珠江城际铁路清远站过站列车风数值模拟研究

曹登敬,何连华

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司, 北京 100055； 2.中国建筑科学研究院结构所, 北京 100013)

1 工程概况

清远站采用路中高架侧式三层站；车站有效站台中心里程为:DK38+662.7。车站有效站台起讫点里程为:DK38+590.7,DK38+734.7。车站全长144 m,宽度25.5 m,车站主体建筑面积为6 728 m2,附属建筑面积为845 m2,车站总建筑面积为7 573 m2。

随着列车运行速度的提高,列车的空气动力问题日益突出。高速列车行驶时,由于空气的黏性作用使周围的空气被列车表面带动并随之一起运动,便形成了“列车风”[1]。列车风对站内的人员和建筑物都会产生影响,高速列车引起的列车风的影响尤为突出,甚至会影响到候车人员和建筑的安全性。因此,在新建铁路站房中越来越引起重视,珠三角城际铁路站房设计中考虑了这一影响因素,在站台设置了屏蔽门。在列车高速通过过程中,屏蔽门将受到列车风的影响,承受附加的列车风风荷载,确定荷载取值是结构设计中的一个重要问题,此外，加装屏蔽门后站台风环境也是需要考察的问题。

本文基于计算流体力学软件Fluent的“动网格”技术,对珠三角城际铁路清远站列车过站列车风问题进行了数值模拟研究,应用动网格技术模拟了高速列车自进入雨棚并穿越雨棚的整个过程,得到了列车过站过程中列车风空间分布形态,获得了屏蔽门上监测点处的压力时程,总结了压力分布的规律,给出了用于结构设计的荷载取值建议,同时对站台的风环境进行了分析。

2 几何模型和网格划分

使用流体力学计算软件Fluent对车站内的列车风效应进行计算,计算域选择为车站内站台层以上的空间区域,按实际尺寸建立的车站模型,列车头型按照CRH2进行逆向工程生成三维模型,如图1所示。图2显示了列车进站前的网格划分局部图,站房空间部分划分为六面体结构化网格,列车通过部分采用动网格,动区域部分划分为四面体非结构化与六面体结构化的混合网格,初始网格体单元共180万。

图2 局部动网格布置方案

图1 空间模型示意

列车的运动,使计算域在每时间步后都要变化,网格也就需要进行相应的更新,在Fluent中网格的更新在每时间步后自动进行。模拟使用了Fluent动网格技术中的动态层铺方法(Dynamic Layering),这种方法用于结构化网格,通过判断网格层间的距离,确定网格节点是否增减。

3 边界条件和计算方法

3.1 边界条件

入口：采用压力入口边界条件,入口相对总压为零(工作环境压力为101 325 Pa)；出口：采用压力出口边界条件,出口相对静压为零；结构物表面及地面：采用无滑移壁面条件。

3.2 计算方法

利用Fluent软件求解非定常可压缩流动的RANS方程和Realiazableκ-ε二方程湍流模型,对该车站的列车风流场进行数值模拟。用有限体积法离散方程,动量、能量、κ和ε方程中的对流项采用一阶迎风格式离散,扩散项采用中心差分格式离散,压力速度耦合采用SIMPLE算法。列车的运动使用Fluent的profile文件进行控制。

4 分析工况

高速列车所产生的列车风影响范围和强度有许多影响因素,如列车速度、列车头形、线路布置。车速是影响列车空气动力特性的非常重要因素。客运专线列车速度可达200 km/h,因此,数值模拟中按此值给定列车运行速度。

列车单车运行,计算时间步长选为0.005 s,共计算1 100时间步,列车共运行305.6 m,模拟了自车头位于站台起点外10 m开始,至车尾穿出雨棚的过程。每50步存储一次计算结果,共可得到22个时间节点的计算结果。同时监测屏蔽门特定位置处的若干个测点,以取得测点的压力时程数据,压力时程数据每时间步长记录一次。

5 模拟结果及分析

5.1 列车风的空间分布

图4、图5显示了列车运行于站内某时刻(图3)沿列车纵向对称面剖分得到的纵向截面内气流速度分布云图，图4显示头部的影响,可以看到,在头部由于列车的推动作用,车头前的空气获得速度,速度随距车体壁面距离增大而减小；图5显示了尾部的影响,列车尾部向后有较长的尾迹影响区。

图3 列车运行位置示意

图4 头部列车风风速分布

图5 尾部列车风风速分布

高速列车的空气动力学问题一般分作2个方面进行研究：列车在明线上运行时的空气动力学研究和在隧道中运行的空气动力学研究。在这两种情况下,列车高速运行引起的空气动力学影响有很大区别,而列车进站的空气动力学问题是介于这两者之间的,站房与隧道类似,但是截面面积却又远大于隧道；列车运行又受到站房结构的影响,列车高速运行引起的空气压力、速度分布受到站房结构的影响,与明线运行又不完全相同。图6为列车运行于图7所示位置时的列车风分布。图7所示时刻列车尚未完全进入车站,列车风风速分布形态类似于明线上列车风的分布；而在图5时刻,列车运行于站内时,列车风风速分布明显体现出“活塞风”的特点。

