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（1）
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機 械 部 正工程師 |
林啟基 |
摘 要
本研究針對台北捷運中和線永安市場站(O17)為對象。在無裝設月台屏門系統下分析環境狀況，車站公共區直接受活塞效應的隧道氣流影響，以三維計算流體力學模擬程式(CFD)，進行地下車站之壓力場、速度場之模擬。
在電聯車最初之行駛階段，於每天清晨尚未營運前，第一班巡軌列車過站不停時，曾發生列車活塞效應所造成的壓力，將出入口鐵捲門擠壓移位變形的狀況。故現已將出入口部份鐵捲門改為鏤空式。本模擬以三維計算流體力學軟體，分別以一列、二列電聯車於上下行軌行駛，在出入口、解壓井開啟及關閉狀態下，計算出入口所受的壓力。同時探討在開放式系統、密閉式系統及不同列車長度下，車站之壓力及氣流速度分布狀況，驗證車站之設計對旅客是否會造成不適之感覺。
模擬結果顯示，當列車經過解壓井或面積發生變化處，氣流因流動方向發生變化，致使動量變化而發生壓力瞬間突增現象。當一列電聯車過站不停，對一面積30m2出入口大門所造成之壓力約為400kg，二列車同時經過則為800kg。
1. 列車活塞效應模擬研究課題
本研究之模擬以台北捷運中和線之永安市場站之公共區為對象，在電聯車最初之行駛階段，於每天清晨尚未營運前，第一班巡軌列車過站不停時，曾發生列車活塞效應所造成的壓力，將出入口鐵捲門擠壓變形的狀況發生。故現已將出入口部份鐵捲門改為鏤空式（照片1）。本模擬以三維計算流體力學軟體，分別以電聯車單向、雙向行駛，在出入口、解壓井開啟及關閉狀態下及不同之列車長度，計算出入口所受的壓力及速度分布。
2. STAR-CD程式模擬研究課題
本模擬以地下車站為對象，以三維計算流體力學模擬程式(CFD)進行模擬分析。所採用之工具為國際間著名三維計算流體力學軟體Simulation of Turbulent flow in Arbritary Regions ，為Computational Dynamics Ltd. 所發展(以下簡稱 STAR-CD)。本項模擬進行之研究課題為列車進站之風壓、氣流速度與活塞效應之關係，共計下述三項：
(1) 電聯車進站因活塞效應所造成之風壓。
(2) 不同列車長度與活塞效應關係。
(3) 解壓通風井、出入口大門有無關閉與列車活塞效應關係。
3. 統御方程式
如欲了解車站環境狀況，可利用三維計算流體力學及熱傳學之數值分析方法，預測其氣流場、壓力場、溫度場及濃度場。分析此種型態之統御方程式（Governing Equation）主要原理為藉由質量守恆及能量守恆原理推導而得，其方程式如下：
(1) 連續方程式
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（1）
(2) 動量方程式
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（2）
(3) 能量方程式
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（3）
其中：
：流體速度
Ｐ：壓力
Ｔ：溫度
：流體密度
t ：時間
B：重力項
：流體黏滯係數
：總焓
：熱擴散係數
(4) 對於浮力效應採用布氏近似法（Boussinesq Approximation），亦即
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（4）
其中：
左邊第一項代表時間項
左邊第二項代表對流項
左邊第三項代表擴散項
右邊為源項
為變數
為擴散係數
上述方程式除了動量方程式的重力項之密度表示為
外，其他各項之密度均設為常數，
，其中
為熱膨脹係數，
為參考溫度。
本案例模擬時主要觀察目標為出入口之捲門、列車前方等受活塞效應影響之程度，因此本模擬所建構模型為：包含穿堂層、月台層出入口、車站兩端之潛盾隧道及moving mesh用之補充網格，不含站務辦公室及機房之空間。本模擬因考慮列車移動，使用STAR-CD 的moving mesh功能，增加模擬之複雜度。
