接触网供电下区间隧道内地铁颗粒物受力分析及数值研究

摘要

地铁颗粒物作为地铁环境中特殊的污染物，浓度水平更高，元素组成更复杂，对人体的毒害性更强，因此研究地铁颗粒物具有重要意义。本文将区间隧道作为主要研究范围，以地铁颗粒物为主要研究对象，针对目前地铁颗粒物研究存在的不足，首先从理论研究的角度出发，基于既有文献和实验结果，分析了地铁颗粒物的尘源，初步确定了地铁颗粒物在列车不同行驶阶段的发尘速率，建立了区间隧道内颗粒物质量浓度平衡方程;其次依据前人对地铁颗粒物的元素分析数据和浓度实测结果，按粒径确定了地铁颗粒物的真密度均值，基于气固两相流理论，详细分析了地铁颗粒物的受力情况;最后采用数值模拟的方法，运用DPM模型得到了列车在不同行驶阶段以不同车速运行时的地铁PM10模拟结果，重点讨论了地铁颗粒物的扩散情况和浓度分布，对比了不同阶段下颗粒在空调机组周围的浓度分布，以及颗粒的运动轨迹。通过本文的研究，主要得到以下结论:
　　1、区间隧道环境主要受内部来源即磨损颗粒的影响，其尘源可以分为制动、轮轨和弓网磨损颗粒。列车运行需经历匀速行驶、制动初期和制动后期三个阶段，不同行驶阶段具有不同的内部尘源项组合和发尘量强度。
　　2、地铁颗粒物的真密度值随粒径的不同而变化，地铁PM10、PM25和PM1的密度均值分别为4.043g/cm3、3.766g/cm3和2.562g/cm3。颗粒受力情况不能一概而论，对于地铁PM1，主要作用力仅考虑曳力和Brownian力;对于地铁PM25颗粒，主要作用力需要考虑曳力、Brownian力和重力;对于地铁PM10，主要作用力包括重力、曳力、Brownian力和Saffman力均不能忽略。
　　3、不同内部尘源磨损颗粒具有不同的扩散形式和浓度值分布。弓网磨损颗粒以带状和椭圆块状的形式在隧道上部空间扩散，其在列车周围以及列车后方隧道内的浓度值分别都随着车速的降低而减小;轮轨和制动磨损颗粒以条状形式在隧道下部空间扩散，其上述区域内的混合浓度值分别都随着车速的降低而增大。
　　4、不同行驶阶段下，区间隧道各截面具有不同的颗粒浓度特征。匀速行驶阶段，各截面浓度峰值均较高，颗粒主要悬浮于列车后方的隧道区域中;制动初期阶段，各截面浓度峰值比较接近，颗粒均匀悬浮于列车周围及其后的隧道内;制动后期阶段，各截面浓度峰值较为分散，颗粒主要悬浮和沉积于列车周围。
　　5、不同行驶阶段下，列车车载空调机组附近存在不同的浓度分布情况。匀速行驶阶段以及制动后期阶段，列车车载空调机组两侧新风口不存在浓度分布，颗粒对车厢内空气质量几乎无影响;制动初期阶段，机组左则或右侧新风口都出现了贴壁分布的低浓度区域，浓度范围在7.32×10-9kg/m3～2.32×10-8kg/m3之间，颗粒对车厢内空气质量会产生一定影响。
　　6、不同内部尘源颗粒具有不同的过滤设备最佳安装位置。针对轮轨磨损颗粒或者制动磨损颗粒，相应的过滤设备则应装置于列车尾部车厢底部或后方;针对弓网磨损颗粒，相应的过滤设备应装置于隧道顶部空间。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状及不足

1．3 研究意义

1．4 本文研究内容

1．5 技术路线

第二章 区间隧道内地铁颗粒物源项分析

2．1 外部来源

2．2 内部来源

2．3 列车行驶过程中内部尘源变化情况

2．4 区间隧道内地铁颗粒物浓度模型

2．5 本章小结

第三章 区间隧道内地铁颗粒物受力分析

3．1 地铁颗粒物物理性质

3．2 区间隧道内活塞风

3．3 离散颗粒模型分析

3．4 离散颗粒受力分析

3．5 受力分析结果验证

3．6 本章小结

第四章 区间隧道内地铁颗粒物数值模拟

4．1 数学模型

4．2 物理模型

4．3 颗粒物源项设置

4．4 简化模型动网格划分及流场分析

4．5 完整模型静态网格划分及边界条件

4．6 列车匀速行驶阶段地铁颗粒物模拟结果及分析

4．7 列车制动初期地铁颗粒物模拟结果及分析

4．8 列车制动后期地铁颗粒物模拟结果及分析

4．9 列车不同行驶阶段下结果对比

4．10本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果