北京地铁列车活塞风的实则与分析
1 引言
北京地铁客流量增加较快，列车密度也随之加大。列车活塞作用造成的活塞风对地铁热环境的影响愈来愈大。恰当地利用和控制活塞风，对维持适宜的地铁热环境有很大作用。国外在这方面的研究大多限于单行隧道内的列车活塞风状况。对双行隧道且中间隔墙带有卸压孔的列车活塞风的实则研究很少。对地铁双行隧道内列车活塞内有的进行了实验研究[1]，有的进行了模型试验和模拟计算[2]。80年代清华大学空调教研室曾对北京地铁进行了多次现场实测与理论分析，取得了许多对地铁通风具有指导意义的成果。但由于在列车运行时人员不能进入隧道内，同时受到测试仪器的限制，只在区间风道与隧道连接处采用热球风速仪人工读数的方法实测了列车通过时引来的活塞风风速[3]。进入90年代，随着电子计算机技术的发展，风速仪已被动改进成自动存储记录的仪器。RHLOG智能型风速自记仪给地铁列车活塞风的实测带来新的机会。1996年4月清华大学空调教研室对北京地铁列车活塞风的状况又进行了一次现场实测，测出两组结果。本文就是此次实测的一个总结。
2 测试现场概况及测试仪器的安装布置
测试时间是1996年4月16日，测试地点为北京地铁前门站及车站两侧区间隧道，测点主要布置在前门至和平门站区间隧道内。隧道断面为4.1m×3.9m，隧道中间隔墙每隔50m有一个卸压孔，卸压孔断面为1.5m×2.25m。列车构造速度是80km/h，车体长19m，宽2.65m，高3.509m。通风系统风机全年一致性地采用区间进风车站排风的运行方式，运行时间是每日17点至次日13点。前门站的4个行人出入口打开3个，且出入口夜间不封闭。
测试仪器主要采用：①RHLOG智能型风速自记仪，由测头和自记盒两部分组成，由一个6V蓄电池供电，记数周期选用12s(记录结果不能反映风速的方向)。风速测头采用装有热球传感器的可伸缩测杆。每隔一定距离将测杆用铁夹子和铁丝固定在隧道侧面支撑电缆的角钢上，测杆探出600mm，电池和自记盒用袋子挂在角钢上。测量车站行人出入口风速的风速自记仪直接放在广告牌上。②RHLOG智能型红外时间自记仪，由红外发射和红外接收两部分组成，两部分各由一个6V蓄电池供电。接收端和发射端分别用石膏相对固定在隧道的两侧壁面上，距离地面1.2m左右，供电电池直接放在地面上。现场测试的测点布置如1、图2所示。
图1 隧道中部测点布置示意图
图2 前门站两侧面隧道测点布置示意图
3 实测结果及讨论
3.1 列车活塞及其引起的车站出入口风速的变化
列车活塞风风速大于2m/s，因而雷诺数Re>6.4×105,空气处于湍流状态，整个空气通道断面上风速都比较均匀。因此，一个测点上的风速就可作为断面的平均风速。在测量结果图中，时间坐标零值均取为当日零时，隧道内活塞风风速曲线中有可能包括列车刚好通过测点时隧道与列车之间间隙的风速；车站行人出入口的风速测试结果会受到往来旅客的影响。将图3(图中2315等为仪器编号)与图4(图中竖线表示有列车通过)对照可看出，列车经过测点时，风速达到最大值，活塞风的持续时间约为90s，近似等于列车通过前门至和平门站区间隧道的时间。对比图3与图5可知，由于中间隔墙存在若干卸压孔，一侧隧道有列车通过时，会引起另一侧隧道内达2～3m/s的风速，持续时间可达40s左右。
图3 测点6处的活塞风速
由图6可知，行人出入口的风速可达4m/s左右，再对照图4、图5可得，车站两侧区间隧道只有单个列车行驶时，引起车站出入口的空气流动时间也接近90s左右，上行线和下行线都有列车行驶时，出入口的空气流动时间要长一些。
图4 测点6处有列车经过时的记录结果
