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摘 要：近年来国内各大城市地铁建设高速发展，通风系统作为地铁系统中的重要组成部分，在维持地铁正常运作和出现险情时应急处理上具有举足轻重的地位。本文以成都地铁18号线火车南站—孵化园段的一个通风井为例，借助CFD仿真计算，对风井的设计进行优化调整，以提升地铁系统的安全性，同时为其他地铁的通风系统设计提供参考。
关键词：地铁;通风系统;风井;CFD;优化调整
中图分类号：U231.5 文献标识码：A
0 引言
地铁隧道通风系统不仅担负着区间隧道的日常通风和紧急情况下的隧道排烟，还关系着列车运行时设备的正常运转及特殊情况下隧道内人员及设备的安全。怎样优化设计地铁道通风系统，使其不仅在功能上满足稳定、可靠的要求，又能减少能耗、降低运维成本，这一直是地铁设计师们比较关心的问题。
1 通风系统概述
地铁通风系统的功能就是在正常运行期间为地铁乘客提供舒适的环境，以及在紧急情况下迅速帮助乘客离开危险区域并尽可能减少损失[1]。
通风系统相关结构—通风井车站本身等的布局不当会引发一系列问题。由于通风井结构设计不合理而产生不利的流动条件会导致应急风机的抽气量不足[2]，严重时甚至会引发风机的故障;另一方面，为了使应急风机达到标准的抽气量，不合理的结构设计变相增加了风机功率需求，这样一来，风机功率的增加和风机寿命的缩短就增加了地铁通风系统运维的成本。
因此，需要对通风系统进行空气动力学优化来增加风机的使用寿命[3]，避免叶片损坏[4]。通常这种优化需要调整空间，但是通过局部的调整取得理想效果。
2 通风方案研究
2.1 研究方法
本文以成都地铁18号线火车南站—孵化园段的其中一个通风井——火孵风井为例，通过三维数值模拟分析该风井的气流流动状况，确定风井内的流场，并优化风井的空氣动力学设计。
2.2 火孵风井实际设计
根据火孵风井的实际空气动力学布置图，使用三维软件建立该风井的三维模型如图1所示。再根据风机运行计划设置流动的边界条件[5]，对火孵风井在成都地铁18号线的下线，进气模式进行三维CFD分析，风井内气体流动的速度场模拟结果如图2所示。
模拟结果表明，在实际设计中，风机入口处气流不均匀，存在明显的流动分离区[6]，不稳定的流场会使风机效率的降低并引起风机本体的振动，进一步导致风机的可靠性降低和寿命缩短，因此对通风系统进行设计优化非常重要。
2.3 火孵风井优化设计
由于空间限制，优化只能在风井布局不变的基础上增加一些导流元件，从而优化通风系统内的流场，以达到提升系统空气动力学效率的目的。通过分析风井实际设计的CFD仿真结果，在通风室和风井流场最不均匀的关键位置增加导流元件，最终对火孵风井的改进方案如图3所示（以蓝色突出显示）。
根据优化设计后的火孵风井布置图建立新的三维模型，再根据风机运行计划设置流动的边界条件，对优化设计后的火孵风井在成都地铁18号线的下线，进气种模式进行三维CFD分析，风井内气体流动的速度场模拟结果如图4所示。
CFD流场模拟结果显示：改进后的通风井设计改善了风机的入口流动状况，降低了涡度并减小了作用在风机上的压力梯度。这些改进不仅可以改善风机的振动和噪音问题，还可以提升通风井整体的效率和可靠性。更重要的是，通过使用CFD模拟分析，可以在不改变空间结构情况下改进和优化通风系统，经济效益也十分可观。
2.4 模拟结果对比
原始和调整后的空气动力学设计的流动条件如图5、6所示。对比优化前后风井的流场图，可以看出：此优化设计方案，在无需调整站台布局的前提下，明显降低了涡度，改善了风井内流场。更少的涡流产生会减少风机的振动，降低压降，从而提高风机的可靠性及寿命。此外，由于更低的压降和更为均匀的流场，风机抽取的空气体积流量有明显的增加，通风系统的效率也得到了提升，保证了在紧急情况下每一个通风设备的排风和送风流量，增加了所有乘客的安全性。除此之外，由于整体效率提升，风机的功耗降低[7]，效降低了地铁系统的运营成本。
3 结论
通过对成都地铁18号线火车南站—孵化园段的一个通风井（火孵风井）进行三维CFD仿真计算，在空间布局不变的基础上，以增加导流元件的方式对风井进行空气动力学优化设计，仿真结果表明，通风系统的优化设计达到了预期的效果：（1）所需的风机功率降低;（2）风机寿命延长;（3）系统安全性提高;（4）运维成本降低。
参考文献：
[1]黄强.地铁中间风井隧道通风系统布置优化研究[J].建筑热能通风空调，2021（4）：81-84+91.
[2]徐斌.杭州地铁隧道通风兼排烟系统方案研究[D].浙江大学，2020.
[3]张金花，檀姊静，李亮，等.地铁通风空调系统设计优化方法研究[J].施工技术，2020（S1）：676-679.
[4]黄莉媛.基于地铁环境模拟的地铁通风系统设计[J].建筑热能通风空调，2020（1）：99-101+71.
[5]曾恒.非典型地铁车站通风系统设计研究[J].铁路技术创新，2019（6）：72-79.
