城际铁路隧道列车风特性及对人员安全的影响分析

谭鹏，彭立敏，施成华，杨伟超，刘程

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)

目前我国已经进入了城际铁路大发展时期。根据我国中长期铁路网规划， 将在京津冀环渤海地区、 长江三角洲、 珠江三角洲、 武汉城市圈、 长株潭、 成渝等地区建设城际铁路。城际铁路总里程将达到1万公里左右[1]。随着城际铁路运行速度的加快，以及铁路隧道阻塞比的逐渐增大。列车经过隧道时产生的活塞风效应越来越明显。这不仅对列车的安全运营造成了影响，还对隧道内可能存在的人员安全造成一定的威胁，例如设备维修人员，或者双线隧道内列车因发生故障而需要疏散的乘客。针对高速铁路隧道的空气动力学效应问题，国内外学者采用数值模拟计算、模型试验、现场实测等方法进行了较多的研究[2-5]。目前对铁路隧道内列车风的研究以理论研究为主，且作了诸多简化，主要针对列车前方或者后方气流的一维流动，对隧道内列车周围气流的三维特性研究较少，而专门针对中高速城际铁路隧道列车风的研究则未见报道。本文作者采用数值模拟的方法，运用流体力学数值软件FLUENT建立隧道-空气-列车模型，对列车在双线城际铁路隧道内运行的过程进行数值模拟，并采用专业后处理软件对计算结果进行处理，总结双线隧道列车运行时列车风分布特性及规律；并参考相关标准，得出双线隧道内，单列车以时速200 km运行时人员的安全性。

1 计算理论与方法

1.1 控制方程

当车速 vr≤360 km/h时，相应的马赫数不大于0.3，列车运行时的绕流问题可采用三维黏性非定常流动处理。高速列车周围流场的雷诺数 Re一般大于1.2×106[6]，隧道表面摩擦因数λt=0.02[7-8]，根据工程上广泛使用的莫迪图[9]，隧道内气流已进入或者接近阻力平方区，可作为湍流流动处理。

本文采用N-S方程和标准κ-ε湍流模型。设φ为流场某一参数，则对于任一控制容积 P，流场控制方程可统一写成如下形式[10]。

式中：φΓ和Sφ分别为广义扩散系数及广义源项；ρ为空气密度。φ为某一变量，当φ分别为1，U，e，k，ε时，式(1)分别表示连续方程、动量方程、能量方程、湍流动能k方程和湍流耗散率ε方程。

为封闭方程组，引入完全气体状态方程

式中：p为压力；R为摩尔气体常数；T为空气热力学温度。

1.2 计算模型及边界

以时速为200 km的CRH2流线型车及城际铁路双线隧道为研究对象，建立列车和隧道的计算模型。列车编组6节(每节长25 m)，参数如表1所示，列车模型如图1所示。隧道断面形状如图2所示，与常规铁路隧道有所不同，该隧道在轨侧和轨道下方均设有人员疏散通道，具体参数见表 2。隧道外大气边界取200 m，列车与隧道之间的相对运动采用滑移网格技术处理。取隧道表面当量粗糙高度kst=5 mm，列车表面当量粗糙高度ks0=9.2 mm[11-12]。

表1 列车参数Table 1 Parameters of train

表2 隧道参数Table 2 Parameters of tunnel

图1 CRH2型列车模型图Fig. 1 CRH2 train model

图2 隧道横断面示意图Fig. 2 Tunnel cross section diagram

2 列车风风速变化过程

在隧道内距离洞口180 m设置测点，测点位于隧道中线轨面以上0.5 m(与列车壁的距离为0.6 m)。以左侧列车车头(车头、车身变截面处)进洞为t=0时刻，t=3.24 s时列车经过该测点，其沿隧道纵向和横向风速变化过程如图3所示(竖向风速较小，且对隧道内人员安全无影响，限于篇幅，本文不作研究)。

图3 距洞口180 m测点风速变化时程曲线Fig. 3 Train wind speed time-history curve of monitoring point 180 m away from tunnel entrance

由图3可知：

(1) 列车经过测点时纵向风速较大，其他时间测点风速较小，在2 m/s范围内波动，相当于隧道内自然风速。

(2) 车头经过时，纵向风速为正值(与列车运动方向相同)，车身经过时纵向风速为负值，待车尾经过后基本恢复至环境风速。

(3) 车头经过时，横向风速迅速增大至全程最大值，方向垂直列车壁向外，待车头经过后迅速回落，车尾经过时横向风速朝向列车尾部，其他时间测点横向风很小。

3 隧道内列车风纵向分布特性分析

3.1 沿隧道纵向最不利位置的判断

列车在刚进入隧道时，由于气流流动的边界条件在不断变化，列车风形态并不稳定，处于发展阶段；待列车车身完全进入隧道之后，列车风形态逐渐稳定，并在隧道内形成活塞风。在隧道内每隔一定距离设置测点，监测该点纵向风速时程变化，再根据风速时程变化曲线统计每个测点风速的最值，并将其绝对值拟合成曲线如图4所示。

