列車越行時活塞風(fēng)作用下氣流分布分析

賴曉龍 畢海權(quán) 劉 金 李桂萍

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031；2.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 天津 300308）

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，以及京津城際、京滬高鐵、西成客專等具有標(biāo)志性意義的高鐵線路建成運行，一系列成果獲得舉世矚目的關(guān)注[1]。據(jù)統(tǒng)計，截止2020年8月，全國鐵路運營里程達(dá)到14.14 萬公里，其中高速鐵路運營里程已達(dá)到3.6萬公里以上。同一時間，《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》正式發(fā)布，綱要明確，到2035年，全國鐵路網(wǎng)運營里程達(dá)到20 萬公里左右，其中高鐵7 萬公里左右[2]。與此同時，城市地上可用空間資源不斷減少，地下車站因能極大程度上節(jié)省土地資源，改善城市交通狀況，受到社會各界的廣泛關(guān)注[3]。屏蔽門開啟列車越行時，會導(dǎo)致隧道內(nèi)的活塞風(fēng)經(jīng)屏蔽門進(jìn)入站臺，進(jìn)一步加重站內(nèi)熱環(huán)境控制的能耗。有研究表明，站內(nèi)熱環(huán)境控制所需的能耗在整個車站能耗占比中有很大的貢獻(xiàn)[4]。并且，一側(cè)列車靠站屏蔽門開啟另一側(cè)列車越行時也對乘客上下車造成一定的安全隱患[5]。

目前，列車活塞風(fēng)所造成的站內(nèi)空氣流動影響的研究主要集中于地鐵車站，相關(guān)的地下綜合交通樞紐類車站研究較少，主要的研究方法包括現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬和理論分析等。齊江浩通過現(xiàn)場測試對隧道活塞風(fēng)特征進(jìn)行分析[6]，崔景東、黃鵬及楊暉等學(xué)者通過數(shù)值模擬研究了活塞風(fēng)對車站站內(nèi)環(huán)境的影響[7-9]，羅忠等學(xué)者對隧道活塞風(fēng)的理論計算及影響因素進(jìn)行了分析[10]。但在列車活塞風(fēng)及室內(nèi)熱壓綜合作用下，屏蔽門開啟時站內(nèi)與軌行區(qū)之間的空氣流動特性并不清晰，其空氣交換量也不明確，導(dǎo)致一些地下車站設(shè)計中關(guān)于活塞風(fēng)量的影響也僅僅是選取經(jīng)驗值，不利于車站的節(jié)能降耗。因此，本文以地下綜合交通樞紐車站為研究對象，利用CFD 軟件研究一側(cè)列車靠站屏蔽門開啟另一側(cè)列車越行時所引起的活塞風(fēng)對站內(nèi)氣流分布的影響。

1 數(shù)值方法

1.1 控制方程

利用CFD 軟件研究一側(cè)列車靠站屏蔽門開啟另一側(cè)列車越行時所引起的活塞風(fēng)對站內(nèi)氣流分布的影響。實際中站內(nèi)環(huán)境及軌行區(qū)空氣流動是三維、非穩(wěn)態(tài)、可壓縮的湍流流動，由于列車周圍誘導(dǎo)氣流的速度小于0.3Ma，計算中可將流場視作不可壓縮流動?；赗eynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)[11]方程的k-ε湍流模型來求解空氣流動，其控制方程為：

（1）連續(xù)性方程

（2）動量方程

（3）能量方程

（4）湍動能k方程

（5）湍動能耗散率ε方程

（6）理想氣體狀態(tài)方程

上述各式中：patm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，ρ為密度，Rg為氣體常數(shù)，T為流體溫度，t為時間，μ為動力粘性系數(shù)，U為速度矢量，其中u、v、ω分別為x、y、z方向的速度分量，e為流體內(nèi)能，能量方程中的k為流體導(dǎo)熱系數(shù)，Smx、Smy和Smz為流體源，Se為熱源，Sk、Sε為用戶定義的源項。

數(shù)值計算中采用二階迎風(fēng)空間差分格式以及隱式時間積分方案，同時應(yīng)用壁面函數(shù)法處理近壁面流場區(qū)域以及選取Realizablek-ε湍流模型處理流場的湍流流動。

1.2 數(shù)值模型

本文以某地下綜合交通樞紐車站為研究對象，整體幾何模型如圖1（a）所示，主要包含B0.5 進(jìn)站夾層、B1 安檢售票層，B2 候車大廳層和B3 站臺層（大小里程端各有一咽喉區(qū)，之后與區(qū)間隧道相連）。站內(nèi)每層公共區(qū)域都存在大面積的開口以及大量樓扶梯口，使得站內(nèi)有較大的貫通區(qū)存在，且最大凈高處達(dá)到26m。其中車站主體尺寸為475m×175m×28m（X×Y×Z），且屏蔽門開啟側(cè)站臺長450m，寬11.3m，高7.5m。如圖1 所示，采用CRH6A-8 編城際車，車長201.4m，列車從距車站1210m 處以120km/h 速度啟動，之后越行過站。列車啟動位置、行駛方向以及車站相對位置示意如圖2 所示。