图5 内环线隧道测点16有列车通过时的记录结果
图6 前门车站东北侧行人出入口的风速状况
3.2 列车正常行驶段的活塞风状况
图7为前门--和平门区间外环线隧道靠和平门站一侧距区间风道30m处的活塞风测量结果，图3为前门--和平门区间外环线隧道靠前门站一侧距区间风道30m处的活塞风测量结果。对比图7和图3可知，区间风机主要作用在和平门站一侧，风速在1m/s左右。
图7 测点7处的活塞风速
尽管风速仪记数周期选用12s，造成风速曲线个别峰值误差较大，但还是可看出活塞风的速度最高可达6～8m/s左右，平均风速也远大于机械通风系统在隧道中形成的风速。当内环线有列车通过时，在外环线测点7处引起的风速均比在测点6处的值大。这主要是由于活塞风与区间风机机械作用造成的气流方向一致，引起总风速有所加大的缘故。
3.3 隧道中列车刹车段的活塞风状况
图8为前门-崇文门区间内环线隧道靠前门站一侧距前门站40m处的活塞风测量结果，该测点处于列车刹车段。从图中可以明显看出，活塞风速平均值和最高值均减小。对照图8和图5可知，当列车前端进站后，活塞风还要持续一段时间，这同测试人员在站台上对风流的感觉是一致的。再对照图8和图4推断出，外环线列车起动后引起的活塞风在测点1能造成2～3m/s左右的风速。
图8 测点1处的活塞风速
3.4 隧道中列车起动段的活塞风状况
图9，图10和图11为前门--和平门区间内环线隧道靠前门站一侧距前门站分别为19m，37m，及69m处的活塞风测量结果，这些测点处于列车起动段(起动段和刹车段的阻塞比稍有增大，不予考虑)，所测得的风速峰值较列车正常运行段偏小，三个测点达到最大风速值的时间亦逐渐后移。对比图11和图5可知，当列车通过测点后，风速才逐渐加大，达到最大值，这符合列车在隧道内的运行规律。
图9 测点2处的活塞风速
图10 测点15处的活塞风速
图11 测点16处的活塞风速
测点15的风速(图10)较测点2的风速(图9)有所降低，是由于在测点15前后隧道隔墙上的一些窗口向另一侧隧道分流了一部分风量所致。测验点16的风速接近于列车正常运行时引起的风速(与图7比较)。
4 结论
伴随列车的起动、加速、等速、减速、停止等运动状况产生的区间隧道内的活塞风随时间变化而处于不稳定状态。本文通过现场实测，总结了地铁列车活塞风的各种现象。
4.1 活塞风主要作用在列车运行的区间隧道内和两端车站行人出入口。由于双线隧道中间隔墙卸压孔的存在，一侧隧道有列车通过时，另一侧隧道内会产生2m/s左右的风速，持续时间要较有列车通过侧短一些。列车在站台起动后对后方隧道能引起2～3m/s左右的活塞风速，列车刹车后其前端进入站台时，活塞风还在持续。
4.2 列车活塞作用远大于区间风机作用，隧道内的通风换气主要依靠列车活塞风。区间风机作用可能偏向于某一端区间隧道。
4.3由于地铁客观运营条件的限制，测试人员在运营时间内不能进入隧道进行测试工作。运用自动记录仪器，可以实现对隧道内任何地点活塞风的实际测定。但存在着自记仪器中途出现故障不能及时发现和处理等问题。
4.4 实测列车活塞风在于研究活塞风对地铁热环境的影响，达到有效地利用和控制活塞风，改善地铁热环境状况的目的。
5 参考文献
1 J Valensi,等，著，高世辅，译.地下铁双隧道内活塞作用的理论与试验研究，隧道译丛，1979，(4)：23～33.
2 福井正宪，等，著，陈德方，译.地铁列车活塞风测定及模拟计算.地下工程与隧道，1988，(4)：35-45.
3 清华大学热能系.北京地下铁道热环境状况的测定与分析.1982，6.