图4 沿隧道纵向最大风速分布特性(vx)Fig. 4 Distribution characteristics of maximum speed of longitudinal train wind

由图4可知：距离隧道进口180 m测点风速最值相对其他点为最大值；距离隧道进口280～1 180 m区间内各测点风速最值略有波动但基本稳定；而出口段(距进口 1 180～1 360 m)内测点风速最值较之前有所降低。

根据隧道内活塞风形成机理，活塞风压力是构成隧道内活塞风的根本原因。列车在隧道内运行时造成隧道内气压的不平衡，在列车前后方形成压差，即活塞风压力。在列车尚未完全进入隧道时，活塞风压力由车头增压和部分车身剪切力增压；车身完全进入隧道后，这一压差由3部分构成，即车头推动力增压、车身剪切力增压和车尾牵引力增压；出隧道的过程中，车头推动力增压消失，活塞风减弱。因此隧道内列车风特性与列车长度有直接关系，根据本文计算设定的列车长度(150 m)判断，列车风沿纵向最大应为车头进入隧道150～250 m区段内。

3.2 纵向分布特性

列车完全进入隧道后，在隧道内形成稳定的活塞风，列车前方、列车与隧道壁之间的环隙空间、列车后方列车风也相对稳定。当列车车身完全进入隧道后，轨面以上1.5 m的水平面内流场风速分布情况如图5和6所示。由图5和6可知：

(1) 列车头部风速梯度变化很大，紧靠列车头鼻位置风速接近于列车速度，前方随着与列车距离增大风速迅速减小。

(2) 列车与隧道环隙空间内气流由车头流向车尾，对比同一工况两侧疏散通道内风速，近列车一侧环隙流速比远列车一侧略小，风速等值线较为平直，环隙空间内列车风沿纵向基本稳定。

(3) 列车车尾的风速存在涡流，即车尾正后方风速很大且流向尾部，风速方向急剧变化，车尾近疏散通道一侧处于涡流的边缘区域，风向也有较大变化，环隙与列车后方气流均流向列车尾部负压区，列车后方列车风沿隧道纵向分布范围较长。

3.3 横向分布特性

在进行理论分析时，一般可将隧道、列车环隙空间内空气的流动简化为Couette湍流流动和Poiseuille湍流流动。Poiseuille型粗糙区湍流速度剖面为完整抛物线，典型的 Couette湍流其速度剖面仅为二分之一抛物线，将二者叠加即得环隙速度剖面。但是这一理论存在诸多简化，用数值计算的方法对这一问题进行分析，将可以得到环隙空间内任一位置流场速度的精确值。列车与隧道壁之间的环隙空间流场典型的速度分布图如图7所示。

分析列车车身中间断面(距离车头、车尾均为75 m)上列车风风速情况。图8和9所示为该断面上与轨面不同距离水平线上合速度、纵向速度剖面。从图8和9可以看出：计算结果与环隙湍流流速分布的理论分析有着较好地吻合。并能得出以下结论：

(1) 紧贴列车壁存在较薄的边界层，在边界层内风速梯度很大，表现在图上为近乎竖直的流速快速变化段，与列车壁距离趋近于0 m时，流速等于列车运行速度，随着距离增大流速迅速减小至0 m/s，距离进一步增大则流速转向与列车相反反向并逐渐增大。车身中部曳流层厚度约25 cm。

(2) 比较同一位置气流的合速度和纵向速度可知，二者在数值上基本相等，这说明环隙空间内气流流速有着明显的一维特性。

(3) 近列车一侧环隙空间最大风速约9.6 m/s，远列车一侧环隙空间最大风速12.2 m/s。

图5 距轨面1.5 m水平面上列车风风速分布(vmag/(m·s-1))Fig. 5 Wind speed distribution map in horizontal plane 1.5 m up away from top of rails

图6 距轨面1.5 m水平面上列车风纵向风速分布(vx/(m·s-1))Fig. 6 Longitudinal wind speed distribution map in horizontal plane 1.5 m up away from top of rails

图7 环隙列车风横断面分布(纵向风速)Fig. 7 Cross section diagram of train wind in Annulus space between train and tunnel (longitudinal speed)

图8 距轨面不同高度风速横向分布Fig. 8 Horizontal distribution of wind speed in different height from top of rails

图9 距轨面不同高度风速横向分布Fig. 9 Horizontal distribution of wind speed in different height from top of rails

