城際鐵路隧道列車風特性及對人員安全的影響分析

譚鵬，彭立敏，施成華，楊偉超，劉程

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075)

目前我國已經進入了城際鐵路大發展時期。根據我國中長期鐵路網規劃， 將在京津冀環渤海地區、 長江三角洲、 珠江三角洲、 武漢城市圈、 長株潭、 成渝等地區建設城際鐵路。城際鐵路總里程將達到1萬公里左右[1]。隨著城際鐵路運行速度的加快，以及鐵路隧道阻塞比的逐漸增大。列車經過隧道時產生的活塞風效應越來越明顯。這不僅對列車的安全運營造成了影響，還對隧道內可能存在的人員安全造成一定的威脅，例如設備維修人員，或者雙線隧道內列車因發生故障而需要疏散的乘客。針對高速鐵路隧道的空氣動力學效應問題，國內外學者采用數值模擬計算、模型試驗、現場實測等方法進行了較多的研究[2-5]。目前對鐵路隧道內列車風的研究以理論研究為主，且作了諸多簡化，主要針對列車前方或者后方氣流的一維流動，對隧道內列車周圍氣流的三維特性研究較少，而專門針對中高速城際鐵路隧道列車風的研究則未見報道。本文作者采用數值模擬的方法，運用流體力學數值軟件FLUENT建立隧道-空氣-列車模型，對列車在雙線城際鐵路隧道內運行的過程進行數值模擬，并采用專業后處理軟件對計算結果進行處理，總結雙線隧道列車運行時列車風分布特性及規律；并參考相關標準，得出雙線隧道內，單列車以時速200 km運行時人員的安全性。

1 計算理論與方法

1.1 控制方程

當車速 vr≤360 km/h時，相應的馬赫數不大于0.3，列車運行時的繞流問題可采用三維黏性非定常流動處理。高速列車周圍流場的雷諾數 Re一般大于1.2×106[6]，隧道表面摩擦因數λt=0.02[7-8]，根據工程上廣泛使用的莫迪圖[9]，隧道內氣流已進入或者接近阻力平方區，可作為湍流流動處理。

本文采用N-S方程和標準κ-ε湍流模型。設φ為流場某一參數，則對于任一控制容積 P，流場控制方程可統一寫成如下形式[10]。

式中：φΓ和Sφ分別為廣義擴散系數及廣義源項；ρ為空氣密度。φ為某一變量，當φ分別為1，U，e，k，ε時，式(1)分別表示連續方程、動量方程、能量方程、湍流動能k方程和湍流耗散率ε方程。

為封閉方程組，引入完全氣體狀態方程

式中：p為壓力；R為摩爾氣體常數；T為空氣熱力學溫度。

1.2 計算模型及邊界

以時速為200 km的CRH2流線型車及城際鐵路雙線隧道為研究對象，建立列車和隧道的計算模型。列車編組6節(每節長25 m)，參數如表1所示，列車模型如圖1所示。隧道斷面形狀如圖2所示，與常規鐵路隧道有所不同，該隧道在軌側和軌道下方均設有人員疏散通道，具體參數見表 2。隧道外大氣邊界取200 m，列車與隧道之間的相對運動采用滑移網格技術處理。取隧道表面當量粗糙高度kst=5 mm，列車表面當量粗糙高度ks0=9.2 mm[11-12]。

表1 列車參數Table 1 Parameters of train

表2 隧道參數Table 2 Parameters of tunnel

圖1 CRH2型列車模型圖Fig. 1 CRH2 train model

圖2 隧道橫斷面示意圖Fig. 2 Tunnel cross section diagram

2 列車風風速變化過程

在隧道內距離洞口180 m設置測點，測點位于隧道中線軌面以上0.5 m(與列車壁的距離為0.6 m)。以左側列車車頭(車頭、車身變截面處)進洞為t=0時刻，t=3.24 s時列車經過該測點，其沿隧道縱向和橫向風速變化過程如圖3所示(豎向風速較小，且對隧道內人員安全無影響，限于篇幅，本文不作研究)。

圖3 距洞口180 m測點風速變化時程曲線Fig. 3 Train wind speed time-history curve of monitoring point 180 m away from tunnel entrance

由圖3可知：

(1) 列車經過測點時縱向風速較大，其他時間測點風速較小，在2 m/s范圍內波動，相當于隧道內自然風速。

(2) 車頭經過時，縱向風速為正值(與列車運動方向相同)，車身經過時縱向風速為負值，待車尾經過后基本恢復至環境風速。

(3) 車頭經過時，橫向風速迅速增大至全程最大值，方向垂直列車壁向外，待車頭經過后迅速回落，車尾經過時橫向風速朝向列車尾部，其他時間測點橫向風很小。

3 隧道內列車風縱向分布特性分析

3.1 沿隧道縱向最不利位置的判斷

列車在剛進入隧道時，由于氣流流動的邊界條件在不斷變化，列車風形態并不穩定，處于發展階段；待列車車身完全進入隧道之后，列車風形態逐漸穩定，并在隧道內形成活塞風。在隧道內每隔一定距離設置測點，監測該點縱向風速時程變化，再根據風速時程變化曲線統計每個測點風速的最值，并將其絕對值擬合成曲線如圖4所示。

