方 誼 王宏林 畢海權(quán)

隔墻對(duì)城際鐵路地下車站壓力波的影響

方 誼 王宏林 畢海權(quán)

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

為了研究在城際鐵路地下車站設(shè)置隔墻對(duì)列車越行時(shí)產(chǎn)生的壓力波的影響，以某城際鐵路地下車站的建筑結(jié)構(gòu)為參考，對(duì)設(shè)置隔墻和不設(shè)置隔墻的工況進(jìn)行了對(duì)比分析。首先使用CFD軟件建立了數(shù)值計(jì)算模型，并通過(guò)對(duì)比不同網(wǎng)格尺寸的數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了網(wǎng)格尺寸對(duì)本文數(shù)值計(jì)算的無(wú)關(guān)性；然后分析了設(shè)置隔墻后列車高速通過(guò)車站時(shí)車身不同位置處的壓力變化；最后對(duì)比了設(shè)置隔墻的計(jì)算工況和不設(shè)置隔墻的工況在隧道內(nèi)、咽喉區(qū)以及屏蔽門(mén)處測(cè)點(diǎn)的壓力幅值變化。研究結(jié)果表明：車站內(nèi)設(shè)置隔墻后，列車在通過(guò)地下車站時(shí)車身的壓力幅值會(huì)增加，正壓幅值可增加792 Pa；在車站內(nèi)設(shè)置隔墻對(duì)隧道內(nèi)的壓力動(dòng)態(tài)變化基本無(wú)影響；咽喉區(qū)處正壓幅值變化較小，負(fù)壓幅值變化較大，有隔墻工況比無(wú)隔墻工況最多增加96.69%；屏蔽門(mén)處壓力幅值波動(dòng)較大，正壓幅值相較無(wú)隔墻工況增大132.4%，負(fù)壓幅值增大121.7%。

空氣動(dòng)力學(xué)；地下車站；隧道；屏蔽門(mén)；隔墻

0 引言

近年來(lái)，越來(lái)越多的城市規(guī)劃或修建了地下高鐵車站或城際車站，不同于地上車站，地下車站由于內(nèi)部空間封閉，會(huì)產(chǎn)生很多地上車站沒(méi)有的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。在高速列車從外界駛?cè)胨淼啦⑼ㄟ^(guò)地下車站的過(guò)程中，列車車頭在隧道入口會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓縮波，并且以當(dāng)?shù)芈曀傧蛩淼莱隹趥鞑?，到達(dá)隧道出口時(shí)由于空間突然變大，壓縮波會(huì)在隧道出口處轉(zhuǎn)換成膨脹波沿反方向以當(dāng)?shù)芈曀傧蛩淼廊肟趥鞑?；列車車尾在進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生的膨脹波也會(huì)以同樣的速度傳播到隧道出口，并轉(zhuǎn)換成壓縮波沿反方向傳播回隧道入口[1]。這些壓縮波和膨脹波在隧道內(nèi)來(lái)回傳播，就形成了隧道內(nèi)的壓力波。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于壓力波已經(jīng)做了很多研究，國(guó)外學(xué)者UYSTEPRUYST等[2]提出了一種計(jì)算高速列車隧道氣動(dòng)效應(yīng)的三維數(shù)值模擬方法，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。CROSS等[3]通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算研究了改變阻塞比對(duì)列車通過(guò)隧道時(shí)的壓力波的影響。KHAYRULLINA等[4,5]采用大渦模擬（LES）方法，求解了三維可壓縮湍流的非定常RANS方程和能量方程，使用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格技術(shù)研究了地鐵隧道和車站內(nèi)的列車運(yùn)動(dòng)，分析了列車周圍的瞬態(tài)流場(chǎng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者梅元貴等[6,7]對(duì)初始?jí)嚎s波形成機(jī)理和長(zhǎng)大隧道壓力波進(jìn)行了研究，李人憲等[8]對(duì)單車過(guò)隧道和隧道內(nèi)會(huì)車壓力波進(jìn)行了探討。相較于對(duì)隧道內(nèi)的壓力波的研究，現(xiàn)階段對(duì)地下車站壓力波的研究還是較少。地下車站由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)于屏蔽門(mén)和隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)（例如隔墻）等的承壓限制有更高的要求。本文以某地下城際車站為參考，通過(guò)數(shù)值模擬方法建立計(jì)算模型，研究了在地下車站咽喉區(qū)及車站設(shè)置隔墻后隧道及車站內(nèi)的壓力波變化規(guī)律，希望能為未來(lái)地下車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算方法