4 疏散通道内列车风分布特性及人员安全性

4.1 轨侧疏散通道内列车风分布特性

根据隧道断面尺寸设计，在线路两侧设有宽1.25 m×2 m的轨侧疏散通道，通道边线与列车壁的距离分别为0.5和1.75 m。为了确定隧道内人员在从轨侧疏散通道疏散时，运行列车产生的列车风是否会影响疏散人员安全，有必要对疏散通道范围内风速大小及流向进行分析。图10和11所示为t=4.5 s时，隧道两侧疏散通道内与列车壁不同距离的风速对比。根据图10和11，可以得出轨侧疏散通道内风速分布规律：

(1) 就近列车一侧通道内风速而言，车尾段＞车头段＞车身段，通道内最大风速约17.2 m/s。

(2) 就远列车一侧通道内风速而言，车身段＞车尾段＞车头段，通道内最大风速约为12.4 m/s。

(3) 对于近列车一侧，同一水平面上距离列车壁不同距离处，列车风风速有较大差别，对于远列车一侧，同一水平面上距离列车壁不同距离处，列车风风速基本相等。

(4) 车尾负压区风速最大，为整个区段内列车风最不利位置，对人员安全影响最大。

结合本文3.2节，近列车侧环隙最大流速略小于远列车侧环隙流速。根据对环隙列车风流场的理论分析，近列车侧空间沿隧道径向尺寸较小，动壁曳流流速梯度大，而压差湍流流动未充分发展，在远列车一侧，径向尺寸较大，动壁曳流流速梯度变小，而压差湍流流动充分发展，因此出现上述结论。

图10 与列车壁不同距离列车风风速对比(近列车侧)Fig. 10 Contrast of wind speed in different distance from train (side near train)

图11 与列车壁不同距离列车风风速对比(远列车侧)Fig. 11 Contrast of wind speed in different distance from train (side away from the train)

4.2 轨下疏散通道内列车风分布特性

当轨侧疏散通道内因风速太大等原因不适合人员行走时，人员可通过通道口进入轨下疏散通道。通道口设置在线路中线位置，距离两侧线路的距离较近，有必要对该位置空气流速进行分析。在距离洞口 180 m位置通道口设置测点，通道口风速以竖向为主，测点风速变化过程如图12所示。

由图12可以看出：车头经过通道口时，在车头推动力增压作用下，通道口风速竖直朝下，最大风速9.9 m/s，空气由隧道流向轨下疏散通道内；车尾经过时，由于车尾负压，通道口风速竖直朝上，最大风速11.8 m/s，空气由轨下疏散通道流向隧道内。比较曲线的正、负峰值可知：相对于车头，车尾经过通道口时列车风风速略大。统计列车经过隧道内每个通道口时，通道口和通道内的风速极值情况如表3所示。

4.3 疏散通道人员安全性判断

图12 轨下疏散通道口列车风风速变化曲线Fig. 12 Train wind speed time-history curve at entrance of passage under rails

表3 轨下疏散通道风速分布Table 3 Wind speed in evacuation passage under rails

国外对高速列车附近人员的安全距离都有规定，国内目前还没有制定这方面的标准。本文参照英国标准，以16.9 m/s风速作为隧道内人员安全距离[13]。根据这一标准，CRH2流线型车时速200 km/h运行时，轨侧疏散通道内最大风速达到 17.2 m/s，超过 16.9 m/s，人员从轨侧疏散时会发生危险。

从表3可以看出：时速CRH2流线型车200 km运行时，疏散通道口最大风速约15.2 m/s，疏散通道内风速9.5 m/s。根据16.9 m/s标准判断，CRH2流线型车以200 km/h速度运行时，轨下疏散通道口及通道内均满足安全要求。但鉴于疏散通道口风速仍然较大(15 m/s左右)，且距离列车壁很近，建议在疏散通道口设置防护栏等必要的保护设施。

5 结论

(1) 列车在车体完全进入隧道后的短时间内，列车风达到整个过程中的最不利时刻。如对于150 m长列车，该位置为距离隧道进口150～250 m范围内。

(2) 车头处风速梯度很大，在车头侧面空间内出现转向，由与列车运行方向相同变为相反。环隙空间内风速分布为典型的Couette湍流流动和Poiseuille湍流流动的叠加，除列车壁附近薄层动壁曵流与列车同向，其他位置气流均与列车运行方向相反，流向车尾负压区。

(3) 车尾负压区风速最大，为整个区段内列车风最不利位置，因而对于隧道内人员来说，车尾经过时为最危险时刻。

(4) CRH2流线型车以200 km/h速度运行时，轨侧疏散通道最大风速17.2 m/s，轨下疏散通道口最大风速15.2 m/s，疏散通道内最大风速9.5 m/s，人员疏散可从轨下疏散通道进行，或者在轨侧采取必要的工程措施保障人员安全。

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