地铁环境中颗粒物污染水平的理论分析及数值模拟研究

【摘要】：随着我国城市化进程的加快，城市交通拥挤问题变得越来越严重，地铁交通系统在全国各大城市应运而生[1]，由于其便捷、高效、舒适的特性，地铁客流量逐年增加，导致列车行车间隔的缩短和列车运行次数的增加，这就不可避免的引起地铁站内空气质量的下降，对乘客和地铁工作人员的健康造成危害，部分城市地铁乘客已出现不适甚至晕倒的现象。因此，研究地铁车站的环境问题变得尤为重要。 本文采用集总参数模型，根据质量平衡控制方程，详细推导了不同地铁空调系统形式、屏蔽门开闭状况下地铁环境中颗粒物浓度的关系式，分析了室外颗粒物浓度、室内颗粒物初始浓度、过滤段过滤效率、出入口渗透风量、乘客的数量、二次悬浮等因素对颗粒物浓度的影响，给出了室外颗粒物浓度、站厅站台发尘量、颗粒物沉降率、地铁站初始浓度、屏蔽门漏风量的确定方法。 以西安某地铁车站为研究对象，依照实际工程设计资料建立全尺寸三维几何模型，采用尺寸函数的方法划分网格，混合物模型作为模拟的数学模型，按照实际测试数据作为模拟的边界条件，应用Fluent软件对车站公共区速度场、温度场、颗粒物浓度分布进行模拟分析，与实际测试结果进行对比分析，验证了模拟的准确性。并研究了PM10、PM2.5、PM1.0浓度随高度的变化关系，PM2.5/PM10、PM1.0/PM10比值的变化关系。最后对7种不同工况下的颗粒物浓度分布状况进行模拟分析及两种不同气流组织下的颗粒物浓度分布特征进行对比分析。 作者对地铁公共区的颗粒物浓度分布进行理论分析及数值模拟，得出主要结论如下： （1）在距站厅层地面1.4m处的平面上，送风口下方颗粒物浓度较低，PM10浓度约为138μg/m3；两侧回风口下方附近区域、站厅层两端、自动售票机附近及出入口闸机等处PM10浓度较高；尤其是自动售票机附近，PM10浓度很高，污染非常严重。在距站台层地面1.4m处的平面上，送风口下方颗粒物浓为112μg/m3左右；有涡流存在的区域，颗粒物浓度较高，污染较为严重；自动扶梯及楼梯背向送风口一侧颗粒物浓度较高，最大值为364μg/m3，超过了《地铁设计规范》（GB50157-2003）规定的可吸入颗粒物的日平均浓度应小于250μg/m3的要求，该区域污染严重。 （2）对于PM2.5、PM1.0。在站厅层，除站厅层两端、自动售票机附近、入口闸机附近颗粒物浓度较高外，其他区域浓度分布较为均匀；在距站厅层地面1.4m处平面上，PM2.5最大浓度为99.4μg/m3，PM1.0最大浓度为72.4μg/m3。在距站台层1.4m处平面上，PM2.5最大浓度为140μg/m3，PM1.0最大浓度为72.9μg/m3。 （3）无论是站台层还是站厅层，PM2.5/PM10比值均大于0.5，最大值达0.86。PM1.0/PM10的比值也较高。 （4）在7种模拟工况中，工况2（站厅送风口速度为2.3m/s，回风口速度为2.08m/s。站台送风口速度为1.9m/s，回风口速度为1.68m/s）为最优工况。气流组织改变后，站厅层、站台层人群呼吸带高度平面颗粒物浓度显著降低。