活塞效应（Piston Effect）指在隧道中高速运行的列车，会带动隧道中的空气产生高速流动，因为类似汽缸内活塞压缩气体之现象。当高速运行之列车进入隧道，隧道内之空气原为静止，因列车之重击，产生高压波，该高压波以声音的速度传播（远大于列车行驶速度），因此当列车进入隧道产生之高压波迅速往下游传递，压力波传达的隧道空气立即被加速，当压力波抵达下游隧道口时产生反射波，反射波往隧道上游传递，当其传递之隧道空气将再一次被加速。同样的列车车尾进入隧道，会产生一股负压波，该股负压波，也同样会作用在隧道内空气流速。

当地铁机车在隧道中运行时，隧道中的空气被机车带动而顺着机车前进的方向流动，这一现象称为机车的活塞作用，由此所形成的气流称为活塞气流。为了保持地铁隧道内的空气流通，在每个地铁车站的两端都各有三种类型风井与地面连接。地铁车站两端的三个风井中有一个叫“活塞风井”，主要用于释放机车在隧道中做活塞运动时带动的风力；另外两个是排风井和新风井，用于车站内与外界的空气流通。机车在隧道中运行时 , 由于隧道壁所构成的空间限制 ,机车所推挤的空气不能全部绕流到机车后方 , 必然有部分空气会被机车向前推动，通过排风井排出到隧道出口之外，而机车尾端后方存在着负压区域，因此也必然会有空气通过进风井引入到隧道中，由此形成活塞风。此种现象也称为“活塞效应”。

受到隧道构造的影响，亦可能因波动的穿透或反射而改变波动。因列车在隧道内行驶而产生各种波动在隧道内逐渐加速隧道内的空气流动，使隧道内的空气随着列车而行进，便称之为隧道内之活塞效应。

在地下化轨道系统的车站中，活塞效应会将隧道内的空气带进车站内，造成车站内空气品质恶化。不过近期的设计都会利用活塞效应来把脏空气排出通风井，并带入新鲜的空气。这样的应用也会用在一些车行隧道中，如高雄过港隧道。另外可以在车站月台设立月台门，将车站与隧道分成两个独立的空间，亦可以改善车站的空气品质。由此可看出活塞效应与隧道通风息息相关。

使用 Fluent 软件进行地铁隧道内活塞风动网格流动模拟，需要经历以下分析过程。建模—> 网格划分—> 流动方程离散化—> 求解方程—> 结果分析。

动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题。

动网格模型的建立：考虑到列车运动带来的流场形状随时间改变的问题，故采用 Fluent 软件建立动网格模型，将隧道内流场分为运动的列车区域和不运动的流场区域。前者为动网格区，包括列车运动所经过部分，后者为静止网格区，包括隧道内列车区域以外的部分，两者之间采用滑动网格交界面进行连接。列车所在位置的四周边界设置为 Wall，三维固体边界，无滑移边界条件。列车区域属于刚体运动，其运动方式用 UDF 进行定义。将运动速度赋给列车车头车尾两面，四周固体边界随其运动而运动。流场区域的空气因列车的运动而运动，属于变形运动。

本模型对应选取动态分层模式的更新方式，Fluent 软件可根据每个迭代步中边界的变化情况，自动完成网格的更新过程。

初始条件：初始各方向风速均为零，忽略了重力对流场的影响。

边界条件：地铁区间隧道两端的气流出口取压力出口。边界条件，定义出口相对于大气压力为 0Pa，即没有附加的压力作用。区间隧道壁面为壁面无滑移边界条件；地铁机车为移动边界条件。

据此计算条件，我们分别在列车行进方向离站 50 米和 100 米处设置活塞井并建立计算模型。经过 Fluent 动网格模型分析，分别模拟了在列车离站50 米和 100 米处设置活塞井工况下，风井及隧道内速度的矢量表达。通过计算表明：如果在距离列车行进方向，离开车站100m 处设置活塞风井，较在离车站 50m 处设置活塞风井时使排入前方车站的废热风量减少 1/3。

当地铁列车尚未通过活塞风井之前，列车车头前方隧道内为正压区，隧道内大量的废热空气可通过前方的活塞风井排至地面以上；而当地铁列车车头通过活塞风井后，列车车身及车尾处于负压区，活塞风井由向大气排风逐渐转为向地铁隧道内送风，引入大量隧道外较低温度的空气，抵消了隧道内热负荷。因此，如果在列车前进方向，距离站台一定距离的隧道内合理设置活塞风井 , 即可有效利用活塞风将一部分地铁列车运行过程中产生的牵引废热通过活塞风井排向大气，并引入一部分冷却空气，达到控制地铁热环境的节能目的。

利用 Fluent 软件建立了地铁活塞效应动网格模型，从排风率和速度矢量两方面对地铁模拟结果进行了比较和分析，结果显示：

1）通过在地铁区间隧道内靠近地铁列车驶出一侧增设活塞风井的方式，可以有效增大活塞风井排风率，进而有效利用与控制活塞风对车站热环境的影响。

2）在距离列车行进方向，离站 100m 处设置活塞风井，较在离站 50m 处设置活塞风井时使排入前方车站的废热风量减少 1/3。由此可见，通过合理控制活塞风井的设置方式，可实现有效利用活塞效应影响地铁热环境的目的。