程建峰，周丹

(1.中國南車集團青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111;2.中南大學交通運輸工程學院，湖南長沙410075;3.軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙410075)

京滬高速鐵路是《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中投資規(guī)模最大、技術(shù)含量最高的一項工程，是我國第一條具有世界先進水平的高速鐵路。為提高運營效率，高速列車可能會不減速通過京滬高鐵沿線部分車站。列車高速通過車站引起的空氣壓力波動對列車運行安全性及站臺周圍環(huán)境均有嚴重不良影響，是高速鐵路車站設(shè)計中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題［1－3］。高速行駛的列車使其周圍流場受到強烈擾動。當列車高速駛?cè)胲囌?，列車周圍流場邊界發(fā)生突變，會在列車與車站頂棚之間產(chǎn)生類似活塞效應(yīng)的氣動現(xiàn)象［4－5］。尤其當列車的頭部或尾部通過瞬間，將引起車站頂棚處的空氣壓力發(fā)生突變，形成一種瞬態(tài)壓力沖擊。為確保旅客及鐵路行車安全，需要對列車高速通過車站引起的瞬變氣動載荷進行系統(tǒng)研究［6－8］。

運行列車周圍的空氣流動是壓力和速度不斷變化的非穩(wěn)態(tài)流場，列車相對地面和周圍建筑物是實時運動的。但在風洞試驗中模型列車被固定，不能模擬列車與地面及周圍環(huán)境的相對運動，因此它不能精確描述高速列車通過車站引起的非定?，F(xiàn)象［9－10］。為研究列車運動引起的非定常流動，動模型試驗是最佳試驗手段［11－12］。動模型試驗能夠模擬兩交會列車之間、列車與周圍環(huán)境(地面、隧道、道旁建筑等)之間的相對運動，可以真實地反映地面效應(yīng)［11－12］。

本文采用模型比例為1∶20的列車氣動性能動模型試驗裝置，對2車編組的高速列車進出車站，以及兩列高速列車在車站內(nèi)交會情況進行了模擬，得到車站頂棚表面所受空氣荷載的變化情況。研究結(jié)果可為列車高速安全通過車站提供理論參考。

1 動模型試驗裝置簡介

本次試驗在中南大學的列車氣動性能模擬動模型試驗裝置上進行。該試驗平臺根據(jù)流動相似原理，通過彈射方式使模型列車在線路上無動力高速運行，真實再現(xiàn)高速列車交會與過車站等空氣三維非定常、非對稱流動現(xiàn)象，能夠模擬兩交會列車之間和列車與地面、站臺建筑之間的相對運動。

該試驗線為復線，可進行兩列模型列車的交會試驗。試驗線全長164 m，其中試驗段長為60 m。在試驗段上安裝站臺，用于列車交會和列車過站臺試驗。列車氣動性能模擬動模型試驗裝置采用多級動滑輪增速機構(gòu)的加速系統(tǒng)，模型列車最高速度可達500 km/h。控制系統(tǒng)能可靠地控制動模型試驗的整個運動過程，即控制彈射力加載、安全預警、單端發(fā)射、單端車載系統(tǒng)與地面系統(tǒng)同步采樣、雙端同步發(fā)射、兩交會列車的車載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)同步采樣等，以確保在試驗時獲得時間和空間上一致的試驗數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)可實時采集、存儲列車通過車站和車站內(nèi)交會時頂棚壓力波動及模型列車運行速度等參數(shù)。

2 試驗模型及方法

2.1 試驗模型

本次動模型試驗采用的模型比例為1∶20。高速列車模型采用頭車+尾車兩車編組，車體實際尺寸:高3.89 m，長51.7 m。模擬車站實際長度為162 m，寬度25 m，軌道線間距5 m。按1∶20的比例縮比后，高速列車模型長度為2.585 m，高度為0.1945 m;車站模型長8.1 m、寬度1.25 m，線間距0.25 m?？s比后的車站模型、列車斷面布置圖及坐標軸如圖1所示。坐標軸x為列車運行方向，以站臺入口為原點;坐標軸y為水平方向，以線路中心為原點;坐標軸z為高度方向，以站臺平面為原點。

試驗分為單列高速列車通過站臺及兩列高速列車在站臺交會2種情況:(1)模擬單列高速列車分別以300，350和360 km/h速度通過站臺模型時，測試車站頂棚表面不同位置處的瞬態(tài)壓力波動，模型圖見圖2所示;(2)模擬高速列車以350 km/h速度在站臺中部交會時，測試車站頂棚表面不同位置處的瞬態(tài)壓力波動。

圖1 站臺模型與試驗臺斷面布置圖(mm)Fig.1 Sketch of the railway station(mm)

圖2 高速列車通過站臺動模型試驗照片F(xiàn)ig.2 Photograph of the station and train models mounted in moving model rig

2.2 測試方法及測點布置

動模型試驗中列車模型比實車小很多，試驗條件和實車運行的條件也不完全相同。在進行模型試驗時，為了有效地模擬實車在線路上運行的實際情況，使測試數(shù)據(jù)具有可比性，必須滿足一定的相似準則。為正確的模擬列車高速通過車站壓力波的傳播過程，動模型試驗必須保證雷諾數(shù)Re相似及馬赫數(shù)Ma相似［13－15］。為實現(xiàn)兩個流場的馬赫數(shù)相等，動模型試驗中模型列車的車速與列車實際運行速度相同。由于模型列車速度在300～360 km/h范圍內(nèi)，對應(yīng)的雷諾數(shù)在7.76×105～9.3 ×105范圍內(nèi)，因此試驗處于自模擬區(qū)［14］。

