隔墻對城際鐵路地下車站壓力波的影響

方 誼 王宏林 畢海權

隔墻對城際鐵路地下車站壓力波的影響

方 誼 王宏林 畢海權

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

為了研究在城際鐵路地下車站設置隔墻對列車越行時產(chǎn)生的壓力波的影響，以某城際鐵路地下車站的建筑結構為參考，對設置隔墻和不設置隔墻的工況進行了對比分析。首先使用CFD軟件建立了數(shù)值計算模型，并通過對比不同網(wǎng)格尺寸的數(shù)值模擬結果驗證了網(wǎng)格尺寸對本文數(shù)值計算的無關性；然后分析了設置隔墻后列車高速通過車站時車身不同位置處的壓力變化；最后對比了設置隔墻的計算工況和不設置隔墻的工況在隧道內(nèi)、咽喉區(qū)以及屏蔽門處測點的壓力幅值變化。研究結果表明：車站內(nèi)設置隔墻后，列車在通過地下車站時車身的壓力幅值會增加，正壓幅值可增加792 Pa；在車站內(nèi)設置隔墻對隧道內(nèi)的壓力動態(tài)變化基本無影響；咽喉區(qū)處正壓幅值變化較小，負壓幅值變化較大，有隔墻工況比無隔墻工況最多增加96.69%；屏蔽門處壓力幅值波動較大，正壓幅值相較無隔墻工況增大132.4%，負壓幅值增大121.7%。

空氣動力學；地下車站；隧道；屏蔽門；隔墻

0 引言

近年來，越來越多的城市規(guī)劃或修建了地下高鐵車站或城際車站，不同于地上車站，地下車站由于內(nèi)部空間封閉，會產(chǎn)生很多地上車站沒有的空氣動力學問題。在高速列車從外界駛入隧道并通過地下車站的過程中，列車車頭在隧道入口會產(chǎn)生一個壓縮波，并且以當?shù)芈曀傧蛩淼莱隹趥鞑?，到達隧道出口時由于空間突然變大，壓縮波會在隧道出口處轉換成膨脹波沿反方向以當?shù)芈曀傧蛩淼廊肟趥鞑?；列車車尾在進入隧道時產(chǎn)生的膨脹波也會以同樣的速度傳播到隧道出口，并轉換成壓縮波沿反方向傳播回隧道入口[1]。這些壓縮波和膨脹波在隧道內(nèi)來回傳播，就形成了隧道內(nèi)的壓力波。國內(nèi)外學者對于壓力波已經(jīng)做了很多研究，國外學者UYSTEPRUYST等[2]提出了一種計算高速列車隧道氣動效應的三維數(shù)值模擬方法，節(jié)省了計算時間。CROSS等[3]通過數(shù)值模擬計算研究了改變阻塞比對列車通過隧道時的壓力波的影響。KHAYRULLINA等[4,5]采用大渦模擬（LES）方法，求解了三維可壓縮湍流的非定常RANS方程和能量方程，使用動態(tài)網(wǎng)格技術研究了地鐵隧道和車站內(nèi)的列車運動，分析了列車周圍的瞬態(tài)流場。國內(nèi)學者梅元貴等[6,7]對初始壓縮波形成機理和長大隧道壓力波進行了研究，李人憲等[8]對單車過隧道和隧道內(nèi)會車壓力波進行了探討。相較于對隧道內(nèi)的壓力波的研究，現(xiàn)階段對地下車站壓力波的研究還是較少。地下車站由于結構復雜，對于屏蔽門和隧道內(nèi)結構（例如隔墻）等的承壓限制有更高的要求。本文以某地下城際車站為參考，通過數(shù)值模擬方法建立計算模型，研究了在地下車站咽喉區(qū)及車站設置隔墻后隧道及車站內(nèi)的壓力波變化規(guī)律，希望能為未來地下車站的結構設計提供理論依據(jù)。

