彭立敏，劉 程，施成華，楊偉超，晏偉光

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410075)

0 引言

最近幾年，我國大力發(fā)展客運(yùn)專線以及高速鐵路，由于城市土地資源的有限，采用隧道穿越城區(qū)以及修建地下車站成了必然趨勢.

當(dāng)列車以較高速度通過站臺(不停)時(shí)，所產(chǎn)生的空氣動力效應(yīng)將會影響到車站內(nèi)乘客以及作業(yè)人員的舒適性和周圍的生活環(huán)境，甚至?xí)＜八麄兊陌踩?隨著列車速度的提高，這種空氣動力學(xué)效應(yīng)會越來越顯著，目前針對列車高速通過地下車站時(shí)列車風(fēng)的研究還比較少.

筆者采用數(shù)值模擬的方法，運(yùn)用流體力學(xué)軟件Fluent對一CRH2型列車在高速鐵路雙線隧道內(nèi)以時(shí)速200 km行駛(有一同類型列車?？吭谲囌緝?nèi))通過站臺時(shí)的環(huán)境進(jìn)行了模擬，并采用Tecplot后處理軟件對結(jié)果進(jìn)行了分析與處理，分析了列車在雙線隧道內(nèi)通過站臺時(shí)列車風(fēng)的變化過程和分布特性，對站內(nèi)人員的安全性進(jìn)行了分析并提出了建議.

1 邊界條件和計(jì)算方法

1.1 邊界條件

以車站屋頂和邊墻作為計(jì)算流場邊界，列車與隧道之間的相對運(yùn)動采用滑移網(wǎng)格技術(shù)處理.

1.2 計(jì)算方法

利用Fluent軟件求解非定?？蓧嚎s流動的RANS方程和 Realiazable κ(湍動能)-ε(湍動耗散率)二方程湍流模型，對車站的列車風(fēng)流場進(jìn)行數(shù)值模擬.用有限體積法離散方程，動量、能量、κ和ε方程中的對流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式離散.列車的運(yùn)動使用Fluent的Profile文件進(jìn)行控制.

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 模型

按照隧道設(shè)計(jì)斷面條件，建立1∶1的數(shù)值仿真模型，具體模型見圖1和圖2所示.

2.2 參數(shù)

基本計(jì)算參數(shù)如表1所示.

圖1 站臺模型圖Fig.1 Picture of station model

圖2 列車模型圖Fig.2 Picture of train model

表1 模型參數(shù)表Tab.1 Parameters of models

3 站臺列車風(fēng)變化過程

依據(jù)文獻(xiàn)，日本以9 m/s風(fēng)速作為站臺安全距離，英國以人體可承受11.1 m/s風(fēng)速作為站臺安全距離，以16.9 m/s風(fēng)速為作業(yè)安全距離［1］，國內(nèi)目前還沒有這方面的標(biāo)準(zhǔn)，筆者建議對于站臺人員的最高避讓風(fēng)速不能大于14 m/s［2］.

在車站內(nèi)距進(jìn)站口100 m處設(shè)置一分析點(diǎn)，該分析點(diǎn)高度為距站臺地面1.5 m，離運(yùn)行列車壁1.1 m.列車從進(jìn)站(t=0 s)到出站(t=4.68 s)的過程中列車風(fēng)縱向和橫向的變化過程分別如圖3所示.

由圖3可知，(1)當(dāng)列車經(jīng)過分析點(diǎn)時(shí)，縱向風(fēng)速波動較大.車頭經(jīng)過分析點(diǎn)時(shí)，風(fēng)速迅速增大至全程最大值，待車頭經(jīng)過后，迅速恢復(fù)至環(huán)境風(fēng)速，車尾經(jīng)過分析點(diǎn)的情況與車頭類似.其中在t=1～2.3 s這段時(shí)間里，由于列車經(jīng)過?？苛熊嚕L(fēng)速略有波動(對人員安全無影響，限于篇幅，不作詳細(xì)討論).(2)同樣地，列車經(jīng)過測點(diǎn)時(shí)，橫向風(fēng)速波動情況與縱向風(fēng)速類似.(3)列車進(jìn)站過程中縱向風(fēng)速大約維持在2.5～12 m/s，橫向風(fēng)速最大值大約為3.2 m/s，對人員安全無影響.

