地铁中间风井前变速运行对乘客舒适性影响

杨波，施柱，那艳玲，熊小慧，朱亮，何钊

(1.中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙410075；2.轨道交通安全关键技术国际联合研究实验室，湖南 长沙410075；3.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲412001；4.中国铁路设计集团有限公司，天津300308)

地铁隧道中间风井的设置是为了满足火灾时降低次生灾害的排烟需求。但是随着地铁列车运行速度的提高，地铁隧道内空气动力效应逐渐凸显。地铁列车通过中间风井时，车速达到120 km/h后乘客出现耳鸣和耳痛等身体不适感。主要原因是地铁列车阻塞比较大，当列车遇到隧道截面突变时，产生的压缩波和膨胀波会在隧道内不断传播、反射，产生较大的压力波动[1]。当地铁列车高速通过隧道中间风井时，相当于重新进入隧道洞口，产生的压力波动非常剧烈。地铁列车车体的非密封性导致压力波快速传入，引起乘员舒适性严重降低，因此有必要对地铁列车通过中间风井的气动效应进行研究。国内外相关学者对列车/隧道空气动力学效应开展了数值仿真研究。CHEN等[2−3]对列车由明线驶入洞口的全过程进行了数值模拟，结果表明列车头尾部进入隧道洞口时将产生压缩波和膨胀波，并在隧道内不断扩散和反射，造成严重的压力波动。WANG等[4−5]通过数值仿真手段发现地铁列车阻塞比对隧道内压力波动有着重要的影响。HOWE[6]利用精确声学格林函数，将隧道视为无限长圆柱体并计算出列车与隧道的相互作用，得到了压力与列车车速及阻塞比之间的关系。KE等[7]采用动网格技术研究了列车在带有中间风井的地铁隧道内运行时的活塞效应。人体舒适性方面，列车速度、隧道断面和中间风井是影响地铁内外压力波动的关键参数。许利深[8]通过实车实验，对深圳地铁11号线列车车内压力进行测试，分析列车客室内压力变化情况，并针对压力超标问题提出了改善措施。胡锦琳等[9]对现有地铁乘员舒适性影响因素进行研究，从平顺性、静谧性和环境质量等方面，提出了改善乘员舒适性的措施。国内外学者关于隧道中间风井研究主要集中在风井截面积和风井位置等参数变化对列车气动效应的影响。对于地铁列车在隧道内变速运行的研究相对较少，尤其是列车在中间风井处变速时的气动性能没有见到相关报道，因此关于地铁列车在风井处变速时不同参数对车内外压力的影响规律急需研究和解决。

1 控制方程

地铁列车在隧道内运行时产生的流场比较复杂，隧道内空气表面为不规则的湍流状态。为解决这种非稳态和涡旋流动，同时保证计算精度，采用三维、可压和非定常雷诺时均方程及k-ε方程进行数值模拟。

2 计算模型及参数

采用某型8车编组地铁列车作为研究对象，并对车体表面微小零部件进行简化处理，如图1(a)所示，具体尺寸为：车宽w=3.0 m，车高H=3.8 m，车长187.4 m，列车截面积Av=9.635 m2，隧道截面如图1(b)所示，盾构直径5.4 m，对应的隧道面积分别为21.3 m2，对应的阻塞比为0.452。隧道长度为3 km，风井截面积为4 m×4 m，风井高度15 m，如图1(c)所示。

图1 数值计算模型Fig.1 Computational model

图2 为地铁列车在隧道中运行时的计算区域示意图。地铁列车在隧道内运行的距离为3 km，中间风井设置在隧道中部，即距离列车启动位置1.5 km处。由于地铁隧道内部比较复杂[10]，本文在建模时对隧道内部进行了简化。在计算过程中，为了防止隧道内流体发生阻塞效应[11−13]，在隧道两端分别增加1 km，并在隧道出入口设置为压力远场。如图2所示。

图2 计算区域Fig.2 Computational domain

3 计算结果及分析

3.1 计算结果与试验结果比较

根据KIM等[14]的变速试验模型进行建模，讨论列车变速时不同网格密度对计算结果的影响，分别使用A，B和C 3套网格，3套网格的数量分别约为300万，500万和800万。文献中的模型试验如图3所示[14]，采用1/20缩比，列车截面积为矩形，其中隧道长39 m，高×宽为250 mm×210 mm车体长×宽×高为3 m×225 mm×156 mm。分别在距隧道入口8.5，15.5，23.5和30.5 m布置4个压力监测点。将不同网格密度下测点压力系数与文献试验结果进行比较，如图4和表1所示。其中Cp表示压力系数，ΔCp表示压力系数峰值。

图3 试验布置图Fig.3 Schematic diagram of experimental layout

从图4和表1可以看出，不同计算网格模型下测点压力系数与KIM等[14]试验结果吻合较好。对比3套网格的仿真结果，发现采用最稀疏的网格(A网格)和最密的网格(C网格)时，测点压力系数最大相差1.17%，且网格越密集，与文献试验结果差异越小。差异最大处为7～11 s段，存在差异的主要原因是本文的模型与对比试验间存在离地间隙不同误差，因为KIM等[14]试验中没有给出模型与轨道之间的间隙；其次，湍流模型对湍流流动的简化也会产生少量误差。以下的计算均采用较密的网格以保证计算结果的精度。

图4 网格无关性验证Fig.4 Mesh size independence verification

表1 隧道内测点压力系数对比Table 1 Comparison of pressure coefficient of PT 2 measuring point in the tunnel

