列車在城際鐵路地下段越行過站時的屏蔽門氣動壓力變化規律

高 偉 林劍洋 雷 波 王宏林

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司， 311122， 杭州;2.西南交通大學機械工程學院， 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，列車高速運行產生的氣動效應會影響列車運行安全[1-2]。現有城際鐵路設計中，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計的關鍵參數。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，進而產生強烈的瞬態壓力脈動作用于屏蔽門上[3]。

隧道凈空面積、區間隧道內設備和站臺屏蔽門承壓等參數，以及壓力波減緩措施的設置均取決于城際鐵路隧道空氣動力學效應。目前，針對城際鐵路空氣動力學效應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下隧道凈空面積的建議值。此外，學者們還研究了不同因素對地鐵隧道壓力波的影響。文獻[5]研究結果表明，不同列車密封指數下，列車由明線駛入隧道時車內壓力變化均大于列車站間運行時車內壓力變化。不同列車運行速度的研究結果表明，地鐵列車通過隧道時，車體表面壓力峰峰值、3 s 內車內壓力波動最大值、隧道內附屬物壓力峰峰值與列車速度的平方近似成線性關系[6]。隧道內斷面變化,以及豎井及橫通道的設置對隧道內壓力波影響較大，合理設置相關結構參數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)數值計算方法，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壓力變化，可為城際鐵路地下越行站屏蔽門的承壓設計提供依據。

1 數值仿真計算方法

1.1 建立數值計算模型

圖1為列車數值計算模型。模型采用6節編組A型列車，包含頭車、尾車和4節中間車，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，忽略轉向架、受電弓和設備艙的影響。區間隧道的直徑D為7.50 m，對應的凈空面積為40.60 m2，阻塞比為0.23。

圖1 列車數值計算模型Fig.1 Train numerical calculation model

列車由地上高架線經過U型槽敞口段，高速進入地下區間隧道，越行通過地下蓋山路站后，繼續在隧道內運行。本文基于隧道和車站的實際結構及尺寸建立了幾何模型，如圖2所示。

圖2 車站及隧道的數值計算模型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 數值模型計算域Fig.3 Computational domain of numerical model

1.2 數值仿真計算

本文采用STAR-CCM+軟件的重疊動網格技術來模擬列車的運行。將列車周圍區域設為重疊區域，其他區域為背景區域。背景區域和重疊區域將各自獨立地生成網格。模型通過重疊網格的移動來模擬列車的運行。數值仿真計算模型體的網格劃分采用六面體網格。為了降低網格尺寸對計算結果的影響，本研究對比了列車周圍不同網格尺下屏蔽門的壓力。基于計算結果，確定列車周圍、車站及列車運行線路上的網格尺寸為0.2 m, 其余區域網格尺寸為0.4 m。整個計算模型的網格總數為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。列車運行在隧道內產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雜地鐵線路中運行引起的空氣流動。

1.3 數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。數值仿真計算模型的參數與模型試驗參數一致：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：數值仿真計算結果與模型試驗結果吻合良好，測點處壓力波的變化規律基本一致；對于初始壓縮波的正壓幅值，數值仿真計算結果為460 Pa，模型試驗結果為433 Pa，二者最大誤差僅為6.2%。由此可見，數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律

數值仿真模擬列車以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。可見，當列車車頭通過屏蔽門時，繞流空氣在屏蔽門表面形成了一個正負壓力波動。相應地，車后隧道空間內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在列車車頭經過屏蔽門時，最大負壓出現在列車車尾經過屏蔽門時；每個屏蔽門上的壓力曲線的變化規律基本上是一致的。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，故車頭鼻尖經過屏蔽門時，壓力產生了較大的突變。以1#屏蔽門為例，瞬態壓力變化速度為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所受壓力較大。由于列車最大橫截面已經經過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

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

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，壓力值越小；其他遠離列車方向的壓力變化規律是一致的。

圖8為越行站不同屏蔽門的壓力極值變化。由圖8可見，列車經過屏蔽門產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在列車車頭經過屏蔽門時，而最大負壓出現在列車車尾經過屏蔽門時。

3) 列車經過屏蔽門產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。