1 計算方法

1.1 控制方程

列車在隧道內(nèi)運行時，隧道內(nèi)的空氣流動是三維、粘性、可壓縮、非定常的湍流流動。通用控制方程如下所示[9]：

使用基于雷諾時均-方程（Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) equations）[10,11]的Realizable K-Epsilontwo-layer湍流模型來對隧道內(nèi)的空氣流動進行模擬。在本研究中，當使用動態(tài)網(wǎng)格技術對列車運動進行模擬時，流場控制方程中需要考慮網(wǎng)格運動對氣流的影響，則通用控制方程可表示為如下形式：

式中，U為遷移速度，其他符號同前。

1.2 計算模型

本文以某地下城際車站建筑結構為參考，建立了在咽喉區(qū)及車站設置隔墻和未設置隔墻兩種數(shù)值計算模型，圖1為設置了隔墻的隧道—車站—隧道計算模型總體示意圖，無隔墻工況計算模型除了不設置隔墻以外，結構尺寸與有隔墻工況計算模型保持一致。設置隔墻工況的數(shù)值計算模型中包括小里程端隧道、小里程端咽喉區(qū)、車站站房、車站屏蔽門、大里程端咽喉區(qū)以及大里程端隧道等結構。數(shù)值計算模型中的小里程端的隧道長度為1750m，大里程端的隧道長度為200m，均為雙線隧道，隧道凈空面積約為103.3m2；車站兩側咽喉區(qū)長度均為137m，中間被隔墻分隔，小里程端咽喉區(qū)隔墻兩側凈空面積約為70m2～245.1m2；車站有4條單線隧道，依次為上行到發(fā)線隧道、上行越行線隧道、下行越行線隧道和下行到發(fā)線隧道，各隧道線凈空面積均為41m2左右；大里程咽喉區(qū)長度為137m，凈空面積約為245m2～70m2；大里程端隧道同為雙線隧道，長度為210m。在小里程端隧道口和大里程端隧道口分別設置了空氣計算域。

圖1 設置隔墻的車站計算模型總體示意圖

如圖2所示，車站內(nèi)部共有四條線路，中間正線被巖墻分隔為兩個隧道，兩側為到發(fā)線隧道。隔墻兩側為兩個站臺區(qū)域，均設置全封閉屏蔽門，屏蔽門均為關閉狀態(tài)。

圖2 設置隔墻的車站計算模型內(nèi)部示意圖

列車計算模型以標準CRH6型動車組列車外形為參考，忽略轉向架、受電弓、車體連接部位等細部結構，建立有一定表面粗糙度的光滑車體模型。如圖3所示，列車模型長度為210.4m，橫截斷面積為12.738 m2。數(shù)值計算過程中列車從列車小里程端隧道外啟動，以160km/h的速度駛入隧道并越行通過車站。

圖3 列車計算模型

圖4為本文計算模型所設置的壓力監(jiān)測點，其中小里程端隧道測點分別設置于距隧道入口處10m、200m、850m、1550m及1740m處；咽喉區(qū)測點分別設置于咽喉區(qū)凈空面積為80m2、162m2及244m2處；屏蔽門處測點分別設置于距車站中心里程-100m、-75m、-50m、-25m、0m、25m、50m、75m及100m處；大里程端隧道內(nèi)測點分別設置于距隧道出口200m、100m及10m處。

圖4 隧道及車站測點布置示意圖

1.3 網(wǎng)格無關性驗證

為了排除網(wǎng)格劃分對于計算結果的影響，本節(jié)分別以三種不同的網(wǎng)格基礎尺寸對數(shù)值模型的計算區(qū)域進行了劃分，具體各個區(qū)域的網(wǎng)格基礎尺寸如表1所示。

Talbe 1 Mesh size parameters of different calculation areas

表1 不同計算區(qū)域網(wǎng)格尺寸參數(shù)

圖5 網(wǎng)格無關性驗證結果對比

以小里程端隧道內(nèi)距隧道入口10m處測點數(shù)據(jù)為例，對比以上三種工況下的計算結果，結果如圖5所示。工況1、工況2和工況3下所得到的初始壓縮波幅值分別為392Pa，411Pa，415Pa，以工況2數(shù)據(jù)為基準，工況1和工況3與工況2的誤差分別為-4.6%和0.97%?？梢钥闯觯煌叽绲木W(wǎng)格劃分方式對數(shù)值模型的計算結果影響較小。