1.1 控制方程

列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)是三維、粘性、可壓縮、非定常的湍流流動(dòng)。通用控制方程如下所示[9]：

使用基于雷諾時(shí)均-方程（Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) equations）[10,11]的Realizable K-Epsilontwo-layer湍流模型來(lái)對(duì)隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行模擬。在本研究中，當(dāng)使用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)列車運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬時(shí)，流場(chǎng)控制方程中需要考慮網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)對(duì)氣流的影響，則通用控制方程可表示為如下形式：

式中，U為遷移速度，其他符號(hào)同前。

1.2 計(jì)算模型

本文以某地下城際車站建筑結(jié)構(gòu)為參考，建立了在咽喉區(qū)及車站設(shè)置隔墻和未設(shè)置隔墻兩種數(shù)值計(jì)算模型，圖1為設(shè)置了隔墻的隧道—車站—隧道計(jì)算模型總體示意圖，無(wú)隔墻工況計(jì)算模型除了不設(shè)置隔墻以外，結(jié)構(gòu)尺寸與有隔墻工況計(jì)算模型保持一致。設(shè)置隔墻工況的數(shù)值計(jì)算模型中包括小里程端隧道、小里程端咽喉區(qū)、車站站房、車站屏蔽門(mén)、大里程端咽喉區(qū)以及大里程端隧道等結(jié)構(gòu)。數(shù)值計(jì)算模型中的小里程端的隧道長(zhǎng)度為1750m，大里程端的隧道長(zhǎng)度為200m，均為雙線隧道，隧道凈空面積約為103.3m2；車站兩側(cè)咽喉區(qū)長(zhǎng)度均為137m，中間被隔墻分隔，小里程端咽喉區(qū)隔墻兩側(cè)凈空面積約為70m2～245.1m2；車站有4條單線隧道，依次為上行到發(fā)線隧道、上行越行線隧道、下行越行線隧道和下行到發(fā)線隧道，各隧道線凈空面積均為41m2左右；大里程咽喉區(qū)長(zhǎng)度為137m，凈空面積約為245m2～70m2；大里程端隧道同為雙線隧道，長(zhǎng)度為210m。在小里程端隧道口和大里程端隧道口分別設(shè)置了空氣計(jì)算域。

圖1 設(shè)置隔墻的車站計(jì)算模型總體示意圖

如圖2所示，車站內(nèi)部共有四條線路，中間正線被巖墻分隔為兩個(gè)隧道，兩側(cè)為到發(fā)線隧道。隔墻兩側(cè)為兩個(gè)站臺(tái)區(qū)域，均設(shè)置全封閉屏蔽門(mén)，屏蔽門(mén)均為關(guān)閉狀態(tài)。

圖2 設(shè)置隔墻的車站計(jì)算模型內(nèi)部示意圖

列車計(jì)算模型以標(biāo)準(zhǔn)CRH6型動(dòng)車組列車外形為參考，忽略轉(zhuǎn)向架、受電弓、車體連接部位等細(xì)部結(jié)構(gòu)，建立有一定表面粗糙度的光滑車體模型。如圖3所示，列車模型長(zhǎng)度為210.4m，橫截?cái)嗝娣e為12.738 m2。數(shù)值計(jì)算過(guò)程中列車從列車小里程端隧道外啟動(dòng)，以160km/h的速度駛?cè)胨淼啦⒃叫型ㄟ^(guò)車站。

圖3 列車計(jì)算模型

圖4為本文計(jì)算模型所設(shè)置的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中小里程端隧道測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置于距隧道入口處10m、200m、850m、1550m及1740m處；咽喉區(qū)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置于咽喉區(qū)凈空面積為80m2、162m2及244m2處；屏蔽門(mén)處測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置于距車站中心里程-100m、-75m、-50m、-25m、0m、25m、50m、75m及100m處；大里程端隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置于距隧道出口200m、100m及10m處。

