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(zhǎng)沙410075)

0 引言

最近幾年，我國(guó)大力發(fā)展客運(yùn)專(zhuān)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(chē)站成了必然趨勢(shì).

當(dāng)列車(chē)以較高速度通過(guò)站臺(tái)(不停)時(shí)，所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力效應(yīng)將會(huì)影響到車(chē)站內(nèi)乘客以及作業(yè)人員的舒適性和周?chē)纳瞽h(huán)境，甚至?xí)＜八麄兊陌踩?隨著列車(chē)速度的提高，這種空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)會(huì)越來(lái)越顯著，目前針對(duì)列車(chē)高速通過(guò)地下車(chē)站時(shí)列車(chē)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(duì)一CRH2型列車(chē)在高速鐵路雙線隧道內(nèi)以時(shí)速200 km行駛(有一同類(lèi)型列車(chē)?？吭谲?chē)站內(nèi))通過(guò)站臺(tái)時(shí)的環(huán)境進(jìn)行了模擬，并采用Tecplot后處理軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析與處理，分析了列車(chē)在雙線隧道內(nèi)通過(guò)站臺(tái)時(shí)列車(chē)風(fēng)的變化過(guò)程和分布特性，對(duì)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(chē)站屋頂和邊墻作為計(jì)算流場(chǎng)邊界，列車(chē)與隧道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)采用滑移網(wǎng)格技術(shù)處理.

1.2 計(jì)算方法

利用Fluent軟件求解非定常可壓縮流動(dòng)的RANS方程和 Realiazable κ(湍動(dòng)能)-ε(湍動(dòng)耗散率)二方程湍流模型，對(duì)車(chē)站的列車(chē)風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬.用有限體積法離散方程，動(dòng)量、能量、κ和ε方程中的對(duì)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(chē)的運(yùn)動(dòng)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(jiàn)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(tái)模型圖Fig.1 Picture of station model

圖2 列車(chē)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(tái)列車(chē)風(fēng)變化過(guò)程

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

在車(chē)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(tái)地面1.5 m，離運(yùn)行列車(chē)壁1.1 m.列車(chē)從進(jìn)站(t=0 s)到出站(t=4.68 s)的過(guò)程中列車(chē)風(fēng)縱向和橫向的變化過(guò)程分別如圖3所示.

由圖3可知，(1)當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)分析點(diǎn)時(shí)，縱向風(fēng)速波動(dòng)較大.車(chē)頭經(jīng)過(guò)分析點(diǎn)時(shí)，風(fēng)速迅速增大至全程最大值，待車(chē)頭經(jīng)過(guò)后，迅速恢復(fù)至環(huán)境風(fēng)速，車(chē)尾經(jīng)過(guò)分析點(diǎn)的情況與車(chē)頭類(lèi)似.其中在t=1～2.3 s這段時(shí)間里，由于列車(chē)經(jīng)過(guò)停靠列車(chē)，風(fēng)速略有波動(dòng)(對(duì)人員安全無(wú)影響，限于篇幅，不作詳細(xì)討論).(2)同樣地，列車(chē)經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)，橫向風(fēng)速波動(dòng)情況與縱向風(fēng)速類(lèi)似.(3)列車(chē)進(jìn)站過(guò)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(duì)人員安全無(wú)影響.

4 站臺(tái)列車(chē)風(fēng)分布特性

4.1 縱向分布特性

列車(chē)由區(qū)間隧道進(jìn)入車(chē)站，由于地下車(chē)站相對(duì)區(qū)間隧道而言是一個(gè)對(duì)斷面擴(kuò)大很多的“大斷面隧道”，流場(chǎng)環(huán)境發(fā)生了較大變化，從而導(dǎo)致列車(chē)風(fēng)的形態(tài)也有所變化.列車(chē)進(jìn)入車(chē)站后站臺(tái)上1.5 m高處的水平面內(nèi)列車(chē)風(fēng)的流場(chǎng)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(chē)風(fēng)主要出現(xiàn)在靠近列車(chē)附近，其它位置的列車(chē)風(fēng)相對(duì)較小;列車(chē)風(fēng)在縱向分布是不均勻的，其中在列車(chē)兩端附近列車(chē)風(fēng)的峰值較大，車(chē)中的列車(chē)風(fēng)峰值較小.(2)氣流從車(chē)頭流向車(chē)尾，車(chē)尾處出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，這是由于列車(chē)行駛時(shí)帶動(dòng)了活塞風(fēng)，車(chē)頭處產(chǎn)生正壓，車(chē)尾處產(chǎn)生負(fù)壓的緣故.(3)近列車(chē)側(cè)的風(fēng)速比遠(yuǎn)列車(chē)側(cè)的風(fēng)速略大一些，但不影響站臺(tái)人員的安全.

4.2 橫向分布特性

列車(chē)進(jìn)入車(chē)站80 m時(shí)，列車(chē)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(chē)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(chē)壁處風(fēng)速與列車(chē)運(yùn)行速度相同;(2)靠近運(yùn)行列車(chē)一側(cè)的列車(chē)風(fēng)風(fēng)速較低，而遠(yuǎn)離列車(chē)一側(cè)的列車(chē)風(fēng)風(fēng)速相對(duì)更低，其中列車(chē)尾部風(fēng)速最大，屬于風(fēng)速最不利位置，相對(duì)而言，更容易引起人員安全問(wèn)題.(3)靠近運(yùn)行列車(chē)一側(cè)站臺(tái)邊緣附近列車(chē)風(fēng)最大風(fēng)速約為10 m/s，遠(yuǎn)離運(yùn)行列車(chē)一側(cè)站臺(tái)邊緣附近列車(chē)風(fēng)最大風(fēng)速約為7 m/s，對(duì)人員安全無(wú)影響.

5 站臺(tái)內(nèi)安全避讓距離判別

高速列車(chē)運(yùn)行引起強(qiáng)烈列車(chē)風(fēng)，列車(chē)風(fēng)會(huì)對(duì)臨近線路人體產(chǎn)生氣動(dòng)作用，可能威脅站臺(tái)上乘客和路邊作業(yè)人員的安全，確定站臺(tái)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(chē)安全運(yùn)行的一個(gè)重要問(wèn)題.

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

表2 站臺(tái)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(chē)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(chē)以時(shí)速200 km由雙線隧道過(guò)站的條件下，站臺(tái)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(shí)安全線等，必要時(shí)可設(shè)置防護(hù)欄，屏蔽門(mén)等保護(hù)措施.

6 結(jié)論

筆者對(duì)一CRH2型列車(chē)在高速鐵路雙線隧道內(nèi)以時(shí)速200 km行駛經(jīng)過(guò)站臺(tái)時(shí)列車(chē)風(fēng)的特性以及人員安全進(jìn)行了分析.

圖6 站臺(tái)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(chē)經(jīng)過(guò)站臺(tái)時(shí)，列車(chē)風(fēng)速的波動(dòng)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(chē)壁的邊界層風(fēng)速梯度很大，列車(chē)兩端風(fēng)速較大，列車(chē)尾部會(huì)出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，與實(shí)際情況相符.

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

(4)站臺(tái)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(dòng)，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(duì)時(shí)速為200 km時(shí)進(jìn)行了分析，速度相對(duì)較小，不夠全面，可以再對(duì)時(shí)速分別為300 km和400 km時(shí)進(jìn)行分析，從而對(duì)結(jié)果進(jìn)一步研究與總結(jié).

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