2 計算結果及分析

2.1 列車車身處壓力動態(tài)變化分析

列車通過隧道時會產(chǎn)生連續(xù)變化的隧道壓力波，在隧道壓力波的作用下，列車受到的氣動作用力也要發(fā)生改變。為了研究設置隔墻后對于列車受到的氣動作用力的變化，分別在列車的車頭鼻尖、車尾鼻尖和車身中心位置處表面設置了壓力測點。圖6為列車在隧道內(nèi)運行時車頭及車尾處的壓力變化分析，圖中上部分為車頭鼻尖處測點的壓力動態(tài)變化曲線，中間部分為隧道內(nèi)壓力波傳播軌跡及列車運動軌跡圖，底部為車尾鼻尖處測點壓力動態(tài)變化曲線。在壓力波傳播軌跡及列車運動軌跡圖中，藍色和紅色實線分別表示列車車頭和車尾的運動軌跡；來回反射的實線和虛線分別表示隧道內(nèi)來回反射的壓縮波和膨脹波，其中黑色的線表示列車車頭產(chǎn)生的初始壓縮波反射引起的壓力波動，紅色的線表示列車車尾產(chǎn)生的初始膨脹波反射引起的壓力波動。從圖6可以看出，在點8之前，設置隔墻的計算工況中列車車頭及車尾壓力變化曲線和未設置隔墻的計算工況中基本一致，而在點8之后兩種工況的車身處壓力幅值產(chǎn)生了較大的變化，這是因為點8處恰好為列車車頭到達小里程端咽喉區(qū)起點處（即隔墻起點處），在設置隔墻后，咽喉區(qū)凈空面積會減小，因此點8車頭到達此處時正壓會明顯增大，而當車尾到達小里程咽喉區(qū)起點處，由于凈空面積突然減小的原因，也出現(xiàn)了負壓增大的現(xiàn)象?？梢钥闯?，設置隔墻后列車運行到設置隔墻區(qū)域是車頭處壓力的變化幅度明顯大于未設置隔墻時的車頭處壓力變化，其中設置隔墻工況的正壓幅值比未設置隔墻的工況增加437Pa；車尾處測點的壓力變化規(guī)律與車頭處類似，在設置隔墻區(qū)域，設置隔墻的工況中車尾處負壓幅值比未設置隔墻的工況增加577Pa。

圖6 車頭及車尾鼻尖處壓力動態(tài)變化分析

圖7為車身中點處壓力動態(tài)變化曲線圖，可以看出，在列車到達咽喉區(qū)之前，設置隔墻的工況和未設置隔墻的工況車身中點處壓力變化規(guī)律基本一致，壓力幅值也基本一致；當列車在咽喉區(qū)及車站區(qū)域運行時，設置隔墻的工況車身中點處的負壓幅值比未設置隔墻的工況增加了792Pa。

圖7 車身中點處的點壓力動態(tài)變化曲線

2.2 隧道內(nèi)壓力波傳播規(guī)律分析

為了研究在咽喉區(qū)及車站內(nèi)設置隔墻后隧道內(nèi)的壓力變化規(guī)律，對距離小里程端隧道入口處10m、850m以及距離大里程端隧道出口處200m處的壓力變化進行分析。列車在進入隧道時所產(chǎn)生的初始壓縮波和膨脹波是隧道內(nèi)壓力波動的主要原因之一，圖8所示為列車通過距隧道入口10m處的位置的過程中所產(chǎn)生的壓力變化，列車通過該位置處過程中壓力變化僅受到初始壓縮波和膨脹波的影響，不受反射波的影響。圖中可以看出，咽喉區(qū)及車站內(nèi)設置隔墻對初始壓縮波和膨脹波的變化沒有影響。