圖1 數(shù)值計算模型Fig.1 Numerical calculation model

圖2 列車行駛及車站相對位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of train running and station relative position

1.3 邊界條件及數(shù)值網(wǎng)格

車站各層開口及四個隧道口皆采用Pressure outlet 邊界條件，其他表面皆為壁面邊界條件，其中對于站內(nèi)地面采用給定壁面熱流量，其余壁面皆為絕熱壁面。根據(jù)車站設(shè)計參數(shù)，冬季室外環(huán)境溫度-9℃，車站與周圍建筑連通口處外部溫度18℃。站內(nèi)諸如電扶梯、升降梯等設(shè)備散熱量約為3900kW，人員總散熱量為1600kW，地板輻射供暖指標(biāo)為144W/m2。

網(wǎng)格劃分時，采用六面體網(wǎng)格，在壁面設(shè)置邊界層網(wǎng)格，同時在局部開口和列車運行區(qū)域進(jìn)行加密處理。如圖3 中的無關(guān)性驗證所示，圖3（a）為時間步長0.004s 時不同網(wǎng)格尺寸下屏蔽門處風(fēng)量情況，圖3（b）為網(wǎng)格尺寸0.3m 時不同時間步長下屏蔽門處風(fēng)量情況?？紤]到計算機(jī)運行能力和計算時間，選取列車網(wǎng)格尺寸0.3m，時間步長0.004s，總網(wǎng)格量為1970 萬。

圖3 無關(guān)性驗證Fig.3 Verification of irrelevance

2 結(jié)果分析

圖4 所示為列車行駛至t=39.3s 和t=78.0s 時軌行區(qū)及站臺1.7m 高處風(fēng)速大小分布云圖。t=39.3s時，列車部分進(jìn)入圖2 中的車站處，在屏蔽門處所引起的風(fēng)速大小主要分布在1.3～6.7m/s，站臺區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速主要分布在0.5～3.6m/s；t=78.0s 時，列車行至圖2 中的遠(yuǎn)離車站處，在屏蔽門處所引起的風(fēng)速大小主要分布在0.9～1.9m/s，站臺區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速主要分布在0.3～0.8m/s。同時結(jié)合圖5 中車站屏蔽門風(fēng)量分布情況可知，t=39.3s 時，屏蔽門處空氣整體上是經(jīng)屏蔽門流向站內(nèi)，t=78.0s 時，屏蔽門處的空氣整體上是經(jīng)屏蔽門流向軌行區(qū)的。結(jié)合兩時刻風(fēng)速大小變化可知，在圖4 所示的軌行區(qū)長度范圍內(nèi)，隨著列車的不斷駛離，屏蔽門處風(fēng)速不斷下降。可以預(yù)見，當(dāng)列車?yán)^續(xù)行駛至再遠(yuǎn)處時，屏蔽門附近空氣流動會趨于穩(wěn)定，活塞風(fēng)對屏蔽門處氣流分布的影響將可忽略不計，且由于站內(nèi)熱量來源廣以及眾多開口導(dǎo)致熱壓作用顯著，空氣經(jīng)屏蔽門不斷流入站內(nèi)。

靠站列車有乘客上下車時，若有越行列車通過其產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流可能會對人員有安全隱患。對于該種情況，英國對此采用人員附近的平均風(fēng)速作為判據(jù)：以11.1m/s 風(fēng)速為站臺安全風(fēng)速[12]。《TB10623-2014 城際鐵路設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定“列車過站考慮最大側(cè)風(fēng)15m/s 時，線路中心線至站臺安全標(biāo)線距離為2750mm”[13]。本文中，越行車對屏蔽門處上下車乘客所引起的最大風(fēng)速約為6.7m/s，且乘客上下車處距離越行車中心線7.6m，均低于相關(guān)判據(jù)，即越行車所引起的活塞風(fēng)對乘客上下車造成安全隱患的可能性較小。

圖4 軌行區(qū)及站臺1.7m 高處風(fēng)速分布Fig.4 Wind speed distribution in the track area and platform at the height of 1.7m

