高速列車過站對站臺屏蔽門表面氣壓荷載的影響研究

譚海鷗，馮海全，王志飛，馮瑞龍，王越彤

（1.內蒙古工業大學機械工程學院，內蒙古呼和浩特 010051；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081）

1 引言

高速列車在地面行駛時，車頭擠壓前方空氣易造成活塞效應，使空氣向各個方向逃逸，形成列車風[1]。為保證乘客及列車運營安全，有必要在站臺設置站臺屏蔽門等保護措施[2]。設置屏蔽門的主要目的是防止人員跌落軌道發生意外，降低車站空調通風系統的運行能耗，同時降低列車風對候車乘客的影響。以壓力和流速變化形式表現出來的列車風作用在路邊人員和周圍物體上，可能危及站臺上的乘客及作業人員的生命安全，甚至造成站臺屏蔽門爆裂或導致站臺上貨物被卷起，危及列車運行安全。因此，研究地面高鐵列車過站對站臺屏蔽門風荷載的影響是非常有必要的。

近年來，國內外學者對站臺屏蔽門的風壓特性進行了大量研究[3-16]，普遍采用數值模擬和實驗研究的方法，針對地鐵屏蔽門的研究較多，針對高速列車過站對站臺屏蔽門的風壓荷載及分布規律的研究較少。本文通過在站臺屏蔽門表面布置監測點測量分析列車過站時屏蔽門表面的平均壓力，利用計算流體力學方法和正交理論相結合的方法，以站臺屏蔽門表面氣壓荷載為評價指標，研究列車運行速度、站臺屏蔽門距離、雨棚高度對站臺屏蔽門氣壓荷載的影響，采用極差分析和方差分析，確定各因素影響的主次順序以及不同因素對站臺屏蔽門氣壓荷載影響的顯著性，獲得最佳的參數方案，為車站站臺屏蔽門的設置提供參考。

2 試驗方法

2.1 數值方法

一般情況下，列車通過站臺時，站臺的氣流參數隨著時間的推移而發生變化，在列車周圍的空氣處于完全的湍流狀態，是一種非定常、不規則的運動，列車過站的氣流運動以渦的形式表現，采用標準的三維k-ε湍流模型[17]：

式（1）中，μi為渦粘性系數；ρ為密度；k為湍流動能；ε為湍流耗散率；Cμ為湍流常數，一般情況下取Cμ=?0.09。

湍流動能k方程為：

湍流耗散率ε方程為：

式（2）、式（3）中，xi、xj為不同坐標位置；ui、uj為瞬時速度分量；為k方程的湍流普朗特數，為ε方程的湍流普朗特數；μ為渦粘性系數，μi、μj為渦粘性系數分量；vl、vt為湍流運動粘度分量；C1、C2為不同的經驗常數，C1=?1.47，C2=?1.92；σk、σε分別為k、ε兩方程的經驗常數，σk=?1.0，σε=?1.33。

2.2 有限元模型

建立列車簡化模型，計算明線列車過站風壓荷載。列車總長度為80?m，橫截面高3.4?m，寬3.3?m，不考慮受電弓、轉向架等車外附屬設備影響，對列車表面進行光滑處理。列車為3輛編組，包括頭車、中間車和尾車。為保證車頭和車尾的一致性，采用對稱結構。地面站臺單列列車過站示意圖，如圖1所示。列車在距站臺入口50?m處出發，高速通過站臺區域，在車尾離開站臺出口一定距離后停止。整個站臺計算區域長410??m，半徑為 150?m。

圖1 地面站單列列車過站示意圖

2.3 網格劃分

考慮到網格的計算精度，采用ANSYS前處理軟件?ICEM?CFD對列車區域、外流場區域進行六面體結構化網格劃分，并對列車頭部、尾部、區域邊界、外流場的交界面及站臺屏蔽門區域進行網格加密。基于滑移網格技術，采用網格組裝方法，將列車所在區域網格模型和站臺所在外流場區域網格模型在ANSYS-ICEM?軟件中進行網格組裝，最終計算流場整體網格模型。圖2為列車及站臺區域網格劃分示意，網格呈現邊界稀疏、局部密集的特點。考慮到計算精度和計算時間，網格總數控制在500萬個左右。