本站因站體上方之道路寬度過窄，上下行軌月台無法同時容納於一層的島式月台上，而配置成上下雙層側式月台。本站之解壓通風井與一般單層島式月台車站之配置方式略有不同，即通風管道並不配置於車站月台層二側端末，再直接以管道向上連接，而是將解壓井之風門設置於月台端末之牆邊，位於月台之兩端；連通管道則位於兩層月台間之夾層，解壓井由車站出入口附近之通風口與大氣相通。
全部模擬模型可分為上、下行軌列車雙向同時行駛，及僅行駛上行軌或下行軌單向列車兩種。其網格總數分別為74426、65066個網格(cell)。本模擬之網格模型說明如下：
(1)所建立之模型車站及潛盾隧道之平面圖、剖面，如圖一、圖二、圖三、圖四、圖五所示。本車站為地下雙層月台車站，車站各層之平面如圖五所示。上行軌在地下二層，下行軌在地下四層，而上下月台層間地下三層為解壓通風井之管道層，上下行月台及解壓井管道層並未相連通，如圖四所示。月台層之軌道側明挖覆蓋區空間之尺寸為5公尺(高) x 3.9公尺(寬) x 140公尺(長)，明挖車站長140公尺(本站實際明挖車站長202公尺)。月台層公共區尺寸為3公尺(高) x 4.5公尺(寬) x 140公尺(長)，實際上月台公共區之寬度，於牆邊約每9公尺有一結構柱突出，但於模型建立時予以簡化，視為相同之寬度。下層月台、上層月台以1號樓梯互相連通。正常狀況下本站地面層僅有一個出入口，其尺寸為3公尺(高) x 10公尺(寬)，樓梯向上的角度為30°。本模型僅考慮列車自然通風的活塞效應，未將隧道通風機之設備列入模擬。
於實際配置中，地下捷運系統為明挖車站、潛盾隧道多段交錯相連。本模型僅考慮單一地下車站，列車進站端、出站端各銜接120、102公尺之潛盾隧道，而於隧道兩端設定為壓力邊界(pressure boundary)，以取代實際配置中較長之隧道系統。另有260公尺之網格，作列車移動時補充用格點。模型每層之長度為622公尺，總長度為900公尺，如圖六所示。
(2)模型中列車相對於車站及潛盾隧道之橫斷面如圖七、圖八所示。車體尺寸為3.2公尺(高) x 3.2公尺(寬)，列車斷面積10.08 m2，而本模擬中列車長度固體格點，採用100公尺及50公尺兩種，潛盾隧道斷面積22.67 m2。
[註：實際電聯車尺寸為3.6公尺(高) x 3.2公尺(寬) x 23.5公尺(長)，一列車有六車廂，長度141m，列車斷面積9.75 m2，潛盾隧道斷面積22.7 m2]。
(3)各模擬案例，列車以18m/s(64.8 km/hr)的定速運動，列車共移動518次，每一時間單位移位0.5m。列車運動相對位置如圖六所示。在列車長度100m的模型中，上行軌車頭之移動範圍為X：101∼360，下行軌車頭之移動範圍為X：279∼20。列車長度50m的模型中，上行軌車頭之移動範圍為X：51∼310，下行軌車頭之移動範圍為X：329∼70。
本模擬所用之移動網格(moving mesh)之模擬技巧，其重點如下：
建立移動網格、固定網格及補充用網格，在隧道區、月台區可移動之列車固體網格，其周圍至少有一層網格為可移動流體網格，而與固定流體網格間設定特定之邊界(attachment
boundary)條件。
此移動網格之形狀無論在隧道區、月台區皆須相同(如圖七、圖八所示)，以便網格之頂點(vertices)隨時間移動。在進行網格移動前，先將補充用之網格刪除，隨時間之增加，將網格頂點座標平移，去除列車前方之網格；列車後方之網格以事先刪除之網格逐次加入補充。
(4)模擬參數說明
本次模擬參考建築相關圖面建立分析模型，為分析各種條件下列車進站產生活塞效應之影響，本模擬共擬定三大類型，即上下行列車雙向同時行駛、上行列車單向行駛、下行列車單向行駛。而針對出入口有無開啟、解壓通風井有無開啟(代表開放式系統 , open system或密閉式系統 , close system)，設定不同的壓力邊界條件( pressure boundary)，及不同之列車長度100m、50m之活塞效應等組合，加以分析模擬，共有18個模擬案例，各案例模擬參數如表1。
本模擬列車以18m/s(64.8km/hr)的定速行駛，不考慮加速、減速的情況。且列車通過地下車站不停靠車站，如同巡軌列車之情形，分析案例一至案例十八之結果。