[6]余治洲.地铁隧道火灾时通风系统的运作方式[J].科技经济导刊，2019（14）：87-88.
[7]刘金霞.地铁通风空调系统设计及节能研究[J].节能，2019（4）：35-36.
关键词：地铁;通风系统;风井;CFD;优化调整
中图分类号：U231.5 文献标识码：A
0 引言
地铁隧道通风系统不仅担负着区间隧道的日常通风和紧急情况下的隧道排烟，还关系着列车运行时设备的正常运转及特殊情况下隧道内人员及设备的安全。怎样优化设计地铁道通风系统，使其不仅在功能上满足稳定、可靠的要求，又能减少能耗、降低运维成本，这一直是地铁设计师们比较关心的问题。
1 通风系统概述
地铁通风系统的功能就是在正常运行期间为地铁乘客提供舒适的环境，以及在紧急情况下迅速帮助乘客离开危险区域并尽可能减少损失[1]。
通风系统相关结构—通风井车站本身等的布局不当会引发一系列问题。由于通风井结构设计不合理而产生不利的流动条件会导致应急风机的抽气量不足[2]，严重时甚至会引发风机的故障;另一方面，为了使应急风机达到标准的抽气量，不合理的结构设计变相增加了风机功率需求，这样一来，风机功率的增加和风机寿命的缩短就增加了地铁通风系统运维的成本。
因此，需要对通风系统进行空气动力学优化来增加风机的使用寿命[3]，避免叶片损坏[4]。通常这种优化需要调整空间，但是通过局部的调整取得理想效果。
2 通风方案研究
2.1 研究方法
本文以成都地铁18号线火车南站—孵化园段的其中一个通风井——火孵风井为例，通过三维数值模拟分析该风井的气流流动状况，确定风井内的流场，并优化风井的空氣动力学设计。
2.2 火孵风井实际设计
根据火孵风井的实际空气动力学布置图，使用三维软件建立该风井的三维模型如图1所示。再根据风机运行计划设置流动的边界条件[5]，对火孵风井在成都地铁18号线的下线，进气模式进行三维CFD分析，风井内气体流动的速度场模拟结果如图2所示。
模拟结果表明，在实际设计中，风机入口处气流不均匀，存在明显的流动分离区[6]，不稳定的流场会使风机效率的降低并引起风机本体的振动，进一步导致风机的可靠性降低和寿命缩短，因此对通风系统进行设计优化非常重要。
2.3 火孵风井优化设计
由于空间限制，优化只能在风井布局不变的基础上增加一些导流元件，从而优化通风系统内的流场，以达到提升系统空气动力学效率的目的。通过分析风井实际设计的CFD仿真结果，在通风室和风井流场最不均匀的关键位置增加导流元件，最终对火孵风井的改进方案如图3所示（以蓝色突出显示）。
根据优化设计后的火孵风井布置图建立新的三维模型，再根据风机运行计划设置流动的边界条件，对优化设计后的火孵风井在成都地铁18号线的下线，进气种模式进行三维CFD分析，风井内气体流动的速度场模拟结果如图4所示。
CFD流场模拟结果显示：改进后的通风井设计改善了风机的入口流动状况，降低了涡度并减小了作用在风机上的压力梯度。这些改进不仅可以改善风机的振动和噪音问题，还可以提升通风井整体的效率和可靠性。更重要的是，通过使用CFD模拟分析，可以在不改变空间结构情况下改进和优化通风系统，经济效益也十分可观。
2.4 模拟结果对比
原始和调整后的空气动力学设计的流动条件如图5、6所示。对比优化前后风井的流场图，可以看出：此优化设计方案，在无需调整站台布局的前提下，明显降低了涡度，改善了风井内流场。更少的涡流产生会减少风机的振动，降低压降，从而提高风机的可靠性及寿命。此外，由于更低的压降和更为均匀的流场，风机抽取的空气体积流量有明显的增加，通风系统的效率也得到了提升，保证了在紧急情况下每一个通风设备的排风和送风流量，增加了所有乘客的安全性。除此之外，由于整体效率提升，风机的功耗降低[7]，效降低了地铁系统的运营成本。
3 结论
通过对成都地铁18号线火车南站—孵化园段的一个通风井（火孵风井）进行三维CFD仿真计算，在空间布局不变的基础上，以增加导流元件的方式对风井进行空气动力学优化设计，仿真结果表明，通风系统的优化设计达到了预期的效果：（1）所需的风机功率降低;（2）风机寿命延长;（3）系统安全性提高;（4）运维成本降低。
参考文献：
[1]黄强.地铁中间风井隧道通风系统布置优化研究[J].建筑热能通风空调，2021（4）：81-84+91.
[2]徐斌.杭州地铁隧道通风兼排烟系统方案研究[D].浙江大学，2020.
[3]张金花，檀姊静，李亮，等.地铁通风空调系统设计优化方法研究[J].施工技术，2020（S1）：676-679.
[4]黄莉媛.基于地铁环境模拟的地铁通风系统设计[J].建筑热能通风空调，2020（1）：99-101+71.
[5]曾恒.非典型地铁车站通风系统设计研究[J].铁路技术创新，2019（6）：72-79.
[6]余治洲.地铁隧道火灾时通风系统的运作方式[J].科技经济导刊，2019（14）：87-88.
[7]刘金霞.地铁通风空调系统设计及节能研究[J].节能，2019（4）：35-36.