圖4 隧道及車站測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了排除網(wǎng)格劃分對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響，本節(jié)分別以三種不同的網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸對(duì)數(shù)值模型的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行了劃分，具體各個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸如表1所示。

Talbe 1 Mesh size parameters of different calculation areas

表1 不同計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格尺寸參數(shù)

圖5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比

以小里程端隧道內(nèi)距隧道入口10m處測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為例，對(duì)比以上三種工況下的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果如圖5所示。工況1、工況2和工況3下所得到的初始?jí)嚎s波幅值分別為392Pa，411Pa，415Pa，以工況2數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，工況1和工況3與工況2的誤差分別為-4.6%和0.97%?？梢钥闯?，不同尺寸的網(wǎng)格劃分方式對(duì)數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果影響較小。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 列車車身處壓力動(dòng)態(tài)變化分析

列車通過(guò)隧道時(shí)會(huì)產(chǎn)生連續(xù)變化的隧道壓力波，在隧道壓力波的作用下，列車受到的氣動(dòng)作用力也要發(fā)生改變。為了研究設(shè)置隔墻后對(duì)于列車受到的氣動(dòng)作用力的變化，分別在列車的車頭鼻尖、車尾鼻尖和車身中心位置處表面設(shè)置了壓力測(cè)點(diǎn)。圖6為列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)車頭及車尾處的壓力變化分析，圖中上部分為車頭鼻尖處測(cè)點(diǎn)的壓力動(dòng)態(tài)變化曲線，中間部分為隧道內(nèi)壓力波傳播軌跡及列車運(yùn)動(dòng)軌跡圖，底部為車尾鼻尖處測(cè)點(diǎn)壓力動(dòng)態(tài)變化曲線。在壓力波傳播軌跡及列車運(yùn)動(dòng)軌跡圖中，藍(lán)色和紅色實(shí)線分別表示列車車頭和車尾的運(yùn)動(dòng)軌跡；來(lái)回反射的實(shí)線和虛線分別表示隧道內(nèi)來(lái)回反射的壓縮波和膨脹波，其中黑色的線表示列車車頭產(chǎn)生的初始?jí)嚎s波反射引起的壓力波動(dòng)，紅色的線表示列車車尾產(chǎn)生的初始膨脹波反射引起的壓力波動(dòng)。從圖6可以看出，在點(diǎn)8之前，設(shè)置隔墻的計(jì)算工況中列車車頭及車尾壓力變化曲線和未設(shè)置隔墻的計(jì)算工況中基本一致，而在點(diǎn)8之后兩種工況的車身處壓力幅值產(chǎn)生了較大的變化，這是因?yàn)辄c(diǎn)8處恰好為列車車頭到達(dá)小里程端咽喉區(qū)起點(diǎn)處（即隔墻起點(diǎn)處），在設(shè)置隔墻后，咽喉區(qū)凈空面積會(huì)減小，因此點(diǎn)8車頭到達(dá)此處時(shí)正壓會(huì)明顯增大，而當(dāng)車尾到達(dá)小里程咽喉區(qū)起點(diǎn)處，由于凈空面積突然減小的原因，也出現(xiàn)了負(fù)壓增大的現(xiàn)象?？梢钥闯?，設(shè)置隔墻后列車運(yùn)行到設(shè)置隔墻區(qū)域是車頭處壓力的變化幅度明顯大于未設(shè)置隔墻時(shí)的車頭處壓力變化，其中設(shè)置隔墻工況的正壓幅值比未設(shè)置隔墻的工況增加437Pa；車尾處測(cè)點(diǎn)的壓力變化規(guī)律與車頭處類似，在設(shè)置隔墻區(qū)域，設(shè)置隔墻的工況中車尾處負(fù)壓幅值比未設(shè)置隔墻的工況增加577Pa。

圖6 車頭及車尾鼻尖處壓力動(dòng)態(tài)變化分析

圖7為車身中點(diǎn)處壓力動(dòng)態(tài)變化曲線圖，可以看出，在列車到達(dá)咽喉區(qū)之前，設(shè)置隔墻的工況和未設(shè)置隔墻的工況車身中點(diǎn)處壓力變化規(guī)律基本一致，壓力幅值也基本一致；當(dāng)列車在咽喉區(qū)及車站區(qū)域運(yùn)行時(shí)，設(shè)置隔墻的工況車身中點(diǎn)處的負(fù)壓幅值比未設(shè)置隔墻的工況增加了792Pa。

