珠江城際鐵路清遠站過站列車風數值模擬研究

曹登敬,何連華

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司, 北京 100055； 2.中國建筑科學研究院結構所, 北京 100013)

1 工程概況

清遠站采用路中高架側式三層站；車站有效站臺中心里程為:DK38+662.7。車站有效站臺起訖點里程為:DK38+590.7,DK38+734.7。車站全長144 m,寬度25.5 m,車站主體建筑面積為6 728 m2,附屬建筑面積為845 m2,車站總建筑面積為7 573 m2。

隨著列車運行速度的提高,列車的空氣動力問題日益突出。高速列車行駛時,由于空氣的黏性作用使周圍的空氣被列車表面帶動并隨之一起運動,便形成了“列車風”[1]。列車風對站內的人員和建筑物都會產生影響,高速列車引起的列車風的影響尤為突出,甚至會影響到候車人員和建筑的安全性。因此,在新建鐵路站房中越來越引起重視,珠三角城際鐵路站房設計中考慮了這一影響因素,在站臺設置了屏蔽門。在列車高速通過過程中,屏蔽門將受到列車風的影響,承受附加的列車風風荷載,確定荷載取值是結構設計中的一個重要問題,此外，加裝屏蔽門后站臺風環境也是需要考察的問題。

本文基于計算流體力學軟件Fluent的“動網格”技術,對珠三角城際鐵路清遠站列車過站列車風問題進行了數值模擬研究,應用動網格技術模擬了高速列車自進入雨棚并穿越雨棚的整個過程,得到了列車過站過程中列車風空間分布形態,獲得了屏蔽門上監測點處的壓力時程,總結了壓力分布的規律,給出了用于結構設計的荷載取值建議,同時對站臺的風環境進行了分析。

2 幾何模型和網格劃分

使用流體力學計算軟件Fluent對車站內的列車風效應進行計算,計算域選擇為車站內站臺層以上的空間區域,按實際尺寸建立的車站模型,列車頭型按照CRH2進行逆向工程生成三維模型,如圖1所示。圖2顯示了列車進站前的網格劃分局部圖,站房空間部分劃分為六面體結構化網格,列車通過部分采用動網格,動區域部分劃分為四面體非結構化與六面體結構化的混合網格,初始網格體單元共180萬。

圖2 局部動網格布置方案

圖1 空間模型示意

列車的運動,使計算域在每時間步后都要變化,網格也就需要進行相應的更新,在Fluent中網格的更新在每時間步后自動進行。模擬使用了Fluent動網格技術中的動態層鋪方法(Dynamic Layering),這種方法用于結構化網格,通過判斷網格層間的距離,確定網格節點是否增減。

3 邊界條件和計算方法

3.1 邊界條件

入口：采用壓力入口邊界條件,入口相對總壓為零(工作環境壓力為101 325 Pa)；出口：采用壓力出口邊界條件,出口相對靜壓為零；結構物表面及地面：采用無滑移壁面條件。

3.2 計算方法

利用Fluent軟件求解非定常可壓縮流動的RANS方程和Realiazableκ-ε二方程湍流模型,對該車站的列車風流場進行數值模擬。用有限體積法離散方程,動量、能量、κ和ε方程中的對流項采用一階迎風格式離散,擴散項采用中心差分格式離散,壓力速度耦合采用SIMPLE算法。列車的運動使用Fluent的profile文件進行控制。

4 分析工況

高速列車所產生的列車風影響范圍和強度有許多影響因素,如列車速度、列車頭形、線路布置。車速是影響列車空氣動力特性的非常重要因素。客運專線列車速度可達200 km/h,因此,數值模擬中按此值給定列車運行速度。

列車單車運行,計算時間步長選為0.005 s,共計算1 100時間步,列車共運行305.6 m,模擬了自車頭位于站臺起點外10 m開始,至車尾穿出雨棚的過程。每50步存儲一次計算結果,共可得到22個時間節點的計算結果。同時監測屏蔽門特定位置處的若干個測點,以取得測點的壓力時程數據,壓力時程數據每時間步長記錄一次。

5 模擬結果及分析

5.1 列車風的空間分布

圖4、圖5顯示了列車運行于站內某時刻(圖3)沿列車縱向對稱面剖分得到的縱向截面內氣流速度分布云圖，圖4顯示頭部的影響,可以看到,在頭部由于列車的推動作用,車頭前的空氣獲得速度,速度隨距車體壁面距離增大而減小；圖5顯示了尾部的影響,列車尾部向后有較長的尾跡影響區。

