高速列車過站對(duì)站臺(tái)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(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

1 引言

高速列車在地面行駛時(shí)，車頭擠壓前方空氣易造成活塞效應(yīng)，使空氣向各個(gè)方向逃逸，形成列車風(fēng)[1]。為保證乘客及列車運(yùn)營安全，有必要在站臺(tái)設(shè)置站臺(tái)屏蔽門等保護(hù)措施[2]。設(shè)置屏蔽門的主要目的是防止人員跌落軌道發(fā)生意外，降低車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，同時(shí)降低列車風(fēng)對(duì)候車乘客的影響。以壓力和流速變化形式表現(xiàn)出來的列車風(fēng)作用在路邊人員和周圍物體上，可能危及站臺(tái)上的乘客及作業(yè)人員的生命安全，甚至造成站臺(tái)屏蔽門爆裂或?qū)е抡九_(tái)上貨物被卷起，危及列車運(yùn)行安全。因此，研究地面高鐵列車過站對(duì)站臺(tái)屏蔽門風(fēng)荷載的影響是非常有必要的。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)站臺(tái)屏蔽門的風(fēng)壓特性進(jìn)行了大量研究[3-16]，普遍采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的方法，針對(duì)地鐵屏蔽門的研究較多，針對(duì)高速列車過站對(duì)站臺(tái)屏蔽門的風(fēng)壓荷載及分布規(guī)律的研究較少。本文通過在站臺(tái)屏蔽門表面布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量分析列車過站時(shí)屏蔽門表面的平均壓力，利用計(jì)算流體力學(xué)方法和正交理論相結(jié)合的方法，以站臺(tái)屏蔽門表面氣壓荷載為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究列車運(yùn)行速度、站臺(tái)屏蔽門距離、雨棚高度對(duì)站臺(tái)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(duì)站臺(tái)屏蔽門氣壓荷載影響的顯著性，獲得最佳的參數(shù)方案，為車站站臺(tái)屏蔽門的設(shè)置提供參考。

2 試驗(yàn)方法

2.1 數(shù)值方法

一般情況下，列車通過站臺(tái)時(shí)，站臺(tái)的氣流參數(shù)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，在列車周圍的空氣處于完全的湍流狀態(tài)，是一種非定常、不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，列車過站的氣流運(yùn)動(dòng)以渦的形式表現(xiàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)的三維k-ε湍流模型[17]：

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

湍流動(dòng)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(biāo)位置；ui、uj為瞬時(shí)速度分量；為k方程的湍流普朗特?cái)?shù)，為ε方程的湍流普朗特?cái)?shù)；μ為渦粘性系數(shù)，μi、μj為渦粘性系數(shù)分量；vl、vt為湍流運(yùn)動(dòng)粘度分量；C1、C2為不同的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，C1=?1.47，C2=?1.92；σk、σε分別為k、ε兩方程的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，σk=?1.0，σε=?1.33。

2.2 有限元模型

建立列車簡(jiǎn)化模型，計(jì)算明線列車過站風(fēng)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(zhuǎn)向架等車外附屬設(shè)備影響，對(duì)列車表面進(jìn)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(duì)稱結(jié)構(gòu)。地面站臺(tái)單列列車過站示意圖，如圖1所示。列車在距站臺(tái)入口50?m處出發(fā)，高速通過站臺(tái)區(qū)域，在車尾離開站臺(tái)出口一定距離后停止。整個(gè)站臺(tái)計(jì)算區(qū)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(wǎng)格劃分

考慮到網(wǎng)格的計(jì)算精度，采用ANSYS前處理軟件?ICEM?CFD對(duì)列車區(qū)域、外流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并對(duì)列車頭部、尾部、區(qū)域邊界、外流場(chǎng)的交界面及站臺(tái)屏蔽門區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。基于滑移網(wǎng)格技術(shù)，采用網(wǎng)格組裝方法，將列車所在區(qū)域網(wǎng)格模型和站臺(tái)所在外流場(chǎng)區(qū)域網(wǎng)格模型在ANSYS-ICEM?軟件中進(jìn)行網(wǎng)格組裝，最終計(jì)算流場(chǎng)整體網(wǎng)格模型。圖2為列車及站臺(tái)區(qū)域網(wǎng)格劃分示意，網(wǎng)格呈現(xiàn)邊界稀疏、局部密集的特點(diǎn)。考慮到計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格總數(shù)控制在500萬個(gè)左右。

圖2 列車及站臺(tái)區(qū)域網(wǎng)格劃分模擬圖

2.4 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

采用標(biāo)準(zhǔn)的三維k-ε湍流模型模擬湍流流動(dòng)，設(shè)定計(jì)算參數(shù)。定義模型出入口為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)條件，設(shè)定馬赫數(shù)為0.001，列車壁面和地面分別設(shè)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(jìn)行仿真計(jì)算[17]。