屏蔽門處風(fēng)量結(jié)果如圖5（a）～（e）所示，屏蔽門編號位置見圖2（c），可以看出，屏蔽門1-2、屏蔽門14-15 和屏蔽門29-30 的風(fēng)量與其他位置是有明顯差異的。這6 個屏蔽門的差異主要體現(xiàn)在兩方面：一是它們的面積大小相對更大一些，二是它們的位置分別位于靠站列車的車尾、車身和車頭。雖然屏蔽門1-2 的面積相對較大，但是在靠站列車的阻塞作用下，導(dǎo)致靠站列車車尾附近活塞風(fēng)流動阻力較大，造成該處風(fēng)量反而較??；相對地，靠站列車車身及車頭處由于越行車車身進(jìn)入車站較多，引起的活塞風(fēng)流動較為穩(wěn)定，所以屏蔽門14-15 和屏蔽門29-30 處風(fēng)量有明顯增大。并且，只有車尾及車頭附近的幾個屏蔽門處風(fēng)量隨越行車的行駛不斷變化，其他位于車身范圍內(nèi)的屏蔽門處風(fēng)量變化相對較小，僅在列車到達(dá)附近時會有突變。同時，越行車在屏蔽門處所引起的最大進(jìn)站活塞風(fēng)量僅有173.0kg/s，對站內(nèi)氣流分布影響較小。因此，可以認(rèn)為，由于列車越行所造成的站內(nèi)氣流分布變化是短暫且微弱的。

圖5 車站部分開口處風(fēng)量分布Fig.5 Mass flow distribution at the opening of some stations

圖5（f）為整個越行過程中車站各層開口風(fēng)量匯總。對屏蔽門處風(fēng)量而言，其正值表示空氣經(jīng)屏蔽門流入站內(nèi)，其他開口處風(fēng)量正值表示空氣經(jīng)相應(yīng)開口流出車站。可以看到，列車車頭到達(dá)設(shè)備房1 之前，站內(nèi)空氣流動受活塞風(fēng)作用影響微弱，此時站內(nèi)空氣在熱壓作用影響下，通風(fēng)量達(dá)到110kg/s 左右，形成明顯的熱壓自然通風(fēng)流動，整體氣流分布呈現(xiàn)出由車站底部的屏蔽門和B2 層開口進(jìn)風(fēng)，而后經(jīng)B1 層開口及窗戶流出車站。由于車頭前方的活塞風(fēng)形成正壓區(qū)，在車頭到達(dá)設(shè)備房1 之后，隨著列車的行駛，活塞風(fēng)所造成的影響不斷增大，直至車頭到達(dá)距離屏蔽門1 不遠(yuǎn)處時，進(jìn)站活塞風(fēng)量達(dá)到最大值173.0kg/s，而后列車車身不斷駛?cè)胲囌拒壭袇^(qū)，車身附近誘導(dǎo)氣流形成負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)致活塞風(fēng)量不斷由站內(nèi)流向軌行區(qū)，直至達(dá)到最大值127.5kg/s。而后隨著車頭駛離設(shè)備房2，站內(nèi)氣流受活塞風(fēng)影響逐步減少，其流動狀態(tài)逐步由屏蔽門出風(fēng)變化為屏蔽門進(jìn)風(fēng)，直至恢復(fù)為自然通風(fēng)。

3 結(jié)論

本文利用CFD 軟件研究冬季一側(cè)列車靠站屏蔽門開啟另一側(cè)列車越行時所引起的活塞風(fēng)對站內(nèi)氣流分布的影響，主要結(jié)論如下：

（1）越行車引起的活塞風(fēng)對屏蔽門處上下車乘客所造成的最大風(fēng)速為6.7m/s，即越行車所引起的活塞風(fēng)對乘客上下車造成安全隱患的可能性較小。

（2）越行車在屏蔽門處所引起的最大活塞風(fēng)量為173.0kg/s，且其對站內(nèi)氣流速度分布影響較小。因此，可以認(rèn)為越行車所造成的站內(nèi)氣流分布變化是短暫且微弱的。

（3）站內(nèi)氣流狀態(tài)分為三個階段：①車頭到達(dá)設(shè)備房1 之前，活塞風(fēng)作用影響微弱，站內(nèi)空氣在熱壓作用影響下，形成明顯的熱壓自然通風(fēng)流動，整體氣流分布呈現(xiàn)出由車站底部的屏蔽門和B2 層開口進(jìn)風(fēng)，而后經(jīng)B1 層開口及窗戶流出車站。②車頭到達(dá)設(shè)備房1 之后，車頭前方正壓區(qū)使活塞風(fēng)所造成的影響不斷增大，直至進(jìn)站活塞風(fēng)量達(dá)到最大值173.0kg/s，而后隨著列車車身負(fù)壓區(qū)不斷駛?cè)胲壭袇^(qū)，導(dǎo)致活塞風(fēng)量不斷由站內(nèi)流向軌行區(qū)，直至達(dá)到最大值127.5kg/s。③最后隨著車頭駛離設(shè)備房2，站內(nèi)氣流分布受活塞風(fēng)影響逐漸降低，其流動狀態(tài)也逐步由屏蔽門出風(fēng)變?yōu)槠帘伍T進(jìn)風(fēng)，直至恢復(fù)為自然通風(fēng)。