城际列车越站瞬变压力数值仿真研究

元慧，周丹, 2，孟石，李玉坤



城际列车越站瞬变压力数值仿真研究

元慧1，周丹1, 2，孟石1，李玉坤1

(1. 中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075； 2. 城市轨道交通系统安全与运维保障国家工程实验室，广东 广州 510310)

采用三维非定常、黏性、可压缩N-S方程和RNG-双方程湍流模型，基于滑移网格技术，对8节编组的城际列车以160 km/h速度通过地下越行车站的空气动力学性能进行模拟，分析列车速度和流线型长度对其瞬变压力的影响。研究结果表明：数值计算得到的车体和隧道表面测点的压力变化曲线与动模型试验的结果吻合较好。车站内部结构多变不对称，列车表面左右对称测点压差不明显，屏蔽门与其对面车站内壁对称测点的压差主要发生在头车通过时，屏蔽门上压力幅值比对面车站内壁大54.32%；屏蔽门表面压力变化幅值沿高度和纵向逐渐减小；流线型长度由1.5 m增加到5.5 m时，列车表面压力最大减小了10.52%，屏蔽门入口段压力变化幅值最大减小了14.06%。

城际列车；越站；地下隧道；屏蔽门；表面压力

城际列车作为我国区域经济发展和城市群崛起的重要交通工具，它以运能大、起停速度快、舒适节能、安全快捷等优点深得市民青睐。由于城市用地紧张和人们对城市噪声环境的严格要求，城际铁路车站逐渐向地下发展。城际列车在地下隧道运行带来的列车空气动力学问题急剧增加，尤其是列车由隧道全速通过地下车站时，导致的一系列空气动力学问题将严重影响乘客的舒适性和站内设施的使用。城际列车全速通过站内屏蔽门时，两者之间距离很小，列车周围的气流将突然发生变化，形成的不稳定流场和交变压力作用在列车及站内设施上，将严重影响列车的运行安全。ZHOU等[1]利用动模型试验台对2车编组的高速列车以不同速度通过车站及2辆高速列车以不同速度和不同交会位置通过车站时列车表面及车站屏蔽门上瞬变压力进行了研究。韩华轩[2]对城际列车通过地下车站时隔离墙、缓冲结构和竖井等参数对站内气动环境的影响进行了研究。黄颖[3]对不同车速下城际列车单车通过、两车在隧道内和站台内会车时隧道和地下站台内的压力分布规律和附属设备的压力承受值进行了研究。Khayrullina 等[4]模拟了客车和货车分别以140 km/h和100 km/h通过荷兰地下火车站时位于车站起点和终点处乘客的风舒适性和安全性，从而为铁路隧道和车站的设计提出参考。Hur 等[5]对高速列车通过不同车站内隧道的瞬时风压变化进行了对比，认为站内隧道可有效保证站台上乘客的安全但车内乘客会受到影响。XUE等[6]对地铁列车通过车站时活塞效应对站内不稳定气流在横通道、泄压井和站台的分流及吸力比进行了分析，结果表明站前的泄压井对活塞风的作用比站后大。Chun等[7]对列车以不同速度通过地下大型快速运输车站时屏蔽门上压力和速度的分布进行了研究。崔涛等[8]对列车在不同车速风速下高速通过无屏蔽门站台的气动性能和列车的动态响应进行了模拟研究。杨伟超等[9]对列车由区间隧道进入车站过程活塞风作用下屏蔽门表面的压力变化进行了研究，并分析了不同车速、阻塞比、活塞风井面积和区间隧道通风方案对屏蔽门压力的影响。LUO[10]对列车通过不同阻塞比和有无泄压孔的车站时屏蔽门表面压力变化规律进行了研究。Kim[11]对首尔地铁2号线上列车以不同形式不同速度通过地下侧式车站时屏蔽门表面的风压进行了测试。WANG等[12]采用现场测量和模型试验对列车进站过程中站台上典型点的数值计算数据进行了验证，结果吻合较好，说明文中提出的站台活塞风壁面射流理论模型是正确的。LIU等[13]对单车通过和两车交会于双线隧道时列车和隧道两侧表面的瞬变压力、列车的气动性能和动态车辆响应特性进行了模拟研究。NIU等[14]对地铁列车在不同加速度、速度和站台间距条件下运行于2个相邻站台间时列车和隧道表面的瞬变压力进行了研究。综上，国内外学者对列车过站的研究主要集中在高速列车通过地上车站和地铁减速进站时车站的空气动力学性能，而对于正在大规模修建的中短途城际铁路，列车全速通过地下车站的情况研究比较少。本文基于滑移网格技术，对地下城际列车以不同速度和不同流线型长度全速通过典型越行车站的过程进行了模拟，并通过对列车和屏蔽门表面气动压力的监测，研究了列车全速越站时对车站内部结构及列车本身空气动力学的影响，研究结果可为城际地下车站结构的设计和人员舒适性要求提供一定参考。