圖2 列車及站臺區域網格劃分模擬圖

2.4 邊界條件及參數設置

采用標準的三維k-ε湍流模型模擬湍流流動，設定計算參數。定義模型出入口為壓力遠場條件，設定馬赫數為0.001，列車壁面和地面分別設置為固定壁面和無滑移邊界條件，溫度選擇300?K，流體選擇理想空氣進行仿真計算[17]。

在計算流體軟件Fluent中，為提高計算精度，設定時間步長為0.005??s，每個時間步長最大迭代計算步數為?30 步。

2.5 監測點設置

模擬列車從站臺一端出發到通過整個站臺的過程。站臺屏蔽門監測點設置如圖3所示。

圖3 站臺屏蔽門監測點設置示意圖

3 試驗數據分析

3.1 仿真試驗數據分析

3.1.1 列車高速過站時站內流場變化

高速列車從距站臺50?m處出發到通過站臺時，其周圍的空氣會產生許多瞬態的無規則的渦流，站內流場呈不同分布。列車車頭到達站臺區域入口位置時站內流場如圖4a所示，列車尾部軌跡區渦流密集，車頭區域渦流稀疏。列車車身到達中部站臺門位置時站內流場如圖4b所示，列車在站內會有一系列明顯的軌跡渦流區。列車車尾駛離站臺區域位置時站內流場如圖4c所示，列車出站時的渦流明顯多于進站時的渦流。可見，列車高速通過站臺時對站臺屏蔽門的影響主要為列車頭部和尾部區域，車身對站臺屏蔽門的影響較小。

圖4 列車車頭、車身、車尾到達時刻站內流場圖（單位：Pa）

3.1.2 過站速度對站臺屏蔽門表面風壓的影響

列車以不同速度從出發到駛離站臺的過程中，車頭推開站內空氣，使空氣向各個方向逃逸，作用在站臺屏蔽門表面形成正壓，車身引起站臺屏蔽門表面始終呈負壓狀態。不同過站速度站臺屏蔽門承受的風壓隨時間變化的監測曲線如圖5所示。列車過站速度分別設置為250??km/h、300?km/h、350?km/h，雨棚高度為 7??m，站臺屏蔽門距離為1??000??mm。由圖5可知，隨著列車過站速度的提高，站臺屏蔽門所受的正、負壓值均呈現增大趨勢，列車過站速度與站臺屏蔽門表面風荷載呈正比關系。列車過站時間隨列車過站速度的提高而變短，站臺屏蔽門表面瞬變荷載變化頻率加快，對站臺屏蔽門強度具有一定的影響。

圖5 站臺屏蔽門承受的風壓隨時間變化曲線（不同過站速度）

3.1.3 站臺屏蔽門距離對站臺屏蔽門表面風壓的影響

當列車速度、雨棚高度一定時，對不同站臺屏蔽門設置距離進行仿真計算。站臺屏蔽門設置距離不同，站臺屏蔽門承受的風壓隨時間變化的監測曲線如圖6?所示。站臺屏蔽門設置距離分別為200??mm、600??mm、1??000??mm，雨棚高度為7??m，列車過站速度為350??km/h。由圖6 可知，隨著站臺屏蔽門設置距離的增大，站臺屏蔽門承受的風壓逐漸呈減小趨勢，站臺屏蔽門設置距離與站臺屏蔽門表面風荷載呈反比關系。列車車頭和車尾通過站臺屏蔽門時，門體表面承受的風壓呈現正負交替現象，當列車尾部通過時，站臺屏蔽門表面的正負壓值變化最大，可見，車尾通過時對站臺屏蔽門影響最大。

圖6 站臺屏蔽門承受風壓隨時間變化曲線（不同站臺屏蔽門距離）

3.1.4 雨棚高度對站臺屏蔽門表面風壓的影響

當列車速度、站臺屏蔽門設置距離一定時，對不同雨棚高度進行仿真計算。雨棚高度不同，站臺屏蔽門承受的風壓隨時間變化的監測曲線如圖7所示。雨棚高度分別設置為 7??m、8??m、9??m，站臺屏蔽門距離為1??000??mm，列車過站速度為 350??km/h。由圖7 可知，隨著雨棚高度的增加，站臺屏蔽門所受的正、負壓值均無明顯變化。列車過站過程中，車頭引起站臺屏蔽門形成正壓，車身引起站臺屏蔽門表面始終呈負壓狀態，而車尾通過時引起最大正壓和最大負壓，可見，車尾通過對站臺屏蔽門影響較大。

