地下捷运车站压力场,速度场分析.doc

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)， 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，。 活塞效應、 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，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)，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，，x 3.9公尺(寬) x 140公尺(長)，明挖車站長140公尺(本站實際明挖車站長202公尺)。月台層公共區尺寸為3公尺(高) x 4.5公尺(寬) x 140公尺(長)，實際上月台公共區之寬度，於牆邊約每9公尺有一結構柱突出，但於模型建立時予以簡化，視為相同之寬度。下層月台、上層月台，以1號樓梯互相連通。正常狀況下本站地面層僅有一個出入口，其尺寸為3公尺(高) x 10公尺(寬)，於實際配置中，地下捷運系統為明挖車站、潛盾隧道多段交錯相連。本模型僅考慮單一地下車站，列車進站端、出站端各銜接120、102公尺之潛盾隧道，而於隧道兩端設定為壓力邊界(pressure boundary)，以取代實際配置中較長之隧道系統。x 3.2公尺(寬)， m2，而本模擬中列車長度固體格點，採用100公尺及50公尺兩種， m2。[註：實際電聯車尺寸為3.6公尺(高) x 3.2公尺(寬) x 23.5公尺(長)，一列車有六車廂，長度141m，列車斷面積9.75 m2， m2]。 各模擬案例，列車以18m/s(64.8 km/hr)的定速運動，列車共移動518次，每一時間單位移位0.5m。列車運動相對位置如圖6所示。在列車長度100m的模型中，上行軌車頭之移動範圍為X：101～360，下行軌車頭之移動範圍為X：279～20。列車長度50m的模型中，上行軌車