1 数值计算模型的建立

1.1 数学模型

城际列车以一定速度在地下隧道内运行，隧道内的环境参数属于非定常状态；虽然马赫数小于0.3，但是考虑到列车在地下运行及越站时，前方空气受到运行列车的强烈挤压和隧道壁面、车站壁面的限制，需考虑空气的可压缩性。因此，整个流场采用三维非定常、黏性、可压缩N-S方程和RNG-2方程湍流模型来描述，相关控制方程见文献[15]。

1.2 列车模型

数值计算采用8车编组的城际列车模型，列车总长=185.08 m，宽=3.00 m，高=4.04 m，为对流场进行更接近真实的模拟，对列车的流线型部分、转向架、风挡及空调等结构进行了精细化建模，建立的列车模型如图1所示。

1.3 隧道车站模型

数值计算采用典型的越行车站模型，车站分上行和下行2部分，中间是站台和设备室。由于车站上下行2部分结构对称，本文针对上行部分展开研究，城际列车由上行隧道1进站后经过一个道岔，一条可以减速通到停站下客的轨道，另一条继续直线运行越过此站即本文研究线路。选取总长为432 m，距车站入口96 m处有一个由屏蔽门、车站内壁和屋顶组成的长240 m的短隧道的车站进行模拟计算，其中刚进车站区域的截面积为116.73 m2，站内短隧道的截面积为29.45 m2。本文定义车站上行部分进口轨道中心为坐标系原点，列车运行方向为轴正方向。为保证列车在越站运行时，列车周围流场已充分发展，且减少边界条件对流场结构的影响，列车由距坐标原点1 000 m的区间隧道中部匀速驶向车站，隧道截面面积取35 m2。计算区域和列车运行线路如图2所示。在本次模拟中，当列车鼻尖点运行到车站进口处即坐标系原点时设时间=0 s。

图1 列车模型

图2 计算区域

1.4 计算网格

由于计算模型结构较复杂，采用尺寸较小的非结构网格对车体流线型部分、转向架、风挡及空调等结构进行离散；远离列车区域对列车的空气动力学性能影响有限，网格设置相对较为稀疏，疏密网格区域之间设置过渡因子，由此可在保证计算精度的同时减小计算量及加快收敛速度。图3为列车头部网格，整个计算区域空间体网格在3 000万以上。计算利用国际主流商用CFD软件——Fluent，在国家超算广州中心的天河2号超级计算机平台上采用120个CPU进行并行计算，为实现列车与隧道之间的相对运动，利用滑移网格技术进行模拟，经试算计算时间步长设置为0.01 s，单个工况的计算时长240 h以上。

图3 列车头部网格

1.5 测点布置

为更好的分析城际列车越站时的气动效应，获得列车及车站内部关心位置的气动性能。由于城际列车通过车站时两侧流场不对称，因此每节列车中部表面两侧对称的布置有测点，测点距轨面2.5 m高。车站壁面测点主要布置在上行部分，屏蔽门和其对面车站内壁分别布置4排测点，每隔20 m对称布置一个测点，测点距轨面高分别为1.5，2.5，3.5和4.5 m。

1.6 计算工况

为了研究地下城际列车全速越站过程中车站瞬变压力的变化，及车速和流线型长度对列车全速越站瞬变压力的影响，模拟了6个工况。根据《城市轨道交通技术规范》[16]，站台屏蔽门不应侵入车辆限界，且与车体最宽处的间隙不应大于130 mm，因此本文取屏蔽门与车体最宽处的间隙为130 mm。且考虑到现有地下城际列车的运行速度，模拟工况的具体参数如表1所示。

表1 工况参数设置

2 算法验证

为了验证本文采用的数值计算方法的正确性，利用某型城际列车过隧道动模型试验的空气动力学试验数据进行数值验证。试验采用缩比1:16.8的4车编组的城际列车以250 km/h通过有效净空面积为0.15 m2，长52.5 m的隧道，相当于通过横截面积为42 m2，长882 m的全尺寸隧道，利用布置在列车及隧道表面的压力传感器测得的压力时程曲线作为算法验证的对比数据，图4为动模型试验装置。数值计算采用与动模型试验相同的4车编组的城际列车，为便于网格离散，对列车模型进行了必要且合理的简化处理，并建立相应的计算模型。