圖7 站臺屏蔽門承受風壓隨時間變化曲線（不同雨棚高度）

3.2 正交試驗數據分析

3.2.1 試驗最佳方案

正交試驗法是研究多因素多水平的一種設計方法，根據Galois理論從試驗中挑選部分具有代表性的水平組合進行試驗，并對結果進行分析找到最優的組合。

正交試驗表為混合水平正交表，可以安排不同水平數的多因素試驗。正交試驗[18-19]以站臺屏蔽門氣壓荷載為評價指標，正交試驗因素取值水平如表1所示，3?個影響因素分別為列車運行速度（A）、站臺屏蔽門距離（B）和雨棚高度（C），每個因素取3個不同的數值，分別為水平1、水平2、水平3。試驗采用L9（33）正交表，采用流體計算軟件Fluent進行仿真計算，試驗結果如表?2所示。

表1 正交試驗因素取值水平表

比較表2中的9次試驗結果發現，1號試驗的站臺屏蔽門表面風壓在9次試驗中最小，站臺屏蔽門風荷載為94.501?Pa。對于站臺屏蔽門表面的風壓來說，壓力越小越好，從而得到A1B1C1是9種方案里的最佳方案。

表2 正交試驗結果

3.2.2 試驗數據極差分析

通過極差分析法確定影響因素的主次，從而選出最佳方案。試驗不考慮各影響因素之間的交互作用，只考慮各影響因素、各水平的試驗結果大小。

對于站臺屏蔽門表面風荷載來說，風荷載越小，對站臺屏蔽門的安全性越好。根據試驗數據極差分析表（表3），比較不同因素、不同水平的K值：KA1＜KA2＜KA3，KB1＜KB3＜KB2，KC1＜KC3＜KC2，即影響因素A水平1為最優，影響因素B水平1為最優，影響因素C水平1為最優。因此，得到最佳試驗方案為A1B1C1，?即列車運行速度為250?km/h，站臺屏蔽門距離為200?mm，雨棚高度為7?m。

表3 試驗數據極差分析表

極差值R指一組數據中的最大數據與最小數據的差值，用來確定各影響因素的主次順序。3個影響因素的極差值RB＞RA＞RC，說明站臺屏蔽門設置距離對于站臺屏蔽門表面風荷載是主要影響因素，列車速度是次要影響因素。因此，3個影響因素的主次順序為站臺屏蔽門距離、列車運行速度、雨棚高度。

3.2.3 試驗數據方差分析

試驗數據方差分析用于2個或2個以上樣本均數差別的顯著性檢驗。試驗數據方差分析結果如表4所示，其中F值是效應項與誤差項之間均方的比值，用來檢驗樣本結果代表總體的真實程度。P值為衡量每個影響因素顯著性水平的指標，通過P值可得到3個影響因素對試驗結果影響的顯著性。

由表4可知，影響因素B對站臺屏蔽門表面風荷載影響顯著，影響因素A和影響因素C對站臺屏蔽門表面風荷載影響不顯著，各影響因素對試驗結果的顯著程度順序為站臺屏蔽門距離、列車速度、雨棚高度，試驗數據方差分析結果與極差分析結果一致。

表4 試驗數據方差分析表

4 結論

本文利用有限元法對高速列車過站時對站臺屏蔽門的影響進行數值模擬，得到結論如下：①隨著列車過站速度的提高，站臺屏蔽門所受的正、負壓值均呈現增大趨勢，列車速度與站臺屏蔽門表面風荷載呈正相關；②?隨著站臺屏蔽門設置距離的增大，站臺屏蔽門所受的正、負壓值均呈現減小趨勢，站臺屏蔽門設置距離與站臺屏蔽門表面風荷載呈負相關；③隨著雨棚高度的增加，站臺屏蔽門所受的正、負壓值均無明顯變化；④列車過站時，站臺屏蔽門表面風荷載影響因素的主次順序為站臺屏蔽門距離、列車運行速度、雨棚高度；⑤站臺屏蔽門距離對站臺屏蔽門表面風荷載的影響最大，雨棚高度影響最小。試驗數據方差分析結果與極差分析結果一致，該研究結果可為站臺屏蔽門設置提供理論參考。