列車停靠隧道內(nèi)救援站過程中活塞風(fēng)變化的數(shù)值模擬分析

曾艷華， 白　赟， 周小涵,3，阮亮紅

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都　610031；2.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都　610031；3.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢　430050)

鐵路隧道的長度超過20 km時，隧道內(nèi)需設(shè)置救援站[1]，以便當(dāng)列車在長大鐵路隧道中發(fā)生火災(zāi)時，快速開往救援站停靠，進行防災(zāi)救援及人員疏散。在這一列車從勻速行駛、減速直到停車的過程中，隧道內(nèi)活塞風(fēng)表現(xiàn)出多樣的變化形式，會對火災(zāi)時救援站的通風(fēng)排煙產(chǎn)生影響。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對鐵路隧道和地鐵列車運行中產(chǎn)生的活塞風(fēng)和空氣動力學(xué)問題已有研究。王英學(xué)等[2]通過數(shù)值模擬和初期實驗結(jié)果的對比，提出了高速列車通過隧道時的空氣動力學(xué)分析系統(tǒng)；陳榮等[3]通過二維數(shù)值模擬，研究了不同車速對隧道內(nèi)活塞風(fēng)及車頭車尾壓強變化的影響；包海濤等[4]通過對地鐵區(qū)間及地鐵站臺的數(shù)值模擬，得出了活塞風(fēng)和壓力的分布規(guī)律；駱建軍等[5]研究了高速列車穿越隧道時隧道內(nèi)的活塞風(fēng)及壓力波的變化情況；陳柳君[6]通過一維數(shù)值模擬，對高速列車單車通過隧道和兩車交會時隧道內(nèi)壓力波的變化進行了研究，提出了消減壓力波的可行措施；王兆祺等[7]通過對磁懸浮列車駛?cè)搿⑼ㄟ^、駛出隧道時空氣阻力的理論推導(dǎo)與數(shù)值模擬，得出了空氣阻力與各影響因素的關(guān)系；Kim等[8]通過實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了地鐵列車在地鐵區(qū)間內(nèi)變速行駛引起的活塞風(fēng)與壓強的變化；Ke Ming-Tsun等[9]采用PHOENICS軟件模擬分析了地鐵列車在區(qū)間隧道內(nèi)行駛時隧道內(nèi)壓力變化對地鐵屏蔽門的影響； Fujii K等[10]通過數(shù)值模擬研究了在隧道內(nèi)高速列車交會時列車受到的空氣動力荷載隨兩車位置變化的情況。通過對這些文獻及其他文獻[11-14]的分析可知，國內(nèi)外學(xué)者研究的大都是列車通過隧道以及在隧道內(nèi)列車交會產(chǎn)生的活塞風(fēng)和壓力波問題，少數(shù)學(xué)者對地鐵列車勻速行駛時活塞風(fēng)作用下車站內(nèi)煙氣流動進行了研究，而列車發(fā)生火災(zāi)后駛向救援站(勻速—減速—停止)這一復(fù)雜行駛過程中所產(chǎn)生的活塞風(fēng)及可能對救援站通風(fēng)排煙產(chǎn)生影響的研究未見文獻報道。

本文采用計算流體動力學(xué)數(shù)值模擬軟件FLUENT，對列車在隧道內(nèi)行駛、制動及?？烤仍镜娜^程進行數(shù)值模擬，分析列車不同行駛狀態(tài)下隧道內(nèi)及救援站內(nèi)活塞風(fēng)的變化規(guī)律，為特長鐵路隧道的防災(zāi)救援設(shè)計提供參考。

1　計算理論

當(dāng)列車在隧道內(nèi)行駛時，由于隧道壁的限制及列車行駛產(chǎn)生的空氣壓差，使得在列車與隧道之間的細(xì)長空間內(nèi)形成了活塞風(fēng)。在空氣的黏性作用下，列車近壁面的氣流與列車同速，其他區(qū)域的空氣以不同的流態(tài)運動，導(dǎo)致隧道內(nèi)的氣流在列車影響下出現(xiàn)湍流、過渡層、層流3種流動狀態(tài)；列車在隧道內(nèi)由勻速運行變?yōu)闇p速運行并直至停車的過程中，隧道內(nèi)氣流的流動狀態(tài)更為復(fù)雜，若要真實模擬這一過程中隧道內(nèi)的氣流流動狀態(tài)是相當(dāng)困難的。

為了便于計算首先做如下假設(shè)[4]：①在小于0.3馬赫數(shù)下，認(rèn)為隧道內(nèi)低速氣流為不可壓縮流；②流體的流動狀態(tài)為湍流；③計算時無自然風(fēng)，所有風(fēng)機均關(guān)閉。

基于該假設(shè)對含救援站在內(nèi)的隧道內(nèi)氣流的二維非定常湍流流動進行模擬，該流體的流動滿足以下3個守恒方程[15]。

1)質(zhì)量守恒方程

(1)

