1 引言

地铁站是城市交通系统中重要的一部分，地铁站候车厅已经成为城市轨道交通体系中一种人员中转、疏散和分流的好地方，该空间的温度、湿度和通风状况等各种因素，对人的生活适应程度所产生的影响也被更多的人所重视了起来。站厅出入口作为自然通风的主要来源，因此研究它的气流组织情况就非常重要。受室外天气状况等因素影响,地铁站出入口的气流组织就会受到一定影响。通过对地铁站不同类型出入口的气流模拟，可以分析出最优的设计方案，对今后地铁站出入口的设计提供参考建议。

2 地铁车站出入口概况

苏州市轨道交通S1线文化艺术中心站位于体育场路与前进西路交叉路口，跨路口沿前进西路东西向敷设，车站周边主要规划为居住用地、文化设施用地、商业设施用地和行政办公用地。文化艺术中心站站台长120m，宽12m，外包长度为297.45m，标准段外包宽度为21.3m。此站为地下两层岛式车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，有效站台宽度为12m，站台层采用屏蔽门系统。车站总建筑面积为18348m²，车站主体建筑面积为13236m²，车站附属建筑面积为5112m²。根据环评报告及批复要求，本地铁站无环境敏感点。

车站在十字路口的每个象限内均设有出入口，共设置4个出入口，2个安全出入口（长度均未超60m，采用自然通风措施），均为有盖式。4个出入口通道的宽度均为6.5m。图1 所示为苏州市轨道交通S1线文化艺术中心站平面布置图。

图1 文化艺术中心站进出口平面布置图

3 出入口气流组织模拟

3.1 物理模型

以苏州市轨道交通S1线文化艺术中心站1号出入口建筑图分析，模拟地下街区出入口处楼梯通道，拓展出三种不同的出入口类型，分别是直对楼梯型入口、L型入口和U型入口，出入口宽度均为4.5m，高度为4.75m，楼梯与通道尺寸均相同，且与实际建筑尺寸为1:1，各模型如图2所示。

图2a 直对楼梯型入口模型图

图2b 型入口模型图

图2c  U型入口模型图

模拟过程中为了得到准确的结果，对所建立的物理模型进行了简化假设：第一，假设该地铁站 出入口内的空气是连续性介质；第二，出入口内空气与室外空气以及室内空气均为充分混合状态，流场为定常流；第三，按照流体力学原理，室内风速很小，同时认为空气是不可压缩的流体状态，因此可认为空气密度无变化。 

3.2 出入口边界条件

仿真过程中各类边界条件的设置参考设计院提供的数据，对入口边界类型设置成Velocity inlet；出口边界类型为outflow；空腔其他围护结构均设置成Wall。

对三种类型出入口模型分别设置相同的边界条件，Y轴负方向重力加速度均为9.8m/s。以苏州市冬季室外平均风速为例，设置入口风速风向均为X轴正方向3.5m/s，Y轴负方向3.5m/s，入口进风温度均为3.7℃，出口压力设置为与大气压力相同，假定壁面均具为绝热，因此所有壁面的热流密度均为0。

3.3 数值模拟方法

根据实际地区采样测量出的空气温度和速度情况来设定模型各个边界条件，同时也考虑了重力的影响。气流情况选用湍流模型，使用标准k-epsilon方程，求解过程采用离散格式，对近壁面使用标准壁面函数，采用SimpleC算法作为求解算法。能量参数的收敛标准为10^-6，流动参数的收敛标准为10^-3。 采用亚松弛迭代方法对该模型进行软件求解计算时加速收敛。

3.4 网格划分

地铁出入口物理模型作为全尺寸几何模型，采用了六面体网格划分， 为减小计算机的计算量从而减小计算时间，并没有采用较密的网格划分，在入口处建立边界层网格，以增加仿真的准确性。网格划分过程中，将气流温度和速度变化梯度比较小的区域应用了常规结构化网格，而气流温度、速度变化较大的转角等区域采用加密的结构化网格，从而能够使网格数量减少，数值求解时的计算速度提高，最终形成站厅层物理模型，如图3所示。

图3  U型入口模型网格划分图

4 模拟结果及分析

整个模拟过程利用已建立的三种形式地铁站出入口物理模型，根据设计参数设定求解模型的边界条件，对地铁站出入口速度场和温度场分布进行了模拟求解，并对出入口整体以及横向截取的三种典型入口截面处进行了风速场和温度场分析，各个风速和温度模拟云图的主视图和截面图模拟结果如图4所示。

地铁出入口高温物体较少，人体、壁面等对气流的加热作用非常小，因此不考虑对气流的加热作用，即不考虑浮升力的影响，只考虑出入口处外部风压的作用。通过模拟计算发现，不同入口形式对减弱风速的能力是不同的，同样的边界条件下，U形出入口阻力较大，因此外部气流进入地铁入口后，速度衰减很快。这一形式有助于阻隔冬夏两季的外界气流,因此有利于地铁通风系统经济性的提升。

直对楼梯型出入口的阻力最小，室外环境气流可以进入到地铁出入口较深的部分，有助于过渡季节自然通风的应用。从图4.1a和图4.1b可以看出，模型范围内的空间在过渡季都可以采用自然通风而无需空调系统，节能效果非常明显。L型出入口的通风性能介于直对楼梯型出入口和U型出入口之间。

通过三种不同类型入口的模拟云图，比较他们的的主视图与通过楼梯后的切面图可以看出，冬季工况下冷风吹进入口后，如果直接吹入楼梯，则整个楼梯通道中的温度变化不大，均为3.7摄氏度左右，风速也得不到缓解，反而风速加大了，不利于地铁入口处空调系统的节能。而对于L型和U型入口，入口处的拐角有效的缓解了空气流动速度，进而阻止了室外的冷空气对地下空间进行换热，保证了地下空间的温度不会过低。进一步比较通过楼梯后的通道截面风速与温度云图，U型入口减低风速与阻止室外冷空气换热的效率略高于L型入口。

5 结论

通过对数值模拟结果的分析可知，三种不同类型的出入口中，U型出入口对降低风速及降低两种温度空气的换热有着较好的效果。但U型出入口建造成本相应较高，设计过程中，可以使用直对楼梯型出入口或L型出入口，避开夏季和冬季的主要风向，通过改变出入口方向来调整进风角度，从而达到节能效果。

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