(1)分析活塞效應之影響，圖九與圖十分別顯示列車長度50m、100m之出入口大門之壓力分布。圖十一、圖十二、圖十三、圖十四、圖十五、圖十六分別比較同樣之列車行駛位置、邊界條件，在不同列車長度，對出入口大門之壓力分布。
(2)當車站解壓井、出入口均關閉時，車站公共區之最大負壓出現在雙向行車，如模擬案例O17-21、O17-25，在列車駛出地下車站，進入潛盾隧道的瞬間，即上行軌列車車頭位置X=260、下行軌列車車頭位置X=120時 (如圖九、圖十、圖十一、圖十二、圖十三、圖十四、圖十五、圖十六所示)，因此時系統除兩端隧道之壓力邊界與大氣相通外，氣流無其他開孔可以流入系統，在此瞬間整個車站均承受最大負壓(如圖二十三、二十七所示)。而最大值與列車之長度有關，以本模擬中列車長度為100m、50m，其最大負壓分為240Pa、200 Pa相差約40Pa (17%)。在單向行車，如模擬案例O17-15、O17-1e，在上行列車駛出地下車站，模擬中列車長度為100m、50m，其最大負壓分為124Pa、97 Pa相差約27Pa (22%)。實際列車長度141 m，較模擬所用100 m，本站出入口一樘鐵捲門之面積約30m2，故在此條件下，雙向行車、單向行車所受之壓力將超過800kg、400kg。依此模擬結果，得知營運初期所發生巡軌列車過站不停，使出入口之鐵捲門移位變形之原因。
故欲模擬出入口(或整個車站)最大負壓，應將實際之列車長度納入，若以縮小尺寸之列車，則模擬之最大負壓會有相對之誤差。故建立模型時應將實際列車長度全部納入。
但在模擬案例O17-16、1f中，列車行駛於下行軌月台，車站最大負壓出現於列車車頭通過X=160，即月台之最寬處後，在列車駛出地下車站時，由於解壓井開啟的卸壓作用再加上列車於下層月台，在此瞬間整個車站並未出現最大負壓之現象，因氣流有其他開孔可以流入系統。
圖二十二~五十七為各模擬案例，在列車駛出地下車站進入潛盾隧道的瞬間，即出入口捲門承受最大負壓時，地下車站壓力及速度之分布。
(3)比較兩者的執行結果(圖十一、圖十二、圖十三、圖十四、圖十五、圖十六)，當列車前端進入明挖覆蓋的車站區(上行軌、下行軌列車車頭位置X=120∼260)，列車長度對出入口之壓力影響不大，活塞效應對出入口壓力，兩種模擬幾乎有相同之壓力值。而此壓力大小與列車行駛數量、位置及解壓井之啟閉各有不同之數值。但在列車車頭進入潛盾隧道後至模擬結束，活塞效應對出入口壓力則有很大的差異。在列車車頭進入潛盾隧道後，此時列車之車身長度因模擬所用之列車長度不同而有變化，而系統之負壓之最大值出現於列車之後方，故此一位置與列車之長度有直接關係。
(4)當列車進入車站前(即位於潛盾隧道區時)，出入口之壓力均維持在一穩定狀態值變化不大，當列車在潛盾隧道中行駛時，其行駛之距離對車站、出入口之壓力變化不大，若要模擬出入口壓力，模型中列車於潛盾隧道之移動不需太長。如此可縮短模型之長度及網格數目，以節省運算時間。
(5)系統因活塞效應之故，最大壓力發生位置均為位於列車前端車頭處。圖十七、圖十八、圖十九、圖二十為列車前方中央四個網格在不同位置之壓力平均值，圖十七、十九為單向行車不同列車長度之上行軌、下行軌之壓力分布，圖十八、圖二十為雙向行車不同列車長度之上行軌、下行軌之壓力分布。在列車前端車頭之壓力分布，不同列車長度幾乎有相同之結果。而壓力之變化。圖十七、圖十八、圖十九、圖二十壓力變化與圖五之車站各層平面圖比較，可知列車經過通風井或面積變化處，即造成列車前端之壓力波動。
今以圖十七中模擬案例O17-1e為例，說明模擬結果：列車在X=60∼120間，隨著列車將進入面積較大明挖車站，列車前方之壓力逐漸降低，由180Pa降至110Pa。隨著列車在明挖車站繼續前進，而壓力升高之原因為列車經過第一個解壓井(即X=130∼135間)，氣流分成兩股氣流，部分氣流因流動方向發生變化，致使動量變化而發生壓力瞬間突增現象。在列車位置為X=140時，壓力升高至250