4 站臺列車風(fēng)分布特性

4.1 縱向分布特性

列車由區(qū)間隧道進(jìn)入車站，由于地下車站相對區(qū)間隧道而言是一個(gè)對斷面擴(kuò)大很多的“大斷面隧道”，流場環(huán)境發(fā)生了較大變化，從而導(dǎo)致列車風(fēng)的形態(tài)也有所變化.列車進(jìn)入車站后站臺上1.5 m高處的水平面內(nèi)列車風(fēng)的流場風(fēng)速分布如圖4所示(坐標(biāo)單位均為m)，

圖3 分析點(diǎn)風(fēng)速時(shí)程變化曲線Fig.3 The train wind speed time-history changing curve of the analyzed point

由圖4可知，(1)列車風(fēng)主要出現(xiàn)在靠近列車附近，其它位置的列車風(fēng)相對較小;列車風(fēng)在縱向分布是不均勻的，其中在列車兩端附近列車風(fēng)的峰值較大，車中的列車風(fēng)峰值較小.(2)氣流從車頭流向車尾，車尾處出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，這是由于列車行駛時(shí)帶動了活塞風(fēng)，車頭處產(chǎn)生正壓，車尾處產(chǎn)生負(fù)壓的緣故.(3)近列車側(cè)的風(fēng)速比遠(yuǎn)列車側(cè)的風(fēng)速略大一些，但不影響站臺人員的安全.

4.2 橫向分布特性

列車進(jìn)入車站80 m時(shí)，列車頭部，中部以及尾部的橫向風(fēng)速分布如圖5所示(坐標(biāo)單位均為m)，

由圖5可知:(1)緊貼列車壁存在較薄的邊界層，在邊界層內(nèi)風(fēng)速梯度很大，趨近列車壁處風(fēng)速與列車運(yùn)行速度相同;(2)靠近運(yùn)行列車一側(cè)的列車風(fēng)風(fēng)速較低，而遠(yuǎn)離列車一側(cè)的列車風(fēng)風(fēng)速相對更低，其中列車尾部風(fēng)速最大，屬于風(fēng)速最不利位置，相對而言，更容易引起人員安全問題.(3)靠近運(yùn)行列車一側(cè)站臺邊緣附近列車風(fēng)最大風(fēng)速約為10 m/s，遠(yuǎn)離運(yùn)行列車一側(cè)站臺邊緣附近列車風(fēng)最大風(fēng)速約為7 m/s，對人員安全無影響.

5 站臺內(nèi)安全避讓距離判別

高速列車運(yùn)行引起強(qiáng)烈列車風(fēng)，列車風(fēng)會對臨近線路人體產(chǎn)生氣動作用，可能威脅站臺上乘客和路邊作業(yè)人員的安全，確定站臺上乘客和作業(yè)人員的安全距離，是涉及高速鐵路建設(shè)和保障高速列車安全運(yùn)行的一個(gè)重要問題.

通過對列車在站臺上到達(dá)不同位置時(shí)站臺內(nèi)列車風(fēng)縱向和橫向分布進(jìn)行分析，得到CRH2型列車時(shí)速200 km條件下，根據(jù)筆者建議的14 m/s的站臺上列車風(fēng)的人員安全避讓值，確定出站臺上人員安全避讓距離，如表2所示.

表2 站臺上人員安全避讓距離Tab.2 Safety of hazards distance of people on the platform

根據(jù)表2列車風(fēng)的分布范圍擬合出隧道內(nèi)疏散通道范圍內(nèi)的安全避讓空間，如圖6所示.