圖7 車身中點(diǎn)處的點(diǎn)壓力動(dòng)態(tài)變化曲線

2.2 隧道內(nèi)壓力波傳播規(guī)律分析

為了研究在咽喉區(qū)及車站內(nèi)設(shè)置隔墻后隧道內(nèi)的壓力變化規(guī)律，對(duì)距離小里程端隧道入口處10m、850m以及距離大里程端隧道出口處200m處的壓力變化進(jìn)行分析。列車在進(jìn)入隧道時(shí)所產(chǎn)生的初始?jí)嚎s波和膨脹波是隧道內(nèi)壓力波動(dòng)的主要原因之一，圖8所示為列車通過(guò)距隧道入口10m處的位置的過(guò)程中所產(chǎn)生的壓力變化，列車通過(guò)該位置處過(guò)程中壓力變化僅受到初始?jí)嚎s波和膨脹波的影響，不受反射波的影響。圖中可以看出，咽喉區(qū)及車站內(nèi)設(shè)置隔墻對(duì)初始?jí)嚎s波和膨脹波的變化沒(méi)有影響。

圖8 距隧道入口10 m處測(cè)點(diǎn)壓力動(dòng)態(tài)變化曲線對(duì)比

當(dāng)列車完全進(jìn)入隧道內(nèi)后，由于初始?jí)嚎s波和膨脹波在隧道內(nèi)來(lái)回反射，所以隧道內(nèi)各處均產(chǎn)生了壓力變化。圖9為距小里程端隧道入口850m處的壓力動(dòng)態(tài)變化曲線，由圖中可知，在設(shè)置隔墻后，該位置處的壓力變化規(guī)律與不設(shè)置隔墻的工況基本一致，正壓幅值和負(fù)壓幅值也和不設(shè)置隔墻的工況差別較小。

圖9 距隧道入口850m處測(cè)點(diǎn)壓力動(dòng)態(tài)變化曲線

圖10為距大里程端隧道出口200m處的壓力動(dòng)態(tài)變化曲線，在設(shè)置隔墻后，該位置處的壓力變化規(guī)律與不設(shè)置隔墻的工況也基本一致，正壓幅值和負(fù)壓幅值也和不設(shè)置隔墻的工況差別較小。綜上可知，在咽喉區(qū)內(nèi)及車站設(shè)置隔墻后對(duì)于隧道內(nèi)位置的壓力變化影響較小。

圖10 距隧道出口200 m處測(cè)點(diǎn)壓力動(dòng)態(tài)變化曲線

2.3 咽喉區(qū)及屏蔽門(mén)壓力幅值變化分析

為了研究設(shè)置隔墻后咽喉區(qū)內(nèi)的壓力變化規(guī)律，分析了咽喉區(qū)內(nèi)凈空面積為80m2處的壓力變化。圖11為兩種工況下該位置處壓力動(dòng)態(tài)變化對(duì)比圖，可以看到，在列車車頭到達(dá)咽喉區(qū)之前，是否設(shè)置有隔墻對(duì)于咽喉區(qū)內(nèi)的壓力變化影響不大；但是在列車經(jīng)過(guò)咽喉區(qū)的過(guò)程中，設(shè)置隔墻的工況咽喉區(qū)處的壓力幅值明顯要比未設(shè)置隔墻的工況大。在列車通過(guò)咽喉區(qū)的過(guò)程中，設(shè)置隔墻的工況咽喉區(qū)內(nèi)凈空面積為80m2的正壓幅值為315Pa，負(fù)壓幅值為-750Pa，對(duì)比未設(shè)置隔墻工況，正壓幅值增加了314Pa，負(fù)壓幅值增加了372Pa。

圖11 咽喉區(qū)測(cè)點(diǎn)壓力動(dòng)態(tài)變化曲線

圖12為設(shè)置隔墻的工況和未設(shè)置隔墻的工況咽喉區(qū)內(nèi)不同凈空面積處的壓力幅值對(duì)比。圖中可以看出，咽喉區(qū)及車站內(nèi)設(shè)置隔墻后，對(duì)于咽喉區(qū)內(nèi)不同位置處的正壓幅值影響較小，但是對(duì)于負(fù)壓幅值影響較大，最高可增加96.6%。