在計(jì)算流體軟件Fluent中，為提高計(jì)算精度，設(shè)定時(shí)間步長為0.005??s，每個(gè)時(shí)間步長最大迭代計(jì)算步數(shù)為?30 步。

2.5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

模擬列車從站臺(tái)一端出發(fā)到通過整個(gè)站臺(tái)的過程。站臺(tái)屏蔽門監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖3所示。

圖3 站臺(tái)屏蔽門監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置示意圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1.1 列車高速過站時(shí)站內(nèi)流場(chǎng)變化

高速列車從距站臺(tái)50?m處出發(fā)到通過站臺(tái)時(shí)，其周圍的空氣會(huì)產(chǎn)生許多瞬態(tài)的無規(guī)則的渦流，站內(nèi)流場(chǎng)呈不同分布。列車車頭到達(dá)站臺(tái)區(qū)域入口位置時(shí)站內(nèi)流場(chǎng)如圖4a所示，列車尾部軌跡區(qū)渦流密集，車頭區(qū)域渦流稀疏。列車車身到達(dá)中部站臺(tái)門位置時(shí)站內(nèi)流場(chǎng)如圖4b所示，列車在站內(nèi)會(huì)有一系列明顯的軌跡渦流區(qū)。列車車尾駛離站臺(tái)區(qū)域位置時(shí)站內(nèi)流場(chǎng)如圖4c所示，列車出站時(shí)的渦流明顯多于進(jìn)站時(shí)的渦流。可見，列車高速通過站臺(tái)時(shí)對(duì)站臺(tái)屏蔽門的影響主要為列車頭部和尾部區(qū)域，車身對(duì)站臺(tái)屏蔽門的影響較小。

圖4 列車車頭、車身、車尾到達(dá)時(shí)刻站內(nèi)流場(chǎng)圖（單位：Pa）

3.1.2 過站速度對(duì)站臺(tái)屏蔽門表面風(fēng)壓的影響

列車以不同速度從出發(fā)到駛離站臺(tái)的過程中，車頭推開站內(nèi)空氣，使空氣向各個(gè)方向逃逸，作用在站臺(tái)屏蔽門表面形成正壓，車身引起站臺(tái)屏蔽門表面始終呈負(fù)壓狀態(tài)。不同過站速度站臺(tái)屏蔽門承受的風(fēng)壓隨時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)曲線如圖5所示。列車過站速度分別設(shè)置為250??km/h、300?km/h、350?km/h，雨棚高度為 7??m，站臺(tái)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(tái)屏蔽門所受的正、負(fù)壓值均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，列車過站速度與站臺(tái)屏蔽門表面風(fēng)荷載呈正比關(guān)系。列車過站時(shí)間隨列車過站速度的提高而變短，站臺(tái)屏蔽門表面瞬變荷載變化頻率加快，對(duì)站臺(tái)屏蔽門強(qiáng)度具有一定的影響。

圖5 站臺(tái)屏蔽門承受的風(fēng)壓隨時(shí)間變化曲線（不同過站速度）

3.1.3 站臺(tái)屏蔽門距離對(duì)站臺(tái)屏蔽門表面風(fēng)壓的影響

當(dāng)列車速度、雨棚高度一定時(shí)，對(duì)不同站臺(tái)屏蔽門設(shè)置距離進(jìn)行仿真計(jì)算。站臺(tái)屏蔽門設(shè)置距離不同，站臺(tái)屏蔽門承受的風(fēng)壓隨時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)曲線如圖6?所示。站臺(tái)屏蔽門設(shè)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(tái)屏蔽門設(shè)置距離的增大，站臺(tái)屏蔽門承受的風(fēng)壓逐漸呈減小趨勢(shì)，站臺(tái)屏蔽門設(shè)置距離與站臺(tái)屏蔽門表面風(fēng)荷載呈反比關(guān)系。列車車頭和車尾通過站臺(tái)屏蔽門時(shí)，門體表面承受的風(fēng)壓呈現(xiàn)正負(fù)交替現(xiàn)象，當(dāng)列車尾部通過時(shí)，站臺(tái)屏蔽門表面的正負(fù)壓值變化最大，可見，車尾通過時(shí)對(duì)站臺(tái)屏蔽門影響最大。

圖6 站臺(tái)屏蔽門承受風(fēng)壓隨時(shí)間變化曲線（不同站臺(tái)屏蔽門距離）

3.1.4 雨棚高度對(duì)站臺(tái)屏蔽門表面風(fēng)壓的影響

當(dāng)列車速度、站臺(tái)屏蔽門設(shè)置距離一定時(shí)，對(duì)不同雨棚高度進(jìn)行仿真計(jì)算。雨棚高度不同，站臺(tái)屏蔽門承受的風(fēng)壓隨時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)曲線如圖7所示。雨棚高度分別設(shè)置為 7??m、8??m、9??m，站臺(tái)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(tái)屏蔽門所受的正、負(fù)壓值均無明顯變化。列車過站過程中，車頭引起站臺(tái)屏蔽門形成正壓，車身引起站臺(tái)屏蔽門表面始終呈負(fù)壓狀態(tài)，而車尾通過時(shí)引起最大正壓和最大負(fù)壓，可見，車尾通過對(duì)站臺(tái)屏蔽門影響較大。

