同向高速列車對站臺雨棚的氣動效應分析

任遠 閆亞光

河北工程大學土木工程學院，中國·河北 邯鄲 056000

高速列車兩車同向行駛時產生強烈的列車風，對站臺雨棚有顯著的氣動效應。論文基于三維、不可壓縮、非定常流體N-S方程、k-ε方程，以清河火車站為工程背景建立等尺寸模型，運用滑移網格技術進行模擬計算，分析同向兩列車不同速度行駛工況過站產生的氣動效應對站臺雨棚的影響。結果表明：列車運行速度與雨棚受到列車風壓成正比，雨棚入口附近正、負壓力峰值均達到最大；列車行駛時受到旁側列車影響，列車風與旁側列車車速成正比。

高速列車；雨棚；列車風；數值模擬

1 引言

隨著高速鐵路發展，列車設計時速越來越快，過站時產生列車風也更加強烈，列車風[1]是由列車行駛帶動附近空氣運動形成速度差而產生的，對站臺臨近結構有十分顯著的氣動效應影響，站臺雨棚作為典型的車站臨近結構具有大跨度、結構輕盈等特點，列車風致效應對其影響較大，嚴重時會危及候車人員及列車安全。論文以站臺雨棚為研究背景，分析同向兩列車對站臺雨棚的氣動效應分析[2.3]。

2 計算模型

2.1 模型建立

論文采用CR400BF 為列車模型，在建立模型時進行簡化處理，車體斷面積13.608 ㎡，車寬3.36m，高4.05m，模型采用三車編組，即頭車+中間車+尾車，全長209.06m。CR400BF 動車組列車模型如圖1 所示。雨棚模型長度186m，正線敞口寬度75.48m,車站敞口寬度86.15m，雨棚距離車頂高度7m，雨棚厚度0.5m，正線寬度21m，車站雨棚模型如圖2 所示。

圖1 列車模型

圖2 車站雨棚模型

2.2 邊界條件及網格劃分

通過CFD 流體計算前處理軟件Gambit 進行建立計算模型，計算域尺寸為200m×30m×1000m，采用標準大氣壓，列車在雨棚前70m 處開始行駛，確保接近雨棚時達到穩定狀態。雨棚表面、計算域底部設為壁面（Wall）；計算域遠端界面設為遠場邊界（pressure-far-field）；在車體表面和計算域之間建立起滑移交界面( interface），網格采用加密結構化網格劃分列車部分及滑移部分。

2.3 雨棚測點布置

針對同向兩列車行駛通過雨棚，論文雨棚測點布置如下。沿軌道方向每12.4m 布置一個測點，均布置在列車軌道上方雨棚下表面處，監測縱向雨棚風壓分布，共布置16 個；垂直軌道方向每3.44m 布置一個測點，均布置在列車接近雨棚入口下表面處，監測列車通過時是否行駛軌道上方測點風壓最大，共布置20 個（包含沿軌道方向的兩個測點）。測點高度7m，測點布置及軌道編號如圖3 所示。

圖3 測點布置圖

3 數值模擬及分析

論文通過控制列車單一參數變化，對比分析雨棚下表面所受風壓分布特點以及風壓參數最不利位置，據此得出雨棚最優改進方法及列車行駛方式。本節共選取5 種工況進行模擬計算，研究同向兩列車不同速度下對雨棚所受列車風的影響。

以兩車固定軌道行駛為研究對象，通過變化車速來研究列車風對近軌雨棚的氣動效應，由于左側列車速度較慢產生的風壓參數遠小于右側列車，故此節僅分析右側列車對雨棚產生的氣動壓力。利用數值模擬繪制時程曲線并分析風壓分布特點，根據產生的不同風壓參數繪制風壓參數變化曲線，結合風壓參數及參數變化曲線分析不同速度下雨棚受到的氣動壓力變化。具體工況參數如表1 所示。

表1 速度變化的工況參數

3.1 風壓分布特點

通過數值模擬計算，以右車300km/h、左車250km/h為研究對象，取沿軌道16 個測點中的入口、中部、出口三個測點繪制風壓時程曲線如圖4 所示。測點所受風壓分布趨勢相似，右側列車車頭通過測點時，雨棚所受風壓攀升達到正壓峰值后迅速由正變負，緊接較慢的左側列車車頭靠近產生風壓波動，風壓數值遠小于右側列車。兩車車頭通過后風壓曲線保持穩定，當右側車尾通過時，風壓由負變正，并在車尾通過時產生負風壓峰值，緊接較慢的左側列車車尾靠近通過，再次產生較小的風壓波動。正負風壓變換交替是由于車頭、車尾通過帶來的，變換交替時間為車頭、車尾通過時間。

圖4 風壓時程曲線圖

3.2 不同速度下沿軌道方向測點風壓參數變化分析

同向兩列車以不同速度通過雨棚時，縱向測點風壓參數變化曲線如圖5 所示，風壓參數曲線趨勢表現相似，且風壓參數絕對值與速度值成正比。由正風壓峰值參數曲線可知，工況2 與工況3 右側列車雖然行駛速度相同，但由于受到左側列車不同速度行駛的影響，右側列車產生的風壓參數發生變化，工況3 中較快速度的左側列車使得右側軌道上雨棚受到更大的列車風影響，工況4 與工況5 同理。由圖5a）可得正風壓峰值均在雨棚入口處達到最大值，中部測點受到持續的列車風影響，曲線趨勢保持穩定，雨棚出口處正風壓峰值略微上升。由圖5b）可知，負風壓峰值參數曲線與正風壓峰值參數曲線相同，受到旁側列車影響，產生相同速度不同風壓的情況。負風壓峰值最大值均出現在2 號測點，即雨棚入口附近，中部測點在工況1 保持受壓曲線穩定，在工況2、3、4、5 由于速度增加，曲線出現多次波動，雨棚出口處負風壓峰值參數曲線出現回升。

圖5 各工況縱向測點風壓參數曲線

4 結論

論文通過控制列車單一參數變化,在五種不同車速工況下，壓力峰值絕對值與車速成正比，風壓參數曲線趨勢相似，正壓力峰值最大值均出現在雨棚入口處，雨棚中部測點正壓力峰值均保持穩定，負壓力峰值最大值均出現在雨棚入口的2 號測點處，雨棚中部測點受到不同車速影響表現出不同的波動趨勢。此模擬計算得到，列車行駛時會受到旁側車輛行駛速度的影響，且產生的列車風也與旁側列車速度有關，需避免兩車同向行駛時速度過快，對雨棚產生過大的列車風影響導致雨棚結構損壞，危及候車人員及列車安全。