浅谈SES地铁环境模拟计算软件的应用

524浅谈SES地铁环境模拟计算软件的应用摘要本文简单介绍了SES地铁环境模拟计算软件的特点、使用步骤以及在地铁环控系统设计中的应用。关键词SES地铁环境模拟计算软件模拟计算简化模型图节点图输入SES地铁环境模拟计算软件全称SubwayEnvironmentSimulation，是由美国交通部开发的，用于设计、分析地铁通风系统的工具，包括对常规通风及发生事故时通风的气流和温度的分析。在国外公路隧道通风设计中，SES模拟计算软件得到了广泛的应用，并针对多个地铁系统对SES模拟计算软件进行过调试，并应用在多个地铁系统中。SES模拟计算软件的有效性已经在模型测试和实际应用中得到验证。SES可以对具有多轨道的地铁系统，并有多列列车在双线轨道上运行时进行动态模拟。地铁中列车的运行是造成空气运动的主要原因，散发到系统中的总热量的绝大部分来自列车散发的热量。所以确定列车在整个地铁系统中的位置、速度、加速度对于描述系统内空气流动规律和热量散失的地点和比率是很重要的。空气流动直接或间接地影响乘客的舒适性，是系统中热量和湿度对流转移的直接原因。环绕地铁系统的结构、土壤与空气之间的热传递与空气温度之间存在着相互依存性，地铁的空气温度直接影响着周围土壤的热交换，地铁内空气和墙体之间的热交换率与对流换热系数以及空气和墙体的表面温差有关。SES模拟计算软件可以显示出整个车站、隧道、通风竖井以及风机风道的气流速度、温度和湿度的连续数值，可以计算地铁系统的空气和周围结构以及土壤之间长期的热量交换量，可以对影响地铁环境质量的空气动力学现象进行连续的模拟。SES模拟计算软件主要由以下几个部分组成：输入部分、计算部分及输出部分。其中输入部分为主要操作的部分，计算部分根据输入的数据开始进行计算，最后由输出部分输出运算结果。输入数据的正确与否直接影响计算结果的正确性，一个参数的失误就可能导致最后结果的错误。SES模拟计算软件的输入部分很繁杂，输入数据的工作量也很大，而且要保证每一个参数的正确。当开始对一个新的地铁项目进行环境模拟计算时，首先要确定该项目的环控系统形式，根据当地的气象条件确定是否采用空调，综合各方面要求及条件考虑是否采用屏蔽门等，可以选择几个可行的方案来进行比较。通过SES模拟计算软件对各方案分别进行计算，根据525计算结果选择最优化合理的方案。数据收集是进行SES模拟计算的前期准备工作。模拟计算中需要收集大量的基础资料，主要包括：地质资料、气象资料、线路资料、行车资料、客流资料、车辆资料、建筑资料、结构资料、车站和区间隧道的各种设备发热量资料以及各种计算温度设计温度等。对收集到的这些基础资料根据程序需要进行整理，用于程序输入。以哈尔滨地铁黑龙江大学站~清滨公园站为例。这段地铁由四站五区间组成，四个车站都是地下双层车站，5个区间都是双洞双线区间。根据当地的气象条件确定车站的通风系统采用的是开闭式系统，夏季采用开式系统，冬季采用闭式系统。大致的环控系统确定以后进行数据收集工作。在收集好资料之后，开始简化模型的建立。简化模型在很大程度上简化所需提供的几何特征数据，真实的反映实际的隧道形式，直接影响计算结果的真实性。所以说建立简化模型是模拟计算中最基础最重要的一环，以后的模拟计算都是建立在简化模型基础之上的。简化模型应该能使模拟计算的结果符合实际，而且也应该尽量简化模拟计算的过程。根据线路专业提供的线路图，画出哈尔滨地铁简化模型图。简化模型图要反映车站和区间隧道的形式，车站部分要表示出风机的设置情况，隧道部分要表示出联络线、渡线、折返线、联络通道等情况。简化模型可以将线路处理为平直的，没有线路平面图上线路曲线及实际线间距的变化。见附图1。简化模型建立完成之后，可以将简化模型转换为一种单线图，用来帮助建立几何模型和理解系统内各区间之间的关系，这种单线图可以称为节点图。在节点图中每个区间由线段表示，区间之间的交点用节点表示。每个区间和节点都要加以编号以便于软件识别，区间和节点的编号都必须唯一。