圖3 列車運行位置示意

圖4 頭部列車風風速分布

圖5 尾部列車風風速分布

高速列車的空氣動力學問題一般分作2個方面進行研究：列車在明線上運行時的空氣動力學研究和在隧道中運行的空氣動力學研究。在這兩種情況下,列車高速運行引起的空氣動力學影響有很大區別,而列車進站的空氣動力學問題是介于這兩者之間的,站房與隧道類似,但是截面面積卻又遠大于隧道；列車運行又受到站房結構的影響,列車高速運行引起的空氣壓力、速度分布受到站房結構的影響,與明線運行又不完全相同。圖6為列車運行于圖7所示位置時的列車風分布。圖7所示時刻列車尚未完全進入車站,列車風風速分布形態類似于明線上列車風的分布；而在圖5時刻,列車運行于站內時,列車風風速分布明顯體現出“活塞風”的特點。

圖6 頭部列車風風速分布

圖7 列車運行位置示意

5.2 結構受到的列車風風荷載

列車過站引起的列車風對站臺乘候人員的安全和舒適問題帶來影響,珠三角城際鐵路站房設計中考慮了這一影響因素,在站臺設置了屏蔽門。屏蔽門在站內通長布置,距離站臺邊緣205 mm,橫截面見圖8。

圖8 屏蔽門上的監測點布置(單位：mm)

沿長度方向在屏蔽門上等間隔設置了13對監測點,監測點高度取在屏蔽門高度的一半,同一位置處屏蔽門內外有一對測點,這樣兩個測點壓力之差就是此處屏蔽門受到的列車風風壓力。如表1所示得到了各監測點在列車通過過程中的壓力最大值和最小值。

如圖9所示,在列車通過11號測點的過程中,開始時刻列車尚未影響到該測點,初始壓力為0 Pa；隨著車頭接近該測點,此處壓力逐漸增大,在車頭到達時急劇的升高到最大,隨后瞬間減小,此處先正后負的壓力波動,為高速列車頭波造成；在車身經過監測點時,壓力小幅波動；當車尾經過監測點時,壓力先急劇降低,而后又瞬間升高為正壓,此處先負后正的壓力波動,由列車的尾波造成；在列車經過監測點一段時間后,監測點的壓力波動消失。

表1 監測點壓力最值統計結果 Pa

圖9 屏蔽門上11號監測點在列車通過過程中的壓力時程

5.3 站臺上的列車風風環境分析

相關資料[1]中提到：站臺旅客和線路作業人員允許承受的列車風風速為14 m/s。截取列車在站內運行某時刻,距離站臺地面1.5 m高度水平截面,如圖10所示,顯示了此時刻列車風風速的分布情況。明顯看到在屏蔽門之外,列車風風速僅在2 m/s,遠小于14 m/s的限值,風環境良好。此外,對比車的另一側,列車風在較遠的地方還可以達到5 m/s,可見加裝屏蔽門對改善站臺的列車風風環境具有重要作用。

圖10 距站臺地面1.5 m高度處的列車風空間分布(單位：m/s)

需要指出,珠三角城際鐵路運行列車速度200 km/h,在目前新建鐵路中速度不算高,因此,屏蔽門距離站臺邊緣位置也較近。如果在運行速度較高的線路上設置安全屏蔽門,則屏蔽門設置的位置,以及屏蔽門結構設計中列車風荷載的取值都應做具體研究分析,典型工程如資料[10]中指出,列車運行速度350 km/h的線路,屏蔽門位置應距離站臺邊緣1.5 m以上。

6 結論

應用計算流體力學軟件對珠三角城際鐵路清遠站列車過站列車風進行了數值模擬,主要得到了如下幾條結論：

(1)展示了列車風三維空間分布形態,在頭部由于列車的推動作用,車頭前的空氣獲得速度,速度隨距車體壁面距離增大而減小,列車尾部向后有較長的尾跡影響區；

(2)高速列車過站列車風介于明線運行和在隧道內運行之間,整個過程兼具二者的一些特性,因此,對過站列車風的研究需從這兩方面全面考慮；

(3)高速列車過站時,將對臨近的結構物產生附加的風荷載作用,通過在屏蔽門上設置監測點,得到了高速列車過站過程中對屏蔽門作用的壓力時程,統計了最值,可用于結構設計；

(4)分析了站臺的風環境,結果顯示,加裝屏蔽門后,高速列車經過時,站臺風環境良好。

[1]賀德馨.風工程和工業空氣動力學[M].北京：國防工業出版社,2006.

[2]何連華,符龍彪,陳凱,等.武漢站結構風工程專題之五·列車風分析[R].北京：建研科技,2007.

[3]梅元貴,周朝暉,許建林.高速鐵路隧道空氣動力學[M].北京：科學出版社,2009.

[4]李佳圣.列車側風效應的數值模擬研究[D].成都：西南交通大學,2004．

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[7]Fluent Document: User’s Guide

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