式中：ρ為流體密度；t為時間；ui為流體在i方向的速度；xi為流體在i方向的坐標(biāo)。

2)動量守恒方程

(2)

式中：p為微元體上的壓力；uj為流體在j方向的速度；xj為流體在j方向的坐標(biāo)；σij為微元體受到的黏性應(yīng)力；fi為流體在i方向的體積力；Fi為污染源、熱源等引起的源項。

3)能量守恒方程

(3)

其中，

E=CVT

式中：E為單位體積總能；K為熱傳導(dǎo)系數(shù)；T為絕對溫度；μ為動力黏性系數(shù)；δij為克羅內(nèi)克符號，當(dāng)i=j時，δij=1，當(dāng)i≠j時，δij=0；uk為流體在k方向的速度；xk為流體在k方向的坐標(biāo)；CV為定容比熱。

2　模型的建立

以西南地區(qū)某特長鐵路隧道為例建立計算模型，該隧道全長約34 500 m，在隧道中部設(shè)置1座救援站。經(jīng)過試算，發(fā)現(xiàn)列車駛?cè)胨淼酪欢尉嚯x后，隧道內(nèi)的流場會趨于穩(wěn)定，直到列車開始減速時流場才會發(fā)生變化，因此建模時將列車正常行駛這段過程縮短，假設(shè)列車駛?cè)胨淼? 400 m后開始減速，減速運行800 m后停靠在中部救援站。模型全長取5 200 m，其中空氣域長1 200 m，寬25.5 m；隧道長4 000 m，寬5.1 m。救援站長550 m；疏散橫通道長21 m，寬4.5 m；列車長400 m，寬3.3 m。建立的計算模型如圖1所示。

列車運行速度時程曲線如圖2所示。取列車運行速度為120 km·h-1，列車初始位置為距離隧道入口400 m處，當(dāng)列車駛?cè)胨淼? 400 m(即列車以33.33 m·s-1的速度行駛54 s)后，列車開始減速，減速運行800 m(經(jīng)過48 s)后，列車?？吭诰仍局胁?。

圖1　計算模型(單位：m)

圖2　列車運行速度曲線

3　列車側(cè)面環(huán)腔區(qū)域活塞風(fēng)分析

當(dāng)列車在隧道內(nèi)行駛時，由于列車頭尾處區(qū)域斷面的突擴突縮，使得列車側(cè)面環(huán)腔區(qū)域活塞風(fēng)的流動異于隧道內(nèi)無車區(qū)域活塞風(fēng)的流動，因此，本文不考慮列車頭尾處區(qū)域的斷面，僅以列車中部對應(yīng)的列車側(cè)面環(huán)腔區(qū)域橫斷面作為研究斷面，針對列車在洞內(nèi)勻速行駛和制動減速行駛直至停車這2個階段，基于流體流動所滿足3大守恒方程的耦合計算，對研究斷面的活塞風(fēng)進行研究。

3.1　列車勻速行駛過程

在列車勻速行駛過程中，當(dāng)列車中部駛?cè)胨淼?00和1 000 m時，活塞風(fēng)的流場如圖3所示。

圖3　列車勻速行駛過程中研究斷面活塞風(fēng)的流場分布

由圖3可知：活塞風(fēng)的流場隨著列車的勻速行駛發(fā)生變化；當(dāng)列車中部駛?cè)胨淼?00 m時，活塞風(fēng)的方向與列車行駛方向相反，大小為11.5 m·s-1；當(dāng)列車中部駛?cè)胨淼? 000 m時，活塞風(fēng)的方向已與列車行駛方向相同，大小為2.5 m·s-1。

活塞風(fēng)的平均風(fēng)速隨行駛時間的變化如圖4所示，其中當(dāng)風(fēng)速方向與列車行駛方向一致時平均風(fēng)速取正，反之取負(fù)。

圖4列車勻速行駛過程中研究斷面活塞風(fēng)的平均風(fēng)速變化曲線

由圖4可知：在t=0～12 s期間，列車在隧道外行駛；t=12～18 s期間，列車勻速駛?cè)胨淼纼?nèi)，活塞風(fēng)的方向與車行方向相反，平均風(fēng)速逐漸增大；在t=18 s時，列車中部剛進入隧道，平均風(fēng)速增大為-29.0 m·s-1；在t=18～39 s期間，列車?yán)^續(xù)在隧道內(nèi)勻速行駛，活塞風(fēng)的方向仍然與車行方向相反，但平均風(fēng)速逐漸減小，且變化率也逐漸減??；在t=39 s時，列車中部已在隧道內(nèi)行駛約21 s(駛?cè)刖嚯x約為700 m)，活塞風(fēng)的平均風(fēng)速減為0；之后，在t=39～54 s期間，活塞風(fēng)方向變?yōu)榕c車行方向相同，平均風(fēng)速緩慢增大，在t=54 s時，即列車減速前，平均風(fēng)速增大為3.4 m·s-1，若列車一直保持勻速行駛，則活塞風(fēng)的平均風(fēng)速將基本穩(wěn)定為該值。

