞风在高度方向上的速度分布进行测量。

图4  模型实验中测杆的布置位置示意图

Fig.4  Sketch of measuring bars layout in model

3  数据整理及结论分析

3.1  站台活塞风在y方向的速度分布规律

3.1.1  定活塞风工况

模型实验中，当原型隧道出口活塞风速度分别为5，6和7 m/s时，选取测杆每次移动间距?d=4 cm(原型为0.64 m), 通过对模型实验台进行数据测量，并转换为原型地铁站台中的对应数据，如图5所示。

为了更加清晰明了地观察测量断面上活塞风分布规律，将以上3种速度的活塞风速度分布规律在断面上进行无量纲处理，如图6所示。其中：y为测点距离站台壁面的长度；y_0.5为u=0.5u_m时测点距站台壁面的长度。

从图5可以看出：距离隧道出口长度一定的站台测量断面上，活塞风速度随着距壁面长度增大的共同变化规律是先增大后减小；当隧道出口活塞风初始速度加大时，测量断面各测点的速度会相应增大，但当测点距离壁面足够远时，断面速度大小则趋于一致；从图6可以得出：站台活塞风在垂直壁面的测量断面上速度分布具有相似性，与 Verhoff在1963年测得的平面附壁射流的流速分布规律相近^[11]，符合附壁射流的运动规律。

图5  活塞风沿垂直壁面方向的速度分布图

Fig.5  Piston wind velocity distribution normal to side wall

图6  不同活塞风初始速度时的断面速度分布无量纲图

Fig.6  Dimensionless velocity distribution at different piston wind velocities

3.1.2  变活塞风工况

模型实验中，选取实际中活塞风最大风速为8 m/s，且活塞风的加速、匀速及减速持续时间分别为36，30和36 s，测杆每次移动间距?d=2 cm(原型为0.32 m), 通过对模型实验台进行数据测量，并转换为原型地铁站台相应数据制成图表。

(1) 通过对断面中距离壁面不同长度各测点速度随时间变化规律进行整理，结果如图7所示。

为更加清楚地显示活塞风在y方向上各测点速度随时间的变化规律，本文选取靠近壁面较近处和较远处，结果如图7和图8所示。

图7  距壁面较近处不同长度各测点速度随时间的变化规律

Fig.7  Piston wind velocity changes over time with different distances to side wall

图8  距壁面较远处不同长度各测点速度随时间的变化规律

Fig.8  Piston wind velocity changes over time with different distances to side wall

从图7和图8可得出：测量断面各测点活塞风速度随时间的变化规律与隧道出口基本保持一致，即保持加速、匀速和减速的持续时间分别为36，30和36 s，但会有一定的延迟效应，当时间超过100 s后，模型站台水流会在惯性作用下继续运动一段时间；另外，当测点距离壁面足够远时，如4.8 m处测点速度随时间的变化规律则不明显。

同时，从图7和图8还可以看到：各测点活塞风速度的最大值随距离壁面长度增加的变化规律是先增加，后保持最大值一定距离，然后逐渐减小，可以认为测量断面处于附壁射流的起始端内，随距离壁面长度的增加，测点依次位于边界层区、势流核心区和自由混合区。从图7可以看出：由于边界层的厚度较小，在图中显示并不明显。

(2) 通过分别对活塞风速度变化周期内各时刻点时，测量断面的速度分布规律进行整理，结果如图9~11所示。

图9  活塞风加速阶段各时刻的测量断面速度分布图

Fig.9  Velocity distribution at measurement section during acceleration phase

图10  活塞风匀速阶段各时刻的测量断面速度分布图

Fig.10  Velocity distribution at measurement section during uniform phase

图11  活塞风减速阶段各时刻的测量断面速度分布图

Fig.11  Velocity distribution at measurement section during decelerating phase

为了更加清晰明了地观察各个时刻，垂直于壁面的测量断面上活塞风速度分布规律，随机选取活塞风速度变化周期各阶段内多个时刻时，测量断面上活塞风速度分布进行无量纲处理，如图12所示。

