高 偉 林劍洋 雷 波 王宏林

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司， 311122， 杭州;2.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院， 610031， 成都∥第一作者， 高級工程師)

列車在城際鐵路地下段運行，當列車運行速度超過100 km/h時，列車高速運行產(chǎn)生的氣動效應(yīng)會影響列車運行安全[1-2]?，F(xiàn)有城際鐵路設(shè)計中，很多車站存在快車高速越行過站的工況，其站臺屏蔽門所承壓力是越行車站設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。屏蔽門的壓力變化受兩個因素影響：① 列車高速進入隧道形成的壓力波傳播到越行車站；② 列車過站時帶動列車周圍空氣隨之運動，進而產(chǎn)生強烈的瞬態(tài)壓力脈動作用于屏蔽門上[3]。

隧道凈空面積、區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)備和站臺屏蔽門承壓等參數(shù)，以及壓力波減緩措施的設(shè)置均取決于城際鐵路隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)。目前，針對城際鐵路空氣動力學(xué)效應(yīng)的研究多集中在隧道凈空面積。文獻[4]提出了不同列車密封指數(shù)下隧道凈空面積的建議值。此外，學(xué)者們還研究了不同因素對地鐵隧道壓力波的影響。文獻[5]研究結(jié)果表明，不同列車密封指數(shù)下，列車由明線駛?cè)胨淼罆r車內(nèi)壓力變化均大于列車站間運行時車內(nèi)壓力變化。不同列車運行速度的研究結(jié)果表明，地鐵列車通過隧道時，車體表面壓力峰峰值、3 s 內(nèi)車內(nèi)壓力波動最大值、隧道內(nèi)附屬物壓力峰峰值與列車速度的平方近似成線性關(guān)系[6]。隧道內(nèi)斷面變化,以及豎井及橫通道的設(shè)置對隧道內(nèi)壓力波影響較大，合理設(shè)置相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)可較好地緩解隧道壓力波[7-8]。

本文采用三維CFD(計算流體動力學(xué))數(shù)值計算方法，以福州至長樂機場城際鐵路中蓋山路站(越行車站)為例，研究了列車從U型槽敞口段的洞口以100 km/h速度進入隧道，并以100 km/h的速度越行過站時屏蔽門的瞬態(tài)壓力變化，可為城際鐵路地下越行站屏蔽門的承壓設(shè)計提供依據(jù)。

1 數(shù)值仿真計算方法

1.1 建立數(shù)值計算模型

圖1為列車數(shù)值計算模型。模型采用6節(jié)編組A型列車，包含頭車、尾車和4節(jié)中間車，列車總長度為140.00 m。參照文獻[7-8]，本文對列車模型的外形進行了簡化，忽略轉(zhuǎn)向架、受電弓和設(shè)備艙的影響。區(qū)間隧道的直徑D為7.50 m，對應(yīng)的凈空面積為40.60 m2，阻塞比為0.23。

圖1 列車數(shù)值計算模型Fig.1 Train numerical calculation model

列車由地上高架線經(jīng)過U型槽敞口段，高速進入地下區(qū)間隧道，越行通過地下蓋山路站后，繼續(xù)在隧道內(nèi)運行。本文基于隧道和車站的實際結(jié)構(gòu)及尺寸建立了幾何模型，如圖2所示。

圖2 車站及隧道的數(shù)值計算模型Fig.2 Train and tunnel numerical calculation model

圖2中，敞口段前U型槽的長度為 313.00 m，越行站至敞口段洞口間區(qū)間隧道的長度為1 109.00 m，車站的長度為 245.50 m。由于列車從U型槽洞口高速進入隧道，考慮到計算流場的充分發(fā)展及氣流的繞流影響，故U型槽外部計算域尺寸選為313.00 m×48.00 m×21.00 m 。

整個計算模型的長度為2 167.50 m，如圖3所示。列車運行速度為100 km/h，蓋山路站屏蔽門距線路中心線的距離為1.68 m。

圖3 數(shù)值模型計算域Fig.3 Computational domain of numerical model

1.2 數(shù)值仿真計算

本文采用STAR-CCM+軟件的重疊動網(wǎng)格技術(shù)來模擬列車的運行。將列車周圍區(qū)域設(shè)為重疊區(qū)域，其他區(qū)域為背景區(qū)域。背景區(qū)域和重疊區(qū)域?qū)⒏髯元毩⒌厣删W(wǎng)格。模型通過重疊網(wǎng)格的移動來模擬列車的運行。數(shù)值仿真計算模型體的網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格。為了降低網(wǎng)格尺寸對計算結(jié)果的影響，本研究對比了列車周圍不同網(wǎng)格尺下屏蔽門的壓力?；谟嬎憬Y(jié)果，確定列車周圍、車站及列車運行線路上的網(wǎng)格尺寸為0.2 m, 其余區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.4 m。整個計算模型的網(wǎng)格總數(shù)為1 200萬個。

U 型槽外部計算域四周為壓力出口邊界，隧道出口為壓力遠場邊界，列車表面、隧道壁面以及地面均為無滑移邊界。列車運行在隧道內(nèi)產(chǎn)生的空氣流動屬于典型的三維、粘性、可壓縮、非定常、湍流流動。本文采用RANS(雷諾平均)方法，選用k-ε湍流模型求解列車在復(fù)雜地鐵線路中運行引起的空氣流動。