圖4 沿隧道縱向最大風速分布特性(vx)Fig. 4 Distribution characteristics of maximum speed of longitudinal train wind

由圖4可知：距離隧道進口180 m測點風速最值相對其他點為最大值；距離隧道進口280～1 180 m區間內各測點風速最值略有波動但基本穩定；而出口段(距進口 1 180～1 360 m)內測點風速最值較之前有所降低。

根據隧道內活塞風形成機理，活塞風壓力是構成隧道內活塞風的根本原因。列車在隧道內運行時造成隧道內氣壓的不平衡，在列車前后方形成壓差，即活塞風壓力。在列車尚未完全進入隧道時，活塞風壓力由車頭增壓和部分車身剪切力增壓；車身完全進入隧道后，這一壓差由3部分構成，即車頭推動力增壓、車身剪切力增壓和車尾牽引力增壓；出隧道的過程中，車頭推動力增壓消失，活塞風減弱。因此隧道內列車風特性與列車長度有直接關系，根據本文計算設定的列車長度(150 m)判斷，列車風沿縱向最大應為車頭進入隧道150～250 m區段內。

3.2 縱向分布特性

列車完全進入隧道后，在隧道內形成穩定的活塞風，列車前方、列車與隧道壁之間的環隙空間、列車后方列車風也相對穩定。當列車車身完全進入隧道后，軌面以上1.5 m的水平面內流場風速分布情況如圖5和6所示。由圖5和6可知：

(1) 列車頭部風速梯度變化很大，緊靠列車頭鼻位置風速接近于列車速度，前方隨著與列車距離增大風速迅速減小。

(2) 列車與隧道環隙空間內氣流由車頭流向車尾，對比同一工況兩側疏散通道內風速，近列車一側環隙流速比遠列車一側略小，風速等值線較為平直，環隙空間內列車風沿縱向基本穩定。

(3) 列車車尾的風速存在渦流，即車尾正后方風速很大且流向尾部，風速方向急劇變化，車尾近疏散通道一側處于渦流的邊緣區域，風向也有較大變化，環隙與列車后方氣流均流向列車尾部負壓區，列車后方列車風沿隧道縱向分布范圍較長。

3.3 橫向分布特性

在進行理論分析時，一般可將隧道、列車環隙空間內空氣的流動簡化為Couette湍流流動和Poiseuille湍流流動。Poiseuille型粗糙區湍流速度剖面為完整拋物線，典型的 Couette湍流其速度剖面僅為二分之一拋物線，將二者疊加即得環隙速度剖面。但是這一理論存在諸多簡化，用數值計算的方法對這一問題進行分析，將可以得到環隙空間內任一位置流場速度的精確值。列車與隧道壁之間的環隙空間流場典型的速度分布圖如圖7所示。

分析列車車身中間斷面(距離車頭、車尾均為75 m)上列車風風速情況。圖8和9所示為該斷面上與軌面不同距離水平線上合速度、縱向速度剖面。從圖8和9可以看出：計算結果與環隙湍流流速分布的理論分析有著較好地吻合。并能得出以下結論：

(1) 緊貼列車壁存在較薄的邊界層，在邊界層內風速梯度很大，表現在圖上為近乎豎直的流速快速變化段，與列車壁距離趨近于0 m時，流速等于列車運行速度，隨著距離增大流速迅速減小至0 m/s，距離進一步增大則流速轉向與列車相反反向并逐漸增大。車身中部曳流層厚度約25 cm。

(2) 比較同一位置氣流的合速度和縱向速度可知，二者在數值上基本相等，這說明環隙空間內氣流流速有著明顯的一維特性。

(3) 近列車一側環隙空間最大風速約9.6 m/s，遠列車一側環隙空間最大風速12.2 m/s。

圖5 距軌面1.5 m水平面上列車風風速分布(vmag/(m·s-1))Fig. 5 Wind speed distribution map in horizontal plane 1.5 m up away from top of rails

圖6 距軌面1.5 m水平面上列車風縱向風速分布(vx/(m·s-1))Fig. 6 Longitudinal wind speed distribution map in horizontal plane 1.5 m up away from top of rails

圖7 環隙列車風橫斷面分布(縱向風速)Fig. 7 Cross section diagram of train wind in Annulus space between train and tunnel (longitudinal speed)

圖8 距軌面不同高度風速橫向分布Fig. 8 Horizontal distribution of wind speed in different height from top of rails

圖9 距軌面不同高度風速橫向分布Fig. 9 Horizontal distribution of wind speed in different height from top of rails