由此可知，在前一階段，活塞風(fēng)的方向與列車行駛方向相反，而在后一階段，雖然活塞風(fēng)的方向與列車行駛方向相同，但列車的行駛速度遠(yuǎn)大于活塞風(fēng)的平均速度，因此，在該階段火災(zāi)的煙氣不會從列車尾部流向列車頭部。

3.2　列車制動減速行駛直至停車的過程

列車從第54 s開始制動，減速行駛24和48 s(停止)(即t=78和t=102 s)時，活塞風(fēng)的流場如圖5所示。

圖5列車制動減速行駛直至停車過程中研究斷面活塞風(fēng)的流場分布

同樣做出列車制動減速行駛直至停車過程中活塞風(fēng)的平均風(fēng)速隨列車行駛時間的變化曲線，如圖6所示，以考察其在列車減速過程中的變化情況。

圖6列車制動減速行駛直至停車過程中研究斷面活塞風(fēng)的平均風(fēng)速變化曲線

從圖5和圖6可知：在列車制動減速過程中，活塞風(fēng)的方向與列車行駛方向相同，風(fēng)速隨列車的減速而變化；在列車減速運行的前20 s，活塞風(fēng)的平均風(fēng)速隨著列車的減速而逐漸增大，而變化率逐漸減小，當(dāng)減速至第20 s時，平均風(fēng)速增至最大，為11.8 m·s-1；列車減速至第24 s時，列車中部已進入救援站加寬斷面，由于阻塞比減小，平均風(fēng)速減為7.7 m·s-1；之后，平均風(fēng)速有所增大，當(dāng)列車減速至第36 s時，平均風(fēng)速增為8.8 m·s-1；隨著車速逐漸趨于0，平均風(fēng)速開始緩慢減小，當(dāng)列車剛好停止在救援站中部時，平均風(fēng)速減為8.5 m·s-1。

由以上模擬結(jié)果可以得出，在列車減速前期，由于活塞風(fēng)受到上游流體的推動力大于其受到的摩阻力，其平均風(fēng)速逐漸增大，變化率逐漸減??；減速后期，列車速度逐漸趨于0，活塞風(fēng)的平均風(fēng)速開始緩慢減小。在列車減速行駛階段，盡管活塞風(fēng)的方向與列車行駛方向相同，但由于列車的行駛速度遠(yuǎn)大于活塞風(fēng)的平均速度，故火災(zāi)的煙氣不會從列車尾部流向列車頭部。

4　救援站內(nèi)的活塞風(fēng)分析

以隧道中部救援站進、出口為測試斷面，這2個測試斷面在列車從勻速行駛至停車后5 min這一時段(即t=0～402 s)內(nèi)活塞風(fēng)的平均風(fēng)速隨時間變化的曲線如圖7所示。

圖7　測試斷面活塞風(fēng)的平均風(fēng)速隨時間變化曲線

由圖7可知：救援站入口處活塞風(fēng)的平均風(fēng)速變化較大，救援站出口處由于沒有列車的經(jīng)過，活塞風(fēng)的平均風(fēng)速變化相對平穩(wěn)；在列車駛?cè)胨淼乐?t=0～12 s)，救援站入口及出口處活塞風(fēng)的平均風(fēng)速均為0，即救援站無活塞風(fēng)；列車勻速行駛進入隧道后，救援站兩端活塞風(fēng)的方向與車行方向相同，且大小均逐漸增大；當(dāng)t=54 s時，列車開始減速行駛，救援站入口處活塞風(fēng)的平均風(fēng)速達到最大值，為15.7 m·s-1，救援站出口處活塞風(fēng)的平均風(fēng)速僅為0.7 m·s-1；隨著列車減速行駛，救援站入口處活塞風(fēng)的平均風(fēng)速開始減小，當(dāng)t=66 s時，車頭減速進入救援站，救援站入口處活塞風(fēng)斷面變?yōu)榄h(huán)狀斷面，其活塞風(fēng)的平均風(fēng)速銳減為4.3 m·s-1；隨著列車?yán)^續(xù)減速行駛，救援站入口處活塞風(fēng)斷面一直為環(huán)腔空間，但活塞風(fēng)的平均風(fēng)速逐漸增大，最大值為8.7 m·s-1；當(dāng)t=90 s時，車尾進入救援站，救援站入口處活塞風(fēng)斷面恢復(fù)為全斷面，其活塞風(fēng)的平均風(fēng)速開始減??；而在列車制動減速行駛過程中，由于救援站出口斷面處流體受到的上游流體的推動力大于其受到的摩阻力，其活塞風(fēng)的平均風(fēng)速仍在逐漸增大；當(dāng)t=102 s時，列車剛好停止，救援站入口及出口處活塞風(fēng)的平均風(fēng)速分別為7.7和1.5 m·s-1；在列車停止后的前2 min，救援站入口處活塞風(fēng)的平均風(fēng)速緩慢減小，而出口處活塞風(fēng)的平均風(fēng)速相對穩(wěn)定，維持在1.5 m·s-1左右；當(dāng)t=402 s，即列車停止5 min后，救援站入口及出口處活塞風(fēng)的平均風(fēng)速分別減為2.0和1.2 m·s-1；之后其活塞風(fēng)的平均風(fēng)速緩慢衰減。