1.3 數(shù)值仿真計算方法的準確性驗證

本文采用隧道壓力波模型試驗來驗證數(shù)值仿真計算方法的準確性。在模型試驗中，隧道總長度為30.4 m，沿隧道長度方向均勻布置了6個測試斷面。數(shù)值仿真計算模型的參數(shù)與模型試驗參數(shù)一致：列車長度為1.4 m，截面積為0.019 m2，阻塞比為0.271，測點1距隧道入口5.7 m。當列車運行速度為80 km/h時，測點1處壓力變化曲線如圖4所示。由圖4可見：數(shù)值仿真計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果吻合良好，測點處壓力波的變化規(guī)律基本一致；對于初始壓縮波的正壓幅值，數(shù)值仿真計算結(jié)果為460 Pa，模型試驗結(jié)果為433 Pa，二者最大誤差僅為6.2%。由此可見，數(shù)值仿真計算方法能準確地模擬隧道壓力波。

圖4 測點1處的壓力變化曲線Fig.4 Pressure change curve at measuring point 1

2 列車越行過站時屏蔽門的壓力變化規(guī)律

數(shù)值仿真模擬列車以100 km/h速度從敞口段進入隧道，以100 km/h勻速運行并越行過站的過程，計算列車越行過站時屏蔽門的壓力變化，如圖5所示。經(jīng)分析，列車越行過站時，屏蔽門處的壓力變化主要由“列車繞流”引起：車頭鼻尖前空氣受到壓縮形成正壓；隨著空氣繞流車頭，氣體流速逐漸升高，壓力逐漸降低；直到繞流氣體接近車頭橫截面最大位置時，流速達到最大值，壓力降至最低?？梢姡斄熊囓囶^通過屏蔽門時，繞流空氣在屏蔽門表面形成了一個正負壓力波動。相應(yīng)地，車后隧道空間內(nèi)的空氣流向列車尾部，當車尾通過屏蔽門時，空氣流在屏蔽門表面形成負壓。

圖5 不同屏蔽門的壓力變化曲線Fig.5 Pressure change curve of different screen doors

從圖5可以看出：屏蔽門最大正壓出現(xiàn)在列車車頭經(jīng)過屏蔽門時，最大負壓出現(xiàn)在列車車尾經(jīng)過屏蔽門時；每個屏蔽門上的壓力曲線的變化規(guī)律基本上是一致的。從不同編號的屏蔽門的壓力變化曲線可以看出，車站進站端屏蔽門所受的壓力略大于出站端站臺門所受的壓力。由圖5車頭經(jīng)過1#屏蔽門時的壓力變化可見，由于列車車頭鼻尖的長度非常短，故車頭鼻尖經(jīng)過屏蔽門時，壓力產(chǎn)生了較大的突變。以1#屏蔽門為例，瞬態(tài)壓力變化速度為4 935 Pa/s。

圖6為列車過站時某一時刻的屏蔽門壓力云圖。由圖6可見：車頭前屏蔽門(18#～24#屏蔽門)的壓力為正壓，車頭前方的19#～24#屏蔽門上的壓力基本為均勻分布；車頭已經(jīng)過的屏蔽門(1#～17#屏蔽門)壓力為負壓，1#～16#屏蔽門的壓力基本均勻分布；列車車頭附近的18#和17#屏蔽門上的壓力呈非均勻分布。其中，18#屏蔽門位于列車鼻尖的前端，該屏蔽門壓力為正壓，屏蔽門下方且靠近列車一側(cè)所受壓力較大。由于列車最大橫截面已經(jīng)經(jīng)過17#屏蔽門，因此該屏蔽門呈負壓，且屏蔽門下方靠近列車橫截面突變處一側(cè)所受壓力較大。

a) 車站各屏蔽門壓力

b) 17#和18#屏蔽門壓力分布放大圖圖6 列車過站時屏蔽門壓力云圖Fig.6 Pressure contour of the screen door as trainpassing overtaking station

列車過站時軌行區(qū)截面壓力云圖如圖7 a) 所示。車頭前方區(qū)域的壓力為正壓，車身和車尾后區(qū)域為負壓。出站端活塞風(fēng)井內(nèi)為正壓，進站端活塞風(fēng)井內(nèi)為負壓。

車頭鼻尖前方處橫斷面(A-A斷面)的壓力云圖如圖7 b) 所示。在車頭鼻尖橫斷面上，列車所在區(qū)域的壓力最大；沿列車至屏蔽門方向，距列車的距離越大，壓力值越?。黄渌h離列車方向的壓力變化規(guī)律是一致的。

圖8為越行站不同屏蔽門的壓力極值變化。由圖8可見，列車經(jīng)過屏蔽門產(chǎn)生的最大正壓基本均沿進站端至出站端方向逐漸降低，最大負壓的變化規(guī)律不明顯。進站端1#屏蔽門表面的負壓最大，約為-365 Pa，2#屏蔽門表面的正壓最大，約為346 Pa。

a) 沿列車縱斷面

b) A-A 斷面圖7 列車過站時軌行區(qū)截面壓力云圖Fig.7 Pressure contour of track area cross-section astrain passing overtaking station

圖8 越行站屏蔽門的壓力極值Fig.8 Pressure extreme values at the screen doors ofovertaking station

3 結(jié)論

1) 列車越行過站時屏蔽門處的壓力變化主要由“列車繞流”引起。

2) 屏蔽門最大正壓出現(xiàn)在列車車頭經(jīng)過屏蔽門時，而最大負壓出現(xiàn)在列車車尾經(jīng)過屏蔽門時。

3) 列車經(jīng)過屏蔽門產(chǎn)生的最大正壓基本上均沿進站端至出站端方向逐漸降低，最大負壓的變化規(guī)律不明顯。

4) 進站端1#屏蔽門表面的負壓最大，約為-365 Pa，2號屏蔽門表面的正壓最大,約為346 Pa。