圖7 站臺(tái)屏蔽門承受風(fēng)壓隨時(shí)間變化曲線（不同雨棚高度）

3.2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 試驗(yàn)最佳方案

正交試驗(yàn)法是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，根據(jù)Galois理論從試驗(yàn)中挑選部分具有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析找到最優(yōu)的組合。

正交試驗(yàn)表為混合水平正交表，可以安排不同水平數(shù)的多因素試驗(yàn)。正交試驗(yàn)[18-19]以站臺(tái)屏蔽門氣壓荷載為評(píng)價(jià)指標(biāo)，正交試驗(yàn)因素取值水平如表1所示，3?個(gè)影響因素分別為列車運(yùn)行速度（A）、站臺(tái)屏蔽門距離（B）和雨棚高度（C），每個(gè)因素取3個(gè)不同的數(shù)值，分別為水平1、水平2、水平3。試驗(yàn)采用L9（33）正交表，采用流體計(jì)算軟件Fluent進(jìn)行仿真計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果如表?2所示。

表1 正交試驗(yàn)因素取值水平表

比較表2中的9次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1號(hào)試驗(yàn)的站臺(tái)屏蔽門表面風(fēng)壓在9次試驗(yàn)中最小，站臺(tái)屏蔽門風(fēng)荷載為94.501?Pa。對(duì)于站臺(tái)屏蔽門表面的風(fēng)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(yàn)結(jié)果

3.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yàn)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(yàn)結(jié)果大小。

對(duì)于站臺(tái)屏蔽門表面風(fēng)荷載來說，風(fēng)荷載越小，對(duì)站臺(tái)屏蔽門的安全性越好。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yōu)，影響因素B水平1為最優(yōu)，影響因素C水平1為最優(yōu)。因此，得到最佳試驗(yàn)方案為A1B1C1，?即列車運(yùn)行速度為250?km/h，站臺(tái)屏蔽門距離為200?mm，雨棚高度為7?m。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析表

極差值R指一組數(shù)據(jù)中的最大數(shù)據(jù)與最小數(shù)據(jù)的差值，用來確定各影響因素的主次順序。3個(gè)影響因素的極差值RB＞RA＞RC，說明站臺(tái)屏蔽門設(shè)置距離對(duì)于站臺(tái)屏蔽門表面風(fēng)荷載是主要影響因素，列車速度是次要影響因素。因此，3個(gè)影響因素的主次順序?yàn)檎九_(tái)屏蔽門距離、列車運(yùn)行速度、雨棚高度。

3.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析用于2個(gè)或2個(gè)以上樣本均數(shù)差別的顯著性檢驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果如表4所示，其中F值是效應(yīng)項(xiàng)與誤差項(xiàng)之間均方的比值，用來檢驗(yàn)樣本結(jié)果代表總體的真實(shí)程度。P值為衡量每個(gè)影響因素顯著性水平的指標(biāo)，通過P值可得到3個(gè)影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性。

由表4可知，影響因素B對(duì)站臺(tái)屏蔽門表面風(fēng)荷載影響顯著，影響因素A和影響因素C對(duì)站臺(tái)屏蔽門表面風(fēng)荷載影響不顯著，各影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的顯著程度順序?yàn)檎九_(tái)屏蔽門距離、列車速度、雨棚高度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果與極差分析結(jié)果一致。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析表

4 結(jié)論

本文利用有限元法對(duì)高速列車過站時(shí)對(duì)站臺(tái)屏蔽門的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，得到結(jié)論如下：①隨著列車過站速度的提高，站臺(tái)屏蔽門所受的正、負(fù)壓值均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，列車速度與站臺(tái)屏蔽門表面風(fēng)荷載呈正相關(guān)；②?隨著站臺(tái)屏蔽門設(shè)置距離的增大，站臺(tái)屏蔽門所受的正、負(fù)壓值均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，站臺(tái)屏蔽門設(shè)置距離與站臺(tái)屏蔽門表面風(fēng)荷載呈負(fù)相關(guān)；③隨著雨棚高度的增加，站臺(tái)屏蔽門所受的正、負(fù)壓值均無明顯變化；④列車過站時(shí)，站臺(tái)屏蔽門表面風(fēng)荷載影響因素的主次順序?yàn)檎九_(tái)屏蔽門距離、列車運(yùn)行速度、雨棚高度；⑤站臺(tái)屏蔽門距離對(duì)站臺(tái)屏蔽門表面風(fēng)荷載的影響最大，雨棚高度影響最小。試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果與極差分析結(jié)果一致，該研究結(jié)果可為站臺(tái)屏蔽門設(shè)置提供理論參考。