由上可知，列車以時(shí)速200 km由雙線隧道過站的條件下，站臺人員最小安全避讓距離不小于1.73 m，由于筆者建議的14 m/s安全避讓值可能較高，為避免發(fā)生安全事故，應(yīng)在危險(xiǎn)范圍內(nèi)予以警示，如標(biāo)識安全線等，必要時(shí)可設(shè)置防護(hù)欄，屏蔽門等保護(hù)措施.

6 結(jié)論

筆者對一CRH2型列車在高速鐵路雙線隧道內(nèi)以時(shí)速200 km行駛經(jīng)過站臺時(shí)列車風(fēng)的特性以及人員安全進(jìn)行了分析.

圖6 站臺人員安全避讓距離示意圖Fig.6 Geological hazards distance schemes of personnel security on the platform

(1)列車經(jīng)過站臺時(shí)，列車風(fēng)速的波動較大，盡管未達(dá)到危險(xiǎn)風(fēng)速，仍應(yīng)小心謹(jǐn)慎.

(2)緊貼列車壁的邊界層風(fēng)速梯度很大，列車兩端風(fēng)速較大，列車尾部會出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，與實(shí)際情況相符.

(3)列車的尾部為風(fēng)速最不利位置，因此車尾經(jīng)過時(shí)要更加謹(jǐn)慎，注意安全.

(4)站臺的最小安全避讓距離為1.73 m，由于筆者建議的14 m/s安全避讓值可能較高，為確保人員的安全，應(yīng)避免在危險(xiǎn)范圍內(nèi)活動，必要時(shí)應(yīng)加設(shè)護(hù)欄或采取其它的保護(hù)措施.

(5)筆者只對時(shí)速為200 km時(shí)進(jìn)行了分析，速度相對較小，不夠全面，可以再對時(shí)速分別為300 km和400 km時(shí)進(jìn)行分析，從而對結(jié)果進(jìn)一步研究與總結(jié).

［1］Federal Railroad Administration of USA.Aerodynamic effects of high speed trains on people and property at stations in the northeast corridor［M］.Washington:Federal Railroad Administration of American，1999，65-68.

［2］崔麗紅，劉鑫，魏慶朝.高速鐵路安全系統(tǒng)的研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào).，2001，11(2):8.

［3］李人憲，趙晶.高速列車風(fēng)對附近人體的氣動作用影響［J］.中國鐵道科學(xué)，2007.28(5):98-104.

［4］ARTURO B，MICHELE M，STEFANO S.The alleviation of the aerodynamic drag and wave effects of highspeed trains in very long tunnels［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2001，89(6):365-401.

［5］王建宇.高速鐵路隧道空氣動力學(xué)若干問題探討［C］//2006中國高速鐵路隧道國際技術(shù)交流會論文集.北京:鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心，中鐵西南科學(xué)研究院，2006:74-85.

［6］李炎.鐵路隧道列車活塞風(fēng)特性分析及理論研究［D］.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院.2010:68-75.

［7］HOWE M S.The compression wave produced by highspeed train entering a tunnel.Proceedings of the Royal Society(London) ［M］.Royal Society(United Kingdom)，1998:1523-1534.

［8］鐵道部第二勘測設(shè)計(jì)院，鐵道部第四勘測設(shè)計(jì)院，TB 10068—2000鐵路隧道運(yùn)營通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.2000:30.

［9］莫乃榕.工程流體力學(xué)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社.

［10］石先明，習(xí)博.城際鐵路運(yùn)營特點(diǎn)及列車運(yùn)行控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)功能定位［J］.鐵道勘測與設(shè)計(jì).2010，23(6):1-2.

［11］YOON T S，LEE S，HWANG J H，et al.Prediction and validation on the sonic boom by a high-speed train entering a tunnel［J］.Journal of Sound and Vibration，2001，247(2):195-211.