系统内区间的实际位置与它的编号没有任何关系，这些编号仅是为了便于识别，而区间的实际位置将在几何参数中加以描述。根据哈尔滨地铁简化模型图，绘制哈尔滨地铁节点图，并对节点图进行编号。可以用不同的形状来区分节点和区段，例如附图2中圆圈○代表节点，方块□代表区间，六边形代表风井。其中各节点、模拟区段、风井风道、车站出入口、迂回风道、联络通道等都需要进行编号，而且节点和区段的编号要各自唯一，不允许重复，但可以不连续。节点图的编号和程序输入的编号要一一对应，根据这些编号来进行数据输入。在收集数据、绘制简化模型图和节点图这些工作完成以后，就要按照节点和区段整理模拟计算所需要的数据了。模拟计算需要输入的数据大致包括常规数据、线路区间参数、通风井参数、风机参数等部分。这些输入数据分为几种逻辑类型，每一种都有独立的输入视窗或面板，在某些情况下，一个视窗的内容会显示在相关数据的输入视窗。按照软件要求分别输526入所需要的各项数据，由于数据量大，输入数据时要特别注意所输数据的正确性，保证输入值在允许范围内。当输入值不在允许范围内时程序会发送错误信息报告，而不是自动将数据调整到允许范围。所有数据输入完成之后，要进行检查，一个参数的错误就有可能导致最后结果错误，使计算结果不能正确指导设计。自行检查数据保证数据输入无误后，开始进行模拟计算。首先应对程序进行调试，让软件进行输入校对。SES模拟计算软件会对所有输入数据进行验证，以决定是否根据这些数据对给定系统进行模拟。如果输入中不含致命错误，并且非致命错误的数量少于或者等于允许输入错误设置的数值，模拟计算就可以正常进行。SES模拟计算软件允许在不进行模拟计算的情况下进行输入验证，这样能够在进行模拟计算之前发现数据中的错误，及时进行修改，从而节省模拟计算所需的时间。当对输入数据进行改变后，要重新进行输入验证，当模拟计算过程最终执行，用户会得到输入验证的结果和模拟计算的结果。最后再对模拟计算的结果进行分析整理，决定该环控系统方案的可行性。可以选择几个不同的方案，逐个进行调试和计算，对结果进行比较，选择最优化的方案。正常工况的计算完成之后，可以修改方案进行阻塞、火灾工况的模拟。以哈尔滨地铁黑龙江大学站~清滨公园站为例，可以选择两个方案分别对温度进行计算，对比计算结果。方案一：区间隧道不设置活塞风道，只设置迂回风道；方案二：区间隧道设置活塞风道。经过计算，区间隧道不设置活塞风道只设置迂回风道时，区间隧道内的温度大部分超过设计温度33℃，说明区间隧道内温度过高，不能够满足设计要求，计算结果见附图3；区间隧道设置活塞风道时，区间隧道内的温度基本不超过设计温度33℃，能够满足设计要求，计算结果见附图4。通过对哈尔滨地铁方案一和方案二的模拟计算，得出结论：不设置活塞风道，夏季通风工况时区间隧道内的温度不能够满足设计要求，因此必须设置活塞风道对区间隧道进行通风来降低隧道内的温度，使区间隧道内的温度满足设计要求。SES地铁环境模拟计算软件是一个设计向导工具，广泛的应用于地铁运行和设计规划，它对于绝大多数地铁环控方案的评估都是一种有效的工具。对同一地铁系统可以选择不同的环控方案分别进行模拟计算，对每个方案的计算结果进行比较分析，从而选择最合理最经济优化的环控方案，节约资金。对阻塞、火灾等事故工况进行模拟，选择有利于控制烟气流动的方案，为人员提供安全的疏散路径，并使防火设施能够顺利运行。SES模拟计算软件又为527设计者提供了一种评价通风系统性能的分析工具，在事故工况下帮助设计者选择最安全的事故运行模式。但是SES地铁环境模拟计算软件只能对地铁系统进行一维模拟，要想得到立体的空气流动状况，对立体空间的气流场和温度场进行专门的分析，需要应用计算流体力学ComputationalFluidDynamics（CFD）软件来完成。只有对地铁系统进行更加细致全面的模拟计算，才能设计出更加合理安全的环控系统，提高地铁环控系统的舒适性和安全性。528附图1附图2529附图3附图4