数值模拟中用来对比的测点位置与动模型试验一样，文中选取列车表面距头车鼻尖点20 m距地面1.8m高的测点和隧道壁面距入口50 m距轨面1.5 m高的测点压力曲线进行对比。图5为城际列车以250 km/h过隧道时，列车表面和隧道壁面测点测得的压力波的数值计算结果和动模型试验结果对比。由图中可知，数值模拟的压力波形与动模型试验的波形吻合良好，且两者最大偏差均不超过6%，因此本文选用的数值计算方法及参数满足工程研究要求。

图4 动模型试验装置

(a) 列车表面；(b) 隧道壁面

3 计算结果与分析

3.1 城际列车越站瞬变压力分析

图6为城际列车以160 km/h越站运行时，头车表面和屏蔽门表面对称测点压力变化时程曲线的马赫波图。图6中实线为压缩波，虚线为膨胀波。当列车进站时截面突然扩大，列车表面压力增大，出现了第一个峰值点；列车头部进短隧道时所产生的初始压缩波以音速传播到屏蔽门表面测点(距短隧道进口34 m)时压力开始迅速上升①；当列车头部通过测点时，屏蔽门表面压力上升到最大值②并开始下降，由于列车表面距两侧壁面距离不等，列车头部通过测点时也是屏蔽门表面测点与其对称测点压力差别最大的时刻，这一瞬间的正负压峰峰值相差54.32%；当初始压缩波传播至隧道出口转变为膨胀波传到列车表面测点时，压力开始下降③；由于隧道较短，接着初始压缩波以音速在隧道内来回传播，列车和屏蔽门表面压力波动只受其影响；当列车尾部进入短隧道所产生的初始膨胀波传播到屏蔽门表面测点时压力开始下降④；当初始膨胀波传播到列车表面测点时压力开始下降⑤；当列车尾部运行到屏蔽门表面测点时，压力达到最小⑥并开始上升；当初始膨胀波传播至隧道进口转变为压缩波传到列车表面测点时，压力开始上升⑦；当列车头部驶出短隧道时截面突然扩大，列车表面压力增大，出现了峰值点。

图7为城际列车通过屏蔽门时车站压力云图。从图7可以看出列车头部和周围地面压力的不对称，及屏蔽门表面纵向和高度压力分布。

图8为城际列车以160 km/h通过车站时，屏蔽门表面不同高度测点压力变化时程曲线。从图8可以看出，屏蔽门表面同一位置不同高度测点的压力差别主要发生在头车经过测点时，由于列车头部不同高度宽度不等且距屏蔽门距离不等，列车的通过波对屏蔽门的影响也随高度增加而逐渐减小。图9为屏蔽门表面测点压力最大值随高度的变化曲线。从图9可以看出屏蔽门表面不同高度测点的压力最大值与测点高度呈线性关系。

图10为城际列车以160 km/h通过车站时，屏蔽门2.5 m高处沿纵向不同测点压力变化幅值曲线。从图10可以看出，屏蔽门上测点压力最大值及压力变化幅值沿纵向逐渐减小，最小值沿纵向略有增加趋势；结合图6(c)分析可知隧道入口段压力较大是由于列车进隧道时形成的压缩波和列车的通过波叠加导致的，=130 m处测点的压力变化幅值最大，比=330 m处压力变化幅值大46.42%。

(a) 马赫波传播示意图；(b) 头车表面压力变化；(c) 屏蔽门表面压力变化

图7 列车通过屏蔽门时车站压力云图

图8 屏蔽门表面测点压力变化时程曲线(x=130 m)

图9 屏蔽门表面测点压力最大值随高度变化

图10 屏蔽门表面压力变化幅值曲线

3.2 运行速度的影响

为了研究列车运行速度的影响，模拟了城际列车以100，120，140和160 km/h通过地下车站的过程。图11为城际列车以不同速度越站时，城际列车右侧(靠近屏蔽门侧)表面测点压力变化幅值曲线。从图11可以看出，城际列车以不同速度通过地下车站时，列车右侧表面测点压力变化幅值沿车长方向变化不大，且随速度增加，压力变化幅值逐渐增大。

图11 城际列车右侧表面压力变化幅值曲线

图12为城际列车右侧表面测点压力变化幅值的均方根值(RMS)随车速的变化曲线。从图12可以看出，城际列车右侧表面测点压力变化幅值的RMS值随车速增大而增大，且与车速的2.0次方呈线性关系。

图12 城际列车右侧表面压力变化幅值随速度的变化

图13为城际列车以不同速度越站时，屏蔽门表面测点压力变化幅值曲线。从图13可以看出，城际列车以不同速度通过地下车站时，屏蔽门表面测点压力变化幅值沿纵向的变化规律一致，且随速度增加，压力变化幅值逐渐增大。图14为屏蔽门表面=130 m处压力变化幅值随速度的变化曲线。从图14可以看出屏蔽门表面=130 m处压力变化幅值随速度增大而增大，且与速度的2.0次方呈线性关系。