由以上分析可知，在整個計算時段內(nèi)，救援站入口處活塞風(fēng)風(fēng)速明顯大于出口活塞風(fēng)風(fēng)速，若列車發(fā)生火災(zāi)，會有很大一部分煙氣流向橫通道；列車剛好停止于救援站中部時，救援站入口處活塞風(fēng)的平均風(fēng)速最大達到7.7 m·s-1，此時若列車中后部發(fā)生火災(zāi)，對人員疏散極為不利，當(dāng)列車停車5 min后，該處活塞風(fēng)的平均風(fēng)速降為2.0 m·s-1；而救援站出口處在列車停止2 min后活塞風(fēng)的平均風(fēng)速達1.5 m·s-1，停止5 min后方能降到1.2 m·s-1。因此，在進行救援站排煙設(shè)計時應(yīng)予以高度重視。

5　結(jié)　論

(1)在列車勻速進入隧道的前期，列車側(cè)面環(huán)腔區(qū)域活塞風(fēng)的方向與列車運行方向相反，之后活塞風(fēng)的方向與列車運行方向相同，若列車一直保持勻速行駛，則活塞風(fēng)的平均風(fēng)速將基本穩(wěn)定在3.4 m·s-1；從列車開始制動減速至減速第20 s的時間內(nèi)，活塞風(fēng)的方向與列車行駛方向仍然相同，平均風(fēng)速隨列車的減速而逐漸增大為11.8 m·s-1；列車減速第24 s時，由于列車中部進入救援站加寬斷面，平均風(fēng)速減為7.7 m·s-1；之后平均風(fēng)速略有起伏；當(dāng)列車剛好停于救援站中部時，平均風(fēng)速為8.5 m·s-1。值得注意的是，在列車減速行駛階段，盡管環(huán)腔區(qū)域活塞風(fēng)的方向與列車行駛方向相同，但由于列車的行駛速度遠(yuǎn)大于活塞風(fēng)的平均速度，火災(zāi)的煙氣不會從列車尾部流向列車頭部。

(2)在列車進入隧道時起至在救援站停車時止的期間內(nèi)，救援站入口處活塞風(fēng)的平均風(fēng)速明顯大于出口處，會導(dǎo)致有很大一部分的火災(zāi)煙氣流向橫通道，這對人員的安全疏散和撤離極為不利。因此，建議進行救援站通風(fēng)排煙設(shè)計時，充分考慮其影響，應(yīng)使送新風(fēng)系統(tǒng)在列車制動前啟動，防止火災(zāi)煙氣流入疏散橫通道。

(3)當(dāng)列車?？吭诰仍局胁繒r，救援站入口、出口及中部環(huán)腔區(qū)域的活塞風(fēng)是從列車尾部流向列車頭部方向。其中，救援站入口處、中部環(huán)狀空間、救援站出口處活塞風(fēng)的平均風(fēng)速分別達到7.7，8.5，1.5 m·s-1，列車停止5 min后，這3處活塞風(fēng)的平均風(fēng)速才能衰減至2 m·s-1以下。因此，在列車?？烤仍境跗?，若不能有效控制救援站內(nèi)的活塞風(fēng)，火災(zāi)煙氣將受活塞風(fēng)的影響從列車尾部快速(1 min左右)流向列車頭部方向，對人員的安全疏散造成重大影響。因此，建議進行救援站通風(fēng)排煙設(shè)計時，重視?？砍跗诨钊L(fēng)對火災(zāi)煙氣流動的影響，提出應(yīng)對排煙方案，保證列車?？砍跗谌藛T的安全疏散。

(4)值得注意的是，活塞風(fēng)的大小受隧道長度的影響，一般設(shè)置救援站的鐵路隧道長度都在20 km以上，而本文僅對4 km的隧道進行了模擬計算，雖然本文得出的活塞風(fēng)的平均風(fēng)速與實際特長鐵路隧道并不一致，但其變化態(tài)勢可為特長鐵路隧道防災(zāi)救援的設(shè)計提供參考。

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