昆明典型地下车站围护结构传热特性分析

徐彪

中铁四院集团西南勘察设计有限公司云南昆明650220

摘要：本文采用基于无网格伽辽金法的地下围护结构传热特性分析软件，选取昆明轨道交通典型车站地下围护结构，通过建立车站站厅层围护结构简化的传热模型，对地下围护结构进行稳态传热特性分析。稳态传热特性分析主要研究该传热模型温度场分布，同时对土壤导热系数、室外风速、远场边界这几个参数进行灵敏度分析。

关键词：围护结构；稳态传热；温度场；参数灵敏度分析

引言

轨道交通系统与传统交通工具相比，有载客量大、速度快、污染少、能耗小、占地省和安全环保等突出优势，在我国20世纪90年代开始获得较大发展，然地铁环控系统在整个系统能耗中占比约50%，属于耗能大户。因受地铁建设周围工程条件种种限制，车站埋在全地下的居多，在设计计算中常忽略了地下车站围护结构的影响，有必要研究地下车站围护结构传热特性，为工程和设计人员提供依据和参考。

本文选取昆明地区典型地下车站站厅层公共区围护结构，用基于无网格伽辽金法的地下围护结构传热特性分析软件主要对其侧墙和顶板进行稳态传热特性分析。

1无网格伽辽金法

1.1概述

无网格伽辽金法[1]是基于扩散单元法提出来的，是一种与有限元法相似的新兴数值计算方法。无网格伽辽金法由局部到整体构造场函数，并利用形函数构造近似解去逼近真实解。无网格伽辽金法与有限元法及其它数值方法最大的不同是：采用移动最小二乘法构造形函数，并将计算点影响域内的节点函数进行拟合为场函数。同时在一系列离散节点上建立近似函数，摆脱网格单元束缚。无网格伽辽金法在求解问题时只需所求区域内节点信息和边界条件，且节点具有前、后处理简单、收敛快、计算精度高的优点。

图10地下车站围护结构夏冬季墙壁热流

受远场边界的影响

图11地下车站围护结构夏冬季屋顶热流

受远场边界的影响

图10和图11分别表示地下车站围护结构夏冬季墙壁及屋顶热流受远场边界距离影响，可看出，当远场边界大于8m时，墙壁和屋顶热流在夏冬季变化均很小，说明地下车站围护结构热作用在远场边界大于8m后就不再影响远场边界，进而表明远场边界参数中选取10m是足够的。当远场边界小于8m时，侧墙和顶板夏冬季热流都逐渐增加，且变化情况很显著。

5结论

通过以上分析可知，地下车站围护结构侧墙和顶板传热具有以下特点：

（1）稳态传热温度场分析时，等温线在地下车站围护结构相交角落处分布密集，温度梯度大，与室外热交换强烈，且冬季比夏季显著。

（2）稳态传热土壤导热系数分析时，随土壤导热系数增大，地下围护结构侧墙和顶板热流均逐渐增加，且冬季比夏季变化更显著。

（3）稳态传热室外风速分析时，地下围护结构侧墙和顶板能耗受室外风速影响不明显，但冬季比夏季更易受影响。

（4）稳态传热远场边界分析时，当远场边界小于8m时，侧墙和顶板夏冬季热流都逐渐增加，且变化情况很显著；当远场边界大于8m时，墙壁和屋顶热流在夏冬季变化均很小，基本处于稳定状态。

参考文献

[1]BelytschkoT，LuYY，GuL.Element-freeGalerkinmethods.InternationalJournalforNumericalMethodsinEngineering，1994，37（2）：229-256

[2]LancasterP，SalkauskasK.Surfacesgeneratedbymovingleastsquaresmethods.MathematicsofComputation，1981，37（155）：141-158

[3]章熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学.第三版.北京：中国建筑工业出版社，1993，3-18

[4]李向前.墙体非稳态传热计算方法适应性及地下结构传热特性分析与研究：[湖南大学博士学位论文].长沙：湖南大学，2011