圖12 咽喉區(qū)各測(cè)點(diǎn)壓力幅值對(duì)比

為了研究咽喉區(qū)及車站內(nèi)設(shè)置隔墻后屏蔽門(mén)表面的壓力變化規(guī)律，分析了列車行駛隧道內(nèi)的屏蔽門(mén)表面的壓力幅值變化。圖13為不同工況下列車行駛隧道內(nèi)的屏蔽門(mén)表面不同位置處壓力幅值對(duì)比圖，可以看出，設(shè)置隔墻后對(duì)于屏蔽門(mén)上的壓力幅值有較大影響，距車站中心里程75m處的正壓幅值比未設(shè)置隔墻的工況增加了421Pa，增幅達(dá)到了132.4%；設(shè)置隔墻的工況車站中心里程處的負(fù)壓幅值比未設(shè)置隔墻的工況增加了736Pa，增幅達(dá)到了121.7%。由此可知，在咽喉區(qū)及車站內(nèi)設(shè)置隔墻后，由于列車經(jīng)過(guò)時(shí)的凈空面積減小，阻塞比增大，使得在列車經(jīng)過(guò)車站時(shí)的壓力幅值急劇升高，因此會(huì)對(duì)屏蔽門(mén)的承壓極限有更高的要求。

圖13 屏蔽門(mén)各測(cè)點(diǎn)壓力幅值對(duì)比

3 結(jié)論

基于CFD軟件對(duì)某城際鐵路地下車站是否設(shè)置隔墻進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)比了設(shè)置隔墻和不設(shè)置隔墻兩種工況的計(jì)算結(jié)果，得到的主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)咽喉區(qū)及車站設(shè)置隔墻后，列車通過(guò)地下車站過(guò)程中，列車車頭鼻尖處正壓幅值比未設(shè)置隔墻的工況增加了437Pa，車尾鼻尖處負(fù)壓幅值增加了577Pa，車身中點(diǎn)處負(fù)壓幅值增加了792Pa。

（2）咽喉區(qū)及車站設(shè)置隔墻后，列車通過(guò)地下車站過(guò)程中對(duì)于隧道內(nèi)壓力波動(dòng)影響較小。

（3）設(shè)置隔墻后，列車通過(guò)地下車站產(chǎn)生的氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)屏蔽門(mén)有很大影響，正壓幅值最大增加了132.4%，負(fù)壓幅值最大增加了121.7%。

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Influence of Partition Wall on Pressure Waves of Intercity Railway Underground Station

Fang Yi Wang Honglin Bi Haiquan

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031)

To study the influence of the partition wall on the pressure wave when the intercity train passes through the underground station, taking the building structure of an underground intercity railway station as a reference, the working condition with partition wall and the working condition with non-partition wall are compared and analyzed. Firstly, the computational model is established by using CFD software, and different grid sizes are set to verify that the grid size has nothing to do with the calculation; secondly, the pressure changes of the train body when the train passes through the station at a high speed after the partition wall is set; finally, the pressure amplitude changes of the measuring points in the tunnel, throat area and platform screen door under the calculation condition with and without partition wall are compared. The results show that: after the partition wall is set in the station, the train body's pressure amplitude will increase, and the maximum positive pressure amplitude can increase by 792 Pa. The results show that there is no influence on the dynamic change of pressure in the tunnel when the partition wall is set in the station; the amplitude of positive pressure in the throat area changes little, while the amplitude of negative pressure changes greatly, and the pressure amplitude with partition wall increases by 96.69% compared with that without partition wall; the pressure amplitude at the platform screen door fluctuates greatly, and the maximum positive pressure amplitude increases by 132.4% compared with that without partition wall, and the maximum negative pressure amplitude increases by 121.7%.

Aerodynamics; Underground station; Tunnel; Platform screen door; Partition wall

1671-6612（2021）03-395-06

U292.91+4/U453.4

A

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（51808460）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2682019CX32）

方 誼（1994-），男，在讀碩士研究生，E-mail：fy21@foxmail.com

畢海權(quán)（1974-），男，博士，教授，E-mail：bhquan@163.com

2021-01-04