图6 头部列车风风速分布

图7 列车运行位置示意

5.2 结构受到的列车风风荷载

列车过站引起的列车风对站台乘候人员的安全和舒适问题带来影响,珠三角城际铁路站房设计中考虑了这一影响因素,在站台设置了屏蔽门。屏蔽门在站内通长布置,距离站台边缘205 mm,横截面见图8。

图8 屏蔽门上的监测点布置(单位：mm)

沿长度方向在屏蔽门上等间隔设置了13对监测点,监测点高度取在屏蔽门高度的一半,同一位置处屏蔽门内外有一对测点,这样两个测点压力之差就是此处屏蔽门受到的列车风风压力。如表1所示得到了各监测点在列车通过过程中的压力最大值和最小值。

如图9所示,在列车通过11号测点的过程中,开始时刻列车尚未影响到该测点,初始压力为0 Pa；随着车头接近该测点,此处压力逐渐增大,在车头到达时急剧的升高到最大,随后瞬间减小,此处先正后负的压力波动,为高速列车头波造成；在车身经过监测点时,压力小幅波动；当车尾经过监测点时,压力先急剧降低,而后又瞬间升高为正压,此处先负后正的压力波动,由列车的尾波造成；在列车经过监测点一段时间后,监测点的压力波动消失。

表1 监测点压力最值统计结果 Pa

图9 屏蔽门上11号监测点在列车通过过程中的压力时程

5.3 站台上的列车风风环境分析

相关资料[1]中提到：站台旅客和线路作业人员允许承受的列车风风速为14 m/s。截取列车在站内运行某时刻,距离站台地面1.5 m高度水平截面,如图10所示,显示了此时刻列车风风速的分布情况。明显看到在屏蔽门之外,列车风风速仅在2 m/s,远小于14 m/s的限值,风环境良好。此外,对比车的另一侧,列车风在较远的地方还可以达到5 m/s,可见加装屏蔽门对改善站台的列车风风环境具有重要作用。

图10 距站台地面1.5 m高度处的列车风空间分布(单位：m/s)

需要指出,珠三角城际铁路运行列车速度200 km/h,在目前新建铁路中速度不算高,因此,屏蔽门距离站台边缘位置也较近。如果在运行速度较高的线路上设置安全屏蔽门,则屏蔽门设置的位置,以及屏蔽门结构设计中列车风荷载的取值都应做具体研究分析,典型工程如资料[10]中指出,列车运行速度350 km/h的线路,屏蔽门位置应距离站台边缘1.5 m以上。

6 结论

应用计算流体力学软件对珠三角城际铁路清远站列车过站列车风进行了数值模拟,主要得到了如下几条结论：

(1)展示了列车风三维空间分布形态,在头部由于列车的推动作用,车头前的空气获得速度,速度随距车体壁面距离增大而减小,列车尾部向后有较长的尾迹影响区；

(2)高速列车过站列车风介于明线运行和在隧道内运行之间,整个过程兼具二者的一些特性,因此,对过站列车风的研究需从这两方面全面考虑；

(3)高速列车过站时,将对临近的结构物产生附加的风荷载作用,通过在屏蔽门上设置监测点,得到了高速列车过站过程中对屏蔽门作用的压力时程,统计了最值,可用于结构设计；

(4)分析了站台的风环境,结果显示,加装屏蔽门后,高速列车经过时,站台风环境良好。

[1]贺德馨.风工程和工业空气动力学[M].北京：国防工业出版社,2006.

[2]何连华,符龙彪,陈凯,等.武汉站结构风工程专题之五·列车风分析[R].北京：建研科技,2007.

[3]梅元贵,周朝晖,许建林.高速铁路隧道空气动力学[M].北京：科学出版社,2009.

[4]李佳圣.列车侧风效应的数值模拟研究[D].成都：西南交通大学,2004．

[5]张经强,张 斌.200 km/h电动旅客列车空气动力性能数值仿真[J].机车电传动,2001(2)：21-23．

[6]骆建军,高 波,王英学，等.高速列车穿越有竖井隧道流场的数值模拟[J].西南交通大学学报,2001,39(4)：442-446．

[7]Fluent Document: User’s Guide

[8]陈 凯,符龙彪,魏庆鼎.悬挂式灯箱风荷载数值模拟[C].第十二届全国结构风工程学术会议论文集,2005:685-688．

[9]何连华,符龙彪,陈 凯,等.武汉火车站高速列车列车风数值模拟研究[J].建筑结构,2009,39(1):23-24．

[10]何连华,符龙彪,陈 凯,等.南京南站列车风数值模拟报告[R].北京：建研科技,2010.