Pa，隨後因無面積變化，壓力逐漸降低。在列車通過車站大面積之穿堂區(X=183)後，氣流再度分成兩股氣流，但因面積之大幅擴大，故壓力之變化比通過解壓井時緩和。隨後列車經過第二個解壓井(即X=240∼245間)，壓力之變化幅度如同第一個解壓井，再度上升至250Pa，隨即列車進入潛盾隧道，壓力上升至最大320Pa，隨後無面積變化，且逐漸接模型之邊界，故壓力逐漸降低。
在圖十七、圖十八、圖十九、圖二十之各模擬案例與圖五之車站各層平面圖相對照，都可說明其壓力變化之趨勢。當列車通過解壓井壓力昇高現象，開放式系統(O17-12、O17-16、O17-1b、O17-1f、O17-22、O17-26)均較密閉式(O17-11、O17-15、O17-1a、O17-1e、O17-21、O17-25)系統來得大。
(6)列車在隧道於隧道中行駛，當經過通風井或隧道面積發生變化，部分氣流因流動方向發生變化致使動量變化，而發生壓力瞬間突增，此一現象對列車前端車頭之影響最大。由現行之營運經驗可知，當列車經過地下隧道之出土段，車廂表面可感受到壓力波變化的衝擊。受此壓力波影響，對列車之司機員之耳朵造成極不舒服的感覺。
在設置月台門之系統中，潛盾隧道與明挖車站之斷面積相當，且軌道側為開放式系統，列車通過此處之壓力變化更為明顯。在相關模擬[ 2、3、4、5]結果顯示，在列車時速為65km/hr過站不停時，其壓力可達800Pa，列車時速為80km/hr時，其壓力可達1200Pa。幸運的是正常的營運條件下，列車是減速進站，故此一壓力變化發生的機會應該不多。
(7)在實際營運經驗中，當地下車站僅有一個出入口，容易造成風速過大。如部份地下車站其出入口風速實測結果最大時可達9 m/s，足以將盆栽吹倒，造成人員不適。因本站受限於地面之用地取得，僅有一個出入口，故模擬另一個重點是觀察活塞效應，在車站出入口造成風速之大小。圖二十一表出入口之平均風速，為列車於移動時各時間出入口各網格之速度平均值，亦可和圖二十二~五十七為各模擬案例在列車車頭駛出地下車站之瞬間，地下車站壓力及速度之分布比較整體而言，出入口之平均風速最大值發生在上下行列車雙向行駛，同時進站或出站的條件，平均風速約為4m/s，而單一網格最大風速約為6m/s。在單向行車之條件下，平均風速約為2.5m/s，而單一網格最大風速約為3.2m/s。表示本站之出入口設計適當，有足夠寬度，不會造成風速過大而引起旅客之不適。
(1)依本模擬之結果，在密閉式之車站未營運之時間(即出入口大門關閉時)，於雙向行車、單向行車條件下，本站出入口之一樘鐵捲門所受之壓力將超過800kg、400kg。故當一樘鐵捲門之面積過大，在列車過站時為防止出入口大門受活塞效應衝擊而移位變形，應加強必要之結構承受能力，或部份鏤空。
(2)當列車進入車站前(即位於潛盾隧道區時)，出入口捲門之壓力均維持在一穩定狀態變化不大，故模型中列車於潛盾隧道之移動不需太長。如此可縮短模型之長度及網格數目，以節省運算時間。
(3)欲模擬出入口(或整個車站)最大負壓，應將實際之列車長度納入，若以縮小尺寸之列車，則模擬之壓力結果會有相對之誤差。
(4)當列車經過解壓井或進出隧道出土段，氣流分成兩股，部分氣流因流動方向發生變化致使動量變化，而發生壓力瞬間突增現象。此一壓力波動過於劇烈，將造成人員之耳膜壓力變化而引起不適。
(5)雙向行駛、單向行車之條件下，平均風速約為4∼2.5 m/s，而單一網格最大風速約為6∼3.2 m/s。表示本站之出入口設計適當，不會造成風速過大而引起旅客之不適。
參考文獻
(1)STAR-CD (Simulation of Turbulent flow in Arbritary Regions) User Manual, Version 3.10
(2)台北捷運新莊線DK193標CK378B期終送審，第一卷設計報告書 第二冊SES及3D-CFD模擬，1999.08
(3)台北捷運蘆洲線DL132/133標CL608B期終送審，第一卷設計報告書 第二冊SES及3D-CFD模擬，2000.09
(4)台北捷運蘆洲線DL131標CL608A期終送審，第一卷設計報告書 第二冊SES及3D-CFD模擬，2000.11
(5)台北捷運木柵延伸線DL144標CB358A期終報告，環控系統SES及CFD模擬，2001.11
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