地下捷運車站壓力場,速度場分析.docVIP

- FILENAME B-108_c.doc DATE \@ yy/MM/dd 11/10/20 地下車站電聯車活塞效應模擬 中華顧問工程司機械部正工程師 林啟基 摘要 本研究針對台北捷運中和線永安市場站(O17)為對象。在無裝設月台屏門系統下分析環境狀況，車站公共區直接受活塞效應的隧道氣流影響，以三維計算流體力學模擬程式(CFD)，進行地下車站之壓力場、速度場之模擬。 在電聯車最初之行駛階段，於每天清晨尚未營運前，第一班巡軌列車過站不停時，曾發生列車活塞效應所造成的壓力，將出入口鐵捲門擠壓移位變形的狀況發生。故現已將出入口部份鐵捲門改為鏤空式。本模擬以三維計算流體力學軟體，分別以一列、二列電聯車於上下行軌行駛，在出入口、解壓井開啟及關閉狀態下，計算出入口所受的壓力。同時探討在開放式系統、密閉式系統及不同列車長度下，車站之壓力及氣流速度分布狀況。驗證車站之設計對旅客是否會造成不適之感覺。 模擬結果顯示，當列車經過解壓井或面積發生變化處，氣流因流動方向發生變化，致使動量變化而發生壓力瞬間突增現象。當一列電聯車過站不停，對一面積30m2出入口大門所造成之壓力約為400kg，二列車同時經過則為800kg。 關鍵字 活塞效應、計算流體力學、捷運地下車站、壓力分布模擬 1、CFD程式模擬說明 1.1 列車活塞效應模擬研究課題 本研究之模擬以台北捷運中和線之永安市場站之公共區為對象，在電聯車最初之行駛階段，於每天清晨尚未營運前，第一班巡軌列車過站不停時，曾發生列車活塞效應所造成的壓力，將出入口鐵捲門擠壓變形的狀況發生。故現已將出入口部份鐵捲門改為鏤空式（照片1）。本模擬以三維計算流體力學軟體，分別以電聯車單向、雙向行駛，在出入口、解壓井開啟及關閉狀態下及不同之列車長度，計算出入口所受的壓力及速度分布。 1.2 STAR-CD程式模擬研究課題 本模擬以地下車站為對象。以三維計算流體力學模擬程式(CFD)，進行模擬分析，所採用之工具之國際間著名三維計算流體力學軟體Simulation of Turbulent flow in Arbritary Regions ，為Computational Dynamics Ltd. 所發展(以下簡稱 STAR-CD)。本項模擬進行之研究課題為列車進站之風壓、氣流速度與活塞效應之關係，共計下述三項： 電聯車進站因活塞效應所造成之風壓。 不同列車長度與活塞效應關係。 解壓通風井、出入口大門有無關閉與列車活塞效應關係。 1.3 統御方程式 如欲了解車站環境狀況，可利用三維計算流體力學及熱傳學之數值分析方法，預測其氣流場、壓力場、溫度場及濃度場。分析此種型態之統御方程式（Governing Equation），主要原理為藉由質量守恆及能量守恆原理推導而得，其方程式如下： （1）連續方程式 （1） （2）動量方程式 （2） （3）能量方程式 （3） 其中： ：流體速度 Ｐ：壓力 Ｔ：溫度 ：流體密度 t：時間 B：重力項 ：流體黏滯係數 ：總焓 ：熱擴散係數 (4) 對於浮力效應採用布氏近似法（Boussinesq Approximation），亦即 （4） 其中： 左邊第一項代表時間項 左邊第二項代表對流項 左邊第三項代表擴散項 右邊為源項 為變數 為擴散係數 上述方程式除了動量方程式的重力項之密度表示為外其他各項之密度均設為常數，，其中為熱膨脹係數，為參考溫度。 2、模擬參數說明 本案例模擬時主要觀察目標，為出入口之捲門、列車前方等，受活塞效應影響之程度，因此本模擬所建構模型為：包含穿堂層、月台層出入口、車站兩端之潛盾隧道及moving mesh用之補充網格，不含站務辦公室及機房之空間。本模擬因考慮列車移動，使用STAR-CD 的moving mesh功能，增加模擬之複雜度。 本站因站體上方之道路寬度過窄，上下行軌月台無法同時容納於一層的島式月台上，而配置成上下雙層側式月台，本站之解壓通風井，與一般單層島式月台車站之配置方式略有不同，即通風管道並不配置於車站月台層二側端末再直接以管道向上連接，而是將解壓井之風門設置於月台端末之牆邊，位於月台之兩側端末，連通管道則位於兩層月台間之夾層，解壓井由車站出入口附近之通風口與大氣相通。 全部模擬模型，可分為上下行軌列車雙向同時行駛、及僅行駛上行軌或下行軌單向列車兩種。其網格總數，分別為74426、65066個網格(cell)。本模擬之網格模型說明如下： 所建立之模型車站及潛盾隧道之平面圖、剖面，如圖1～5所示。本車站為地下雙層月台車站，車站各層之平面，如圖5所示。上行軌在地下二層，下行軌在地下四層，而上下月台層間地下三層為解壓通風井之管道層，上下行月台及解壓井管道層並未相連通，如圖4所示。月台層之軌道側明挖覆蓋區空間之尺寸為5公尺(高) x