圖8 距隧道入口10 m處測點壓力動態(tài)變化曲線對比

當列車完全進入隧道內(nèi)后，由于初始壓縮波和膨脹波在隧道內(nèi)來回反射，所以隧道內(nèi)各處均產(chǎn)生了壓力變化。圖9為距小里程端隧道入口850m處的壓力動態(tài)變化曲線，由圖中可知，在設置隔墻后，該位置處的壓力變化規(guī)律與不設置隔墻的工況基本一致，正壓幅值和負壓幅值也和不設置隔墻的工況差別較小。

圖9 距隧道入口850m處測點壓力動態(tài)變化曲線

圖10為距大里程端隧道出口200m處的壓力動態(tài)變化曲線，在設置隔墻后，該位置處的壓力變化規(guī)律與不設置隔墻的工況也基本一致，正壓幅值和負壓幅值也和不設置隔墻的工況差別較小。綜上可知，在咽喉區(qū)內(nèi)及車站設置隔墻后對于隧道內(nèi)位置的壓力變化影響較小。

圖10 距隧道出口200 m處測點壓力動態(tài)變化曲線

2.3 咽喉區(qū)及屏蔽門壓力幅值變化分析

為了研究設置隔墻后咽喉區(qū)內(nèi)的壓力變化規(guī)律，分析了咽喉區(qū)內(nèi)凈空面積為80m2處的壓力變化。圖11為兩種工況下該位置處壓力動態(tài)變化對比圖，可以看到，在列車車頭到達咽喉區(qū)之前，是否設置有隔墻對于咽喉區(qū)內(nèi)的壓力變化影響不大；但是在列車經(jīng)過咽喉區(qū)的過程中，設置隔墻的工況咽喉區(qū)處的壓力幅值明顯要比未設置隔墻的工況大。在列車通過咽喉區(qū)的過程中，設置隔墻的工況咽喉區(qū)內(nèi)凈空面積為80m2的正壓幅值為315Pa，負壓幅值為-750Pa，對比未設置隔墻工況，正壓幅值增加了314Pa，負壓幅值增加了372Pa。

圖11 咽喉區(qū)測點壓力動態(tài)變化曲線

圖12為設置隔墻的工況和未設置隔墻的工況咽喉區(qū)內(nèi)不同凈空面積處的壓力幅值對比。圖中可以看出，咽喉區(qū)及車站內(nèi)設置隔墻后，對于咽喉區(qū)內(nèi)不同位置處的正壓幅值影響較小，但是對于負壓幅值影響較大，最高可增加96.6%。

圖12 咽喉區(qū)各測點壓力幅值對比

為了研究咽喉區(qū)及車站內(nèi)設置隔墻后屏蔽門表面的壓力變化規(guī)律，分析了列車行駛隧道內(nèi)的屏蔽門表面的壓力幅值變化。圖13為不同工況下列車行駛隧道內(nèi)的屏蔽門表面不同位置處壓力幅值對比圖，可以看出，設置隔墻后對于屏蔽門上的壓力幅值有較大影響，距車站中心里程75m處的正壓幅值比未設置隔墻的工況增加了421Pa，增幅達到了132.4%；設置隔墻的工況車站中心里程處的負壓幅值比未設置隔墻的工況增加了736Pa，增幅達到了121.7%。由此可知，在咽喉區(qū)及車站內(nèi)設置隔墻后，由于列車經(jīng)過時的凈空面積減小，阻塞比增大，使得在列車經(jīng)過車站時的壓力幅值急劇升高，因此會對屏蔽門的承壓極限有更高的要求。

圖13 屏蔽門各測點壓力幅值對比

3 結論

基于CFD軟件對某城際鐵路地下車站是否設置隔墻進行了數(shù)值模擬，對比了設置隔墻和不設置隔墻兩種工況的計算結果，得到的主要結論如下：

（1）當咽喉區(qū)及車站設置隔墻后，列車通過地下車站過程中，列車車頭鼻尖處正壓幅值比未設置隔墻的工況增加了437Pa，車尾鼻尖處負壓幅值增加了577Pa，車身中點處負壓幅值增加了792Pa。

（2）咽喉區(qū)及車站設置隔墻后，列車通過地下車站過程中對于隧道內(nèi)壓力波動影響較小。

（3）設置隔墻后，列車通過地下車站產(chǎn)生的氣動效應對屏蔽門有很大影響，正壓幅值最大增加了132.4%，負壓幅值最大增加了121.7%。

[1] 李人憲.高速列車氣動影響[M].北京:中國鐵道出版社, 2016:80-89.

