[论文解读] Heat Transfer in Underground Rail Tunnels

Stefan Sadokierski, Jean‐Luc Thiffeault|ArXiv.org|Sep 12, 2007

Aerodynamics and Fluid Dynamics Research参考文献 14被引用 8

一句话总结

本文提出了一种用于地下铁路隧道的耦合热模型，考虑了隧道空气与周围土壤之间的瞬态传热，结合湍流流型和径向导热。研究发现，列车引起的传热系数波动起到了有效附加热源的作用，导致平均土壤温度升高，使稳态假设失效，关键结果表明在日周期和季节周期中存在显著的相位偏移和热容效应。

ABSTRACT

The transfer of heat between the air and surrounding soil in underground tunnels ins investigated, as part of the analysis of environmental conditions in underground rail systems. Using standard turbulent modelling assumptions, flow profiles are obtained in both open tunnels and in the annulus between a tunnel wall and a moving train, from which the heat transfer coefficient between the air and tunnel wall is computed. The radial conduction of heat through the surrounding soil resulting from changes in the temperature of air in the tunnel are determined. An impulse change and an oscillating tunnel air temperature are considered separately. The correlations between fluctuations in heat transfer coefficient and air temperature are found to increase the mean soil temperature. Finally, a model for the coupled evolution of the air and surrounding soil temperature along a tunnel of finite length is given.

研究动机与目标

• 为解决稳态模型在预测地下铁路隧道温度演化方面的局限性，特别是实际系统中观察到的相位偏移问题。
• 建立隧道空气与周围土壤之间耦合热动力学的模型，考虑土壤的热容和导热性能。
• 量化由于列车通过引起的传热系数短期波动对长期土壤温度分布的影响。
• 开发一个动态模型，捕捉夜间通风和季节性变化对峰值隧道温度的影响。
• 通过整合流体动力学与瞬态导热，提高地下铁路系统热管理的预测准确性。

提出的方法

• 基于标准湍流流动假设和摩擦速度公式，推导开放隧道及列车-隧道环空区域的湍流速度分布。
• 基于壁面剪切应力和气流速度，利用牛顿冷却定律计算隧道壁面和列车表面的传热系数（ht 和 hv）。
• 在柱坐标系中求解从隧道壁面到无穷远的径向导热方程，内边界采用时变边界条件。
• 应用解析解模拟在脉冲和振荡温度输入下热量向土壤的扩散，使用热扩散率和导热系数参数。
• 引入传热系数短期波动与隧道空气温度之间的相关性，将其建模为等效热源。
• 建立轴向空气温度演化与径向土壤温度扩散的耦合模型，沿隧道引入连续非齐次热源。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于列车通过引起的传热系数短期波动，对周围土壤平均温度有何影响？
• RQ2 周围土壤的热容在日周期和季节周期中，对隧道空气温度相位偏移的影响程度如何？
• RQ3 为何标准稳态模型无法预测在相同环境条件下伦敦地下铁在秋季比春季更暖的现象？
• RQ4 夜间通风对次日峰值隧道温度的影响是什么？如何实现准确建模？
• RQ5 开放隧道与列车-隧道环空区域的有效传热系数有何差异？这对热负荷分布有何影响？

主要发现

• 列车引起的传热系数短期波动与空气温度产生相关性，表现为等效附加热源，使模型中平均土壤温度升高达1.5 K。
• 日周期振荡的热边界层厚度约为0.1 m，而年周期振荡则延伸至约1.8 m，表明季节性传热穿透深度较强。
• 开放隧道中温度波动的衰减时间约为5.3天（4.56 × 10⁶ s），而在环空区域约为5.3小时（4.56 × 10⁵ s），表明列车邻近区域的波动衰减更快。
• 开放隧道的有效传热系数为127 m⁻¹（Ht = ht/Ks），环空区域为314 m⁻¹（Hv = hv/Ks），表明列车-隧道间隙的热耦合更强。
• 模型预测，环境气温与隧道气温之间的相位差源于土壤的热惯性，解释了为何地下铁在秋季比春季更暖。
• 引入时变传热系数和径向导热后，模型能够捕捉夜间通风等瞬态效应，而这些效应是稳态模型无法预测的。