3.2 不同变速下车体外表面压力比较

图5 给出了当地铁列车在隧道内以120 km/h匀速运行，以及列车在中间风井处变速运行，车速由120 km/h降至110 km/h和100 km/h，离鼻尖距离沿车长方向上与车体表面压力峰峰值变化规律对比。从图5中可以看出：

图5 不同车速下车体表面压力峰峰值与测点距鼻尖距离关系Fig.5 Comparison of peak-to-peak pressure of measuring points on vehicle surface with different speeds

1)地铁列车在隧道内以不同车速运行时，车体表面各测点压力变化趋势一致，列车车体表面测点压力峰峰值均由头车至尾车方向呈上升趋势。

2)列车在中间风井处变速时，变速车速与车体表面测点压力峰峰值呈正比。降速后的车速越小，车体表面产生的压力波动越小。

3)变车速对地铁头车影响最大，对尾车测点压力影响最小。当地铁列车在隧道中间风井前后100 m位置变速时，车体表面测点最大压力峰峰值分别较列车在中间风井前200 m和300 m位置变速时测点压力峰峰值大4.68%和6.46%。

3.3 加速度对列车表面压力影响

在隧道中间风井前后200 m位置变速，车速由120 km/h降低至100 km/h，变速时加速度分别取±1，±1.2和±1.5 m/s2。列车在隧道中间风井处变速方式示意图如6所示。

为分析不同加速度对车体表面压力的影响，选取头车车厢中部和尾车车厢中部的压力时程曲线进行对比，如图7所示。

图7 是地铁列车在中间风井前200 m以不同加速度运行对比图，其中①表示列车减速位置；②表示列车经过中间风井位置。头车车厢中部测点压力峰峰值变化最小，3种加速度对应的压力峰峰值分别为375，392和418 Pa；尾车车厢中部测点压力峰峰值变化最大，3种加速度对应的压力峰峰值分别为853，881和887 Pa。车体表面最大压力峰峰值均出现在尾车，并且列车在中间风井前200 m位置变速，车速由120 km/h降低至100 km/h，制动加速度为−1.5 m/s2时，测点压力峰峰值变化最大。

图7 地铁列车在中间风井前200 m以不同加速度运行对比Fig.7 Comparison of subway train running with different accelerations at 200 m in front of the middle air shaft

图6 列车在中间风井处变速运行方式Fig.6 Operation mode in the middle air shaft

3.4 乘员舒适性分析

车内压力变化主要受车外压力变化率和幅值、整车气密性和车体刚度决定，其中整车气密性对车内压力波动影响最大，是决定车内乘员舒适性的主要因素之一。

3.4.1 舒适性评估标准

地铁列车运行时，各节车厢都会产生较大的压力波动，并且头车和尾车车厢压力波动大于其他车厢。因此选取头、尾车车厢中部测点为研究对象，并将头、尾车车厢内的压力变化作为评判人体舒适性是否符合要求的指标。

根据公式(1)得出在不同密封指数下，车厢内压力波动曲线[15]。

其中：Pi为车内部压力；Pe为车外部压力；τ为时间常数。图8为不同车速时车内3 s内压力变化对比。120 km/h分别为110 km/h和100 km/h时车内3 s压力变化值最大降幅可达20.13%和39.25%。由此可见，列车在中间风井前降速时能明显提高车内乘员舒适性。降速至100 km/h后车内3 s内压力变化符合要求人耳舒适度要求，小于800 Pa/3 s[16]。

图8 不同车速时车内3 s内压力变化对比Fig.8 Comparison of pressure variation within 3 s in vehicle with different speeds

3.4.2变速位置对车内压力变化影响

图9 ～11为地铁列车在中间风井前不同位置变速时，头车和尾车车厢中部测点压力变化曲线及其所对应位置车厢内压力变化曲线。不同位置变速时，车内压力变化和变速位置呈线性关系，随着变速位置的增大，车内压力逐渐增大。车速由120 km/h降低至100 km/h时，变速位置和车内压力变化呈线性关系，随着变速位置的增大，车内压力逐渐增大。变速位置为300 m时分别比变速位置为100 m和200 m时车内压力变化少10.72%和5.07%。

图9 不同密封指数车厢内压力变化曲线(100 m)Fig.9 Pressure variation in coach with different seal index(100 m)

图10 不同密封指数车厢内压力变化曲线(200 m)Fig.10 Pressure variation in coach with different seal index(200 m)

图11 不同密封指数车厢内压力变化曲线(300 m)Fig.11 Pressure variation in coach with different seal index(300 m)

因头车和尾车车厢内压力变化率和3 s内压力变化较其他车厢大，将其压力变化率和3 s内压力变化作为评判压力舒适性,符合要求的指标。表2列出了列车在中间风井前后不同位置变速时，车内压力变化。

表2 不同动态气密指数车内压力变化率和3 s内压力变化对比Table 2 Comparison of pressure change rates between 3 s and different sealing index

4 结论

1)地铁列车在隧道中间风井前降速，车内压力变化率和3 s内压力变化均小于列车惰性运行通过中间风井时对应车内压力变化率和3 s内压力变化，并且降速后车速越小，列车经过中间风井时车内压力变化越小。车速由120 km/h降低至100 km/h，变速位置为300 m时分别比变速位置为100 m和200 m时车内压力变化少10.72%和5.07%。

2)地铁列车在隧道中间风井前100 m位置变速，车速由120 km/h降低至110 km/h时，车体表面测点最大压力峰峰值分别比地铁列车在中间风井前后200 m和300 m位置变速时测点压力峰峰值大4.68%和6.46%。

3)参照国内外人耳压力舒适性标准(800 Pa/3 s)，建议列车在中间风井前200 m以上减速至100 km/h以下，能明显缓解通过风井时车内压力波动，满足车内乘员舒适性要求。