图13 屏蔽门表面压力变化幅值曲线(z=2.5 m)

图14 屏蔽门表面压力变化幅值随速度的变化

3.3 流线型长度的影响

为了研究流线型长度的影响，模拟了3种不同流线型长度的城际列车以160 km/h通过地下越行车站的过程。3种城际列车的横截面积相等，流线型长度分别为1.5，2.5和5.5 m，3种城际列车头车流线型如图15所示。

图16为不同流线型长度城际列车越站时列车右侧(靠近屏蔽门侧)表面压力变化幅值曲线。从图16可以看出，不同流线型长度列车通过地下车站时，列车右侧表面测点压力变化幅值随流线型长度增加而逐渐减小，流线型长度从1.5 m增加到5.5 m，列车表面压力变化幅值最大减小了10.52%。

图15 头车流线型对比

图16 城际列车右侧表面压力变化幅值曲线

图17 屏蔽门表面压力变化幅值曲线

图17为不同流线型长度城际列车越站时屏蔽门表面压力变化幅值曲线。从图17可以看出，不同流线型长度列车通过地下车站时，屏蔽门表面测点压力变化幅值随流线型长度增加而逐渐减小，流线型长度从1.5 m增加到5.5 m，对屏蔽门入口段压力变化幅值影响较大，最大减少14.06%，对屏蔽门出口段影响较小，只减少3.98%。

4 结论

1) 数值模拟与动模型试验得到的压力曲线变化规律基本一致，在压力变化幅值上略有差异，相对误差满足工程研究要求，说明本文采用的数值计算方法可以很好的模拟列车过隧道时引发的空气动力学问题。

2) 城际列车以160 km/h通过地下典型越行车站时，车站内部结构对车体表面压力变化影响很大，列车和车站短隧道两侧对称测点压力不相等；由于列车与屏蔽门间距离很小，当列车经过屏蔽门时其表面压力比对面车站内壁对称测点大，尤其是头车通过测点时，屏蔽门上压力变化幅值比对面壁面大54.32%；屏蔽门同一位置测点随高度增加压力最大值逐渐减小，且与测点高度呈线性关系；屏蔽门同一高度测点沿纵向压力变化幅值逐渐减小。

3) 城际列车以不同速度通过地下典型越行车站时，列车表面和屏蔽门表面测点压力变化幅值随速度增加而逐渐增大，城际列车右侧表面测点压力变化幅值的RMS值和屏蔽门表面测点压力变化幅值均与车速的2.0次方呈线性关系；不同流线型长度城际列车通过地下越行车站时，随列车流线型长度增加，车体表面压力变化幅值最大减少10.52%，屏蔽门入口段压力变化幅值最大减少14.06%。

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Numerical simulation research of transient pressure of inter-citytrain through station

YUAN Hui1, ZHOU Dan1, 2, MENG Shi1, LI Yukun1

(1. Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. National Engineering Laboratory for System Safety and Operation Assurance of Urban Rail Transit, Guangzhou 510310, China)

Based on the sliding meshing technologies, three-dimensional unsteady viscous compressible N-S equation and a RNG-equation turbulence model were used to simulate the aerodynamic performance of 8 cars inter-city train through a typical underground overtaking station at 160 km/h, and analyze the influence of train speed and streamline length on the transient pressure. The computational results show follows: The pressure curve of numerical simulation is consistent with the law of dynamic model test, and both are in good agreement. Station internal structure is changeful and asymmetrical, symmetric point pressure difference of train surface is not obvious, platform screen door and the opposite wall symmetry points of pressure difference mainly occurs in the head coach through, and the pressure variation amplitude of the platform screen door is greater than the opposite wall 54.32%. Platform screen door surface pressure variation amplitude along the height and the longitudinal decreases. When the streamline length is increased from 1.5 m to 5.5 m, the surface pressure variation amplitude of the train is maximum decreased by 10.52%, and the pressure variation amplitude of the platform screen door entrance is maximum decreased by 14.06%.

inter-citytrain; overtaking station; underground tunnel; platform screen door; surface pressure

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.01.027

U25

A

1672 − 7029(2019)01 − 0200 − 08

2017−12−13

国家科技支撑计划资助项目(2015BAG12B01)

周丹(1980−)，女，湖北武汉人，副教授，博士，从事列车空气动力学研究；E−mail：zd_lzj@126.com

(编辑 蒋学东)