采用瞬態(tài)壓力傳感器對車站頂棚瞬變壓力進行測試。當列車模型以300 km/h及以上速度通過車站，為捕捉車站頂棚所受壓力的瞬變特性，壓力傳感器的采樣頻率選用5 000 Hz［15］。

當列車通過車站時，頂棚沿列車運行方向(x軸)及水平方向(y軸)受力均不同，因此沿頂棚縱向(x軸)、靠近列車一側(cè)的線路中心的11個截面布置了壓力傳感器;在頂棚中部截面，沿水平方向(y軸)布置了5個測點壓力傳感器。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 單列車過站頂棚氣動特性分析

圖3為高速列車分別以300，350和360 km/h速度通過車站時，頂棚中部測點的壓力變化曲線。從圖中可知，在列車車頭鼻尖到達測點前一段時間，壓力就已開始增加，之后迅速增大，當列車車頭鼻尖達到測點時，測點的壓力正峰值達到最大，之后迅速減小，產(chǎn)生負脈沖波，當車頭流線型頭部通過測點后，壓力回升。車頭通過測點引起的峰－峰值時間間隔可根據(jù)通過列車車頭長度計算得到:(其中:為列車流線型頭部長度，V為車速)。車尾通過測點時產(chǎn)生的壓力變化幅值較小，且壓力變化過程與車頭通過時相反，即先產(chǎn)生一個負壓峰值，再產(chǎn)生一個正壓峰值。列車以不同速度通過車站時，頂棚的瞬態(tài)壓力脈沖波形基本一致。對不同車速下車站頂棚測點的壓力總幅值用冪函數(shù)曲線擬合，發(fā)現(xiàn)頂棚處壓力變化幅值與列車運行速度二次方近似成正比的關(guān)系，如圖4所示。

圖3 不同速度下車站頂棚所受壓力曲線Fig.3 Pressure history as train passes through the station at different speed on ceiling

圖4 車站頂棚壓力幅值與速度的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between pressure amplitude on ceiling and velocity

列車高速通過站臺時，車站頂棚沿列車運行方向(x軸)及水平方向(y軸)受力不同。當列車以350 km/h速度通過站臺，沿頂棚水平方向不同測點的壓力系數(shù)變化幅值如圖5所示，其中ΔP+為正壓幅值，ΔP－為負壓幅值。從圖中可以看出，頂棚不同測點的壓力隨著車體壁面距測點間距的增大而減小。圖6為車站頂棚沿列車運行方向不同測點的壓力系數(shù)變化幅值。從站臺入口到站臺出口，列車進站時引起的空氣(流場)擾動強度略有減小，到站臺出口處達到最小。列車進站時引起的測點壓力系數(shù)幅值比出口大5%左右。

3.2 兩列車在車站交會頂棚氣動特性分析

圖7為動車組以350 km/h速度在車站中部交會時頂棚各測點的壓力系數(shù)波動曲線，取列車頭部進站時刻為時間坐標的原點。從圖中可以看出，布置在兩列車交會過程中的測點瞬變壓力曲線顯著不同于遠離交會位置處的測點及單車通過測點情況。當t=0.02 s，列車鼻尖位置到達x=1 m的測點位置，引起壓力波動;隨著車尾通過該測點，其壓力恢復到初始情況。當t=0.41 s，兩列車的車頭均到達x=4 m，此時車站頂棚處的測點不僅感受到靠近該測點的列車產(chǎn)生的瞬變壓力，而且也受到交會列車通過引起的壓力波動影響。由于相同符號的壓力波動發(fā)生疊加時壓力幅值會顯著增加，因此x=4 m測點壓力幅值達到最大。對于位于x=4.5 m位置處的測點，僅最大負壓峰值發(fā)生了疊加。當t=0.118 s，兩列車在站臺內(nèi)完成交會。在t=0.12 s，交會列車通過測點x=1 m，又產(chǎn)生了一個較小的壓力波動。

圖5 沿y軸方向站臺頂棚不同測點壓力分布Fig.5 Pressure amplitude at different position along the y－axis on ceiling

圖6 沿x軸方向站臺頂棚不同測點壓力分布Fig.6 Pressure amplitude at different positions along the x－axis on ceiling

圖7 兩列車交會時不同測點壓力系數(shù)曲線Fig.7 Pressure change with time as trains passing each other in the station at different positions on ceiling

圖8為車站頂棚沿x軸方向不同測點的壓力系數(shù)變化幅值。頂棚中部附近測點的壓力系數(shù)幅值變化較大，這是由于列車在站臺中部交會時，不僅列車通過測點會引起較大的壓力波動，而且兩列車交會瞬間也會產(chǎn)生劇烈的交會壓力波，交會壓力波傳至頂棚表面，導致瞬變壓力波動發(fā)生疊加。

圖8 兩車交會時沿x軸方向頂棚壓力分布Fig.8 Pressure amplitude at different position along the x－axis on ceiling

4 結(jié)論

(1)列車的頭部或尾部通過車站瞬間，將引起車站頂棚處的空氣壓力發(fā)生突變，形成一種瞬態(tài)壓力沖擊。車頭通過測點引起的峰—峰值時間間隔可根據(jù)通過列車車頭長度計算得到:(其中Ln為列車流線型頭部長度，V為車速)。

(2)頂棚不同測點的壓力隨著車體壁面距測點間距的增大而減小。列車進站時引起的測點壓力系數(shù)幅值最大，沿列車運行方向壓力系數(shù)幅值逐步減小，在站臺出口出達到最小。

(3)高速列車在車站交會時，不僅列車通過測點會引起較大的壓力波動，而且兩列車交會瞬間也會產(chǎn)生劇烈的交會壓力波，交會壓力波傳至測點表面，導致不同的壓力波發(fā)生疊加，使得測點瞬變壓力曲線顯著不同于單列車通過測點情況。

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