[2] UYSTEPRUYST D, WILLIAM-LOUIS M, CREUSE E, et al. Efficient 3D numerical prediction of the pressure wave generated by high-speed trains entering tunnels[J]. Computers & Fluids, 2011,47(1):165-177.

[3] CROSS D, HUGHES B, INGHAM D, et al. A validated numerical investigation of the effects of high blockage ratio and train and tunnel length upon underground railway aerodynamics[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2015,146:195-206.

[4] KHAYRULLINA A, BLOCKEN B, JANSSEN W, et al. CFD simulation of train aerodynamics: Train-induced wind conditions at an underground railroad passenger platform[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2015,139:100-110.

[5] IZADI T, MEHRABIAN MA, ABOUALI O, et al. 3-D numerical analysis of train-induced flow inside four ventilated underground subway stations and connecting tunnels[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019,193:103974.

[6] 梅元貴,王瑞麗,許建林,等.高速列車進入隧道誘發(fā)初始壓縮波效應的數(shù)值模擬[J].計算力學學報,2016, 33(1):95-102.

[7] 周丹.長大隧道、隧道群空氣動力效應算法研究及應用[D].長沙:中南大學,2007.

[8] 李人憲,袁磊.高速列車通過隧道時的壓力波動問題[J].機械工程學報,2014,50(24):115-121.

[9] 趙有明,馬偉斌,程愛君,等.高速鐵路隧道氣動效應[M].北京:中國鐵道出版社,2012.

[10] HWANG C C, EDWARDS J C. The critical ventilation velocity in tunnel fires-a computer simulation[J]. Fire Safety Journal, 2005,40(3):213-244.

[11] MIKUZ? B, SHAMS A. Assessment of RANS models for flow in a loosely spaced bare rod bundle with heat transfer in low Prandtl number fluid[J]. Annals of Nuclear Energy, 2019,124:441-459.

Influence of Partition Wall on Pressure Waves of Intercity Railway Underground Station

Fang Yi Wang Honglin Bi Haiquan

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031)

To study the influence of the partition wall on the pressure wave when the intercity train passes through the underground station, taking the building structure of an underground intercity railway station as a reference, the working condition with partition wall and the working condition with non-partition wall are compared and analyzed. Firstly, the computational model is established by using CFD software, and different grid sizes are set to verify that the grid size has nothing to do with the calculation; secondly, the pressure changes of the train body when the train passes through the station at a high speed after the partition wall is set; finally, the pressure amplitude changes of the measuring points in the tunnel, throat area and platform screen door under the calculation condition with and without partition wall are compared. The results show that: after the partition wall is set in the station, the train body's pressure amplitude will increase, and the maximum positive pressure amplitude can increase by 792 Pa. The results show that there is no influence on the dynamic change of pressure in the tunnel when the partition wall is set in the station; the amplitude of positive pressure in the throat area changes little, while the amplitude of negative pressure changes greatly, and the pressure amplitude with partition wall increases by 96.69% compared with that without partition wall; the pressure amplitude at the platform screen door fluctuates greatly, and the maximum positive pressure amplitude increases by 132.4% compared with that without partition wall, and the maximum negative pressure amplitude increases by 121.7%.

Aerodynamics; Underground station; Tunnel; Platform screen door; Partition wall

1671-6612（2021）03-395-06

U292.91+4/U453.4

A

國家自然科學基金青年科學基金（51808460）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（2682019CX32）

方 誼（1994-），男，在讀碩士研究生，E-mail：fy21@foxmail.com

畢海權（1974-），男，博士，教授，E-mail：bhquan@163.com

2021-01-04