4 疏散通道內列車風分布特性及人員安全性

4.1 軌側疏散通道內列車風分布特性

根據隧道斷面尺寸設計，在線路兩側設有寬1.25 m×2 m的軌側疏散通道，通道邊線與列車壁的距離分別為0.5和1.75 m。為了確定隧道內人員在從軌側疏散通道疏散時，運行列車產生的列車風是否會影響疏散人員安全，有必要對疏散通道范圍內風速大小及流向進行分析。圖10和11所示為t=4.5 s時，隧道兩側疏散通道內與列車壁不同距離的風速對比。根據圖10和11，可以得出軌側疏散通道內風速分布規律：

(1) 就近列車一側通道內風速而言，車尾段＞車頭段＞車身段，通道內最大風速約17.2 m/s。

(2) 就遠列車一側通道內風速而言，車身段＞車尾段＞車頭段，通道內最大風速約為12.4 m/s。

(3) 對于近列車一側，同一水平面上距離列車壁不同距離處，列車風風速有較大差別，對于遠列車一側，同一水平面上距離列車壁不同距離處，列車風風速基本相等。

(4) 車尾負壓區風速最大，為整個區段內列車風最不利位置，對人員安全影響最大。

結合本文3.2節，近列車側環隙最大流速略小于遠列車側環隙流速。根據對環隙列車風流場的理論分析，近列車側空間沿隧道徑向尺寸較小，動壁曳流流速梯度大，而壓差湍流流動未充分發展，在遠列車一側，徑向尺寸較大，動壁曳流流速梯度變小，而壓差湍流流動充分發展，因此出現上述結論。

圖10 與列車壁不同距離列車風風速對比(近列車側)Fig. 10 Contrast of wind speed in different distance from train (side near train)

圖11 與列車壁不同距離列車風風速對比(遠列車側)Fig. 11 Contrast of wind speed in different distance from train (side away from the train)

4.2 軌下疏散通道內列車風分布特性

當軌側疏散通道內因風速太大等原因不適合人員行走時，人員可通過通道口進入軌下疏散通道。通道口設置在線路中線位置，距離兩側線路的距離較近，有必要對該位置空氣流速進行分析。在距離洞口 180 m位置通道口設置測點，通道口風速以豎向為主，測點風速變化過程如圖12所示。

由圖12可以看出：車頭經過通道口時，在車頭推動力增壓作用下，通道口風速豎直朝下，最大風速9.9 m/s，空氣由隧道流向軌下疏散通道內；車尾經過時，由于車尾負壓，通道口風速豎直朝上，最大風速11.8 m/s，空氣由軌下疏散通道流向隧道內。比較曲線的正、負峰值可知：相對于車頭，車尾經過通道口時列車風風速略大。統計列車經過隧道內每個通道口時，通道口和通道內的風速極值情況如表3所示。

4.3 疏散通道人員安全性判斷

圖12 軌下疏散通道口列車風風速變化曲線Fig. 12 Train wind speed time-history curve at entrance of passage under rails

表3 軌下疏散通道風速分布Table 3 Wind speed in evacuation passage under rails

國外對高速列車附近人員的安全距離都有規定，國內目前還沒有制定這方面的標準。本文參照英國標準，以16.9 m/s風速作為隧道內人員安全距離[13]。根據這一標準，CRH2流線型車時速200 km/h運行時，軌側疏散通道內最大風速達到 17.2 m/s，超過 16.9 m/s，人員從軌側疏散時會發生危險。

從表3可以看出：時速CRH2流線型車200 km運行時，疏散通道口最大風速約15.2 m/s，疏散通道內風速9.5 m/s。根據16.9 m/s標準判斷，CRH2流線型車以200 km/h速度運行時，軌下疏散通道口及通道內均滿足安全要求。但鑒于疏散通道口風速仍然較大(15 m/s左右)，且距離列車壁很近，建議在疏散通道口設置防護欄等必要的保護設施。

5 結論

(1) 列車在車體完全進入隧道后的短時間內，列車風達到整個過程中的最不利時刻。如對于150 m長列車，該位置為距離隧道進口150～250 m范圍內。

(2) 車頭處風速梯度很大，在車頭側面空間內出現轉向，由與列車運行方向相同變為相反。環隙空間內風速分布為典型的Couette湍流流動和Poiseuille湍流流動的疊加，除列車壁附近薄層動壁曵流與列車同向，其他位置氣流均與列車運行方向相反，流向車尾負壓區。

(3) 車尾負壓區風速最大，為整個區段內列車風最不利位置，因而對于隧道內人員來說，車尾經過時為最危險時刻。

(4) CRH2流線型車以200 km/h速度運行時，軌側疏散通道最大風速17.2 m/s，軌下疏散通道口最大風速15.2 m/s，疏散通道內最大風速9.5 m/s，人員疏散可從軌下疏散通道進行，或者在軌側采取必要的工程措施保障人員安全。

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