图12  不同时刻测量断面中活塞风速度分布无量纲图

Fig.12  Dimensionless velocity distribution at measurement section at different time

从图9~11可以看到：在活塞风加速阶段内，随着时间的增加，测量断面各测点速度逐渐增大至最大值；在活塞风匀速阶段，测量断面各测点速度分布相同，保持不变；在活塞风减速阶段，随着时间的增加，测量断面各测点速度逐渐减小。

通过随机选取活塞风加速、匀速和减速阶段时刻值，对测量断面的活塞风分布进行无量纲处理，如图12所示，可以看出整个活塞风进站阶段内，测量断面的速度分布具有相似性，共同存在靠近壁面的边界层区，速度保持最大不变的势流核心区和符合自由射流规律的自由混合区。

假定边界层的流速按1/7次方的指数规律，根据冯?卡门动量积分方程和拉布修斯切应力关系式可以得到边界层的厚度公式^[13]为：

                  (1)

式中：x为断面距离隧道出口的距离。经计算可得，当活塞风速度为8 m/s时，断面边界层厚度为0.14 m，与图10边界层厚度对比，考虑到公式的误差因素，可以认为两者较为吻合。

附壁射流在发展过程中，上部边界和自由射流一样卷吸周围流体，形成向上的外边界扩散角α和向下的内边界扩散角β。由于湍射流的夹角与射流的速度关系很小^[14-16]，因此选取起始段内外边界扩散角α和内边界扩散角β分别为10°和5°^[11]，经计算可得在测量断面内自由射流向靠近壁面方向发展的长度为0.72 m，远离壁面方向发展的长度为1.47 m，即测量断面内自由混合区距离壁面的最近距离为2.48 m，而图10显示为2.3 m左右，两者相差不大；同时，自由混合区的宽度为2.19 m，整个射流的作用宽度为4.67 m，即当y方向上距离壁面的长度超过4.67 m后，活塞风速较小并逐渐减小为0 m/s，将其与图10进行对比，发现两者基本吻合，同时考虑到计算公式本身的半经验性、实验操作偶然误差和仪器的系统误差等因素，因此，可以认为进入站台活塞风在发展过程中符合附壁射流断面的速度分布规律。

3.2  活塞风在z方向上的速度分布

为获得活塞风在站台扩散过程中，断面高度方向上的分布规律，通过移动测杆，选取活塞风隧道出口断面雷诺数较小时，即最大速度较小，分别为5和6 m/s时高度方向上不同位置处活塞风速度随时间的变化规律图，如图13和图14所示。

通过观察可知：在活塞风的变化周期内，站台高度方向上各测点的速度随时间的变化规律一致，且大小相差不大，可以近似认为在高度方向上速度相等  不变。

图13  活塞风最大速度为5 m/s时，高度方向各测点活塞风速度随时间的变化图

Fig.13  Velocity changes at different heights over time with the maximum velocity of 5 m/s

图14  活塞风最大速度为6 m/s时，高度方向各测点活塞风速度随时间的变化图

Fig.14  Velocity changes at different heights over time with the maximum velocity of 6 m/s

4  结论

(1) 射流断面y方向各测点的速度随时间的变化规律与隧道出口射流速度随时间的变化规律相一致。

(2) 不论是定活塞风还是变活塞风工况下，垂直于壁面的y方向上各测点的速度分布规律与附壁射流模型相符合。

(3) 活塞风在站台的扩散过程中，在站台高度方向上速度可以近似认为大小相等。

(4) 由于实验中测杆位置的选取具有一定的随意性，因此，可以将实际中通过隧道口进入站台的活塞风在站台的整个发展过程看成是二维附壁射流进行 分析。

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(编辑 杨幼平)

收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50908147)；上海市教委重点学科建设项目(J50502)；上海大学生创新性实验计划项目(2010年)

通信作者：王丽慧(1978-)，女，黑龙江佳木斯人，博士，副教授，从事地铁热环境方向研究；电话：13816498129；E-mail: 66amy99@126.com