活塞效應

當地鐵機車在隧道中運行時，隧道中的空氣被機車帶動而順著機車前進的方向流動，這一現象稱為機車的活塞作用，由此所形成的氣流稱為活塞氣流。為了保持地鐵隧道內的空氣流通，在每個地鐵車站的兩端都各有三種類型風井與地面連接。地鐵車站兩端的三個風井中有一個叫“活塞風井”，主要用於釋放機車在隧道中做活塞運動時帶動的風力；另外兩個是排風井和新風井，用於車站內與外界的空氣流通。機車在隧道中運行時 , 由於隧道壁所構成的空間限制 ,機車所推擠的空氣不能全部繞流到機車後方 , 必然有部分空氣會被機車向前推動，通過排風井排出到隧道出口之外，而機車尾端後方存在著負壓區域，因此也必然會有空氣通過進風井引入到隧道中，由此形成活塞風。此種現象也稱為“活塞效應”。

受到隧道構造的影響，亦可能因波動的穿透或反射而改變波動。因列車在隧道內行駛而產生各種波動在隧道內逐漸加速隧道內的空氣流動，使隧道內的空氣隨著列車而行進，便稱之為隧道內之活塞效應。

在地下化軌道系統的車站中，活塞效應會將隧道內的空氣帶進車站內，造成車站內空氣品質惡化。不過近期的設計都會利用活塞效應來把臟空氣排出通風井，並帶入新鮮的空氣。這樣的應用也會用在一些車行隧道中，如高雄過港隧道。另外可以在車站月台設立月台門，將車站與隧道分成兩個獨立的空間，亦可以改善車站的空氣品質。由此可看出活塞效應與隧道通風息息相關。

使用 Fluent 軟體進行地鐵隧道內活塞風動網格流動模擬，需要經歷以下分析過程。建模—> 網格劃分—> 流動方程離散化—> 求解方程—> 結果分析。

動網格模型可以用來模擬流場形狀由於邊界運動而隨時間改變的問題。

動網格模型的建立：考慮到列車運動帶來的流場形狀隨時間改變的問題，故採用 Fluent 軟體建立動網格模型，將隧道內流場分為運動的列車區域和不運動的流場區域。前者為動網格區，包括列車運動所經過部分，後者為靜止網格區，包括隧道內列車區域以外的部分，兩者之間採用滑動網格交界面進行連接。列車所在位置的四周邊界設置為 Wall，三維固體邊界，無滑移邊界條件。列車區域屬於剛體運動，其運動方式用 UDF 進行定義。將運動速度賦給列車車頭車尾兩面，四周固體邊界隨其運動而運動。流場區域的空氣因列車的運動而運動，屬於變形運動。

本模型對應選取動態分層模式的更新方式，Fluent 軟體可根據每個迭代步中邊界的變化情況，自動完成網格的更新過程。

初始條件：初始各方向風速均為零，忽略了重力對流場的影響。

邊界條件：地鐵區間隧道兩端的氣流出口取壓力出口。邊界條件，定義出口相對於大氣壓力為 0Pa，即沒有附加的壓力作用。區間隧道壁面為壁面無滑移邊界條件；地鐵機車為移動邊界條件。

據此計算條件，我們分別在列車行進方向離站 50 米和 100 米處設置活塞井並建立計算模型。經過 Fluent 動網格模型分析，分別模擬了在列車離站50 米和 100 米處設置活塞井工況下，風井及隧道內速度的矢量表達。通過計算表明：如果在距離列車行進方向，離開車站100m 處設置活塞風井，較在離車站 50m 處設置活塞風井時使排入前方車站的廢熱風量減少 1/3。

當地鐵列車尚未通過活塞風井之前，列車車頭前方隧道內為正壓區，隧道內大量的廢熱空氣可通過前方的活塞風井排至地面以上；而當地鐵列車車頭通過活塞風井后，列車車身及車尾處於負壓區，活塞風井由向大氣排風逐漸轉為向地鐵隧道內送風，引入大量隧道外較低溫度的空氣，抵消了隧道內熱負荷。因此，如果在列車前進方向，距離站台一定距離的隧道內合理設置活塞風井 , 即可有效利用活塞風將一部分地鐵列車運行過程中產生的牽引廢熱通過活塞風井排向大氣，並引入一部分冷卻空氣，達到控制地鐵熱環境的節能目的。

利用 Fluent 軟體建立了地鐵活塞效應動網格模型，從排風率和速度矢量兩方面對地鐵模擬結果進行了比較和分析，結果顯示：

1）通過在地鐵區間隧道內靠近地鐵列車駛出一側增設活塞風井的方式，可以有效增大活塞風井排風率，進而有效利用與控制活塞風對車站熱環境的影響。

2）在距離列車行進方向，離站 100m 處設置活塞風井，較在離站 50m 處設置活塞風井時使排入前方車站的廢熱風量減少 1/3。由此可見，通過合理控制活塞風井的設置方式，可實現有效利用活塞效應影響地鐵熱環境的目的。