單向列車對站臺雨棚工程的氣動效應分析

任遠 閆亞光 邵健恒 高利民 楊彬彬

河北工程大學土木工程學院，中國·河北 邯鄲 056000

針對高速列車風對站臺雨棚工程的風致效應影響，論文基于三維、不可壓縮、非定常流體，運用流體力學計算軟件Fluent并采用粘性N-S方程、k-ε兩方程模型，以清河火車站為工程背景建立等尺寸模型，運用滑移網格技術進行模擬計算，分析列車不同工況下過站產生的氣動效應對站臺雨棚的影響。

高速列車；雨棚；列車風；數值模擬

1 引言

結果表明：列車運行速度與雨棚受到列車風壓成正比，且最大正壓值均出現在雨棚入口處；列車行駛近軌雨棚受到的列車風較于遠軌雨棚更加顯著；列車行駛靠近站臺最邊緣時，雨棚受到的列車風最大[1]。

2 計算模型

2.1 模型建立

論文選用復興號CR400 型高速列車模型，由于列車外形復雜，計算模型對列車外表進行簡化處理，車體斷面積13.608m2，車寬3.36m，高4.05m，模型采用三車編組，即頭車+中間車+尾車，全長208.8m。CR400 動車組列車模型如圖1 所示。雨棚模型長度186m，正線敞口寬度75.48m，車站敞口寬度86.15m，雨棚距離車頂高度7m，雨棚厚度0.5m，正線寬度21m，車站模型如圖2 所示。

圖1 列車模型

圖2 車站模型

2.2 邊界條件

計算域模型尺寸為200m×30m×1000m，場內氣壓為標準大氣壓101325Pa。

車體表面：粘性流體在固定邊界上應滿足滑移邊界條件，車體表面均按光滑壁面處理，在車體表面和計算域之間建立起interface 面。

出口：在出口截面處，出口靜壓為0，設為壓力出口。

地面、站臺、雨棚及站廳結構：地面、站臺、雨棚及站廳結構均設為壁面Wall。

2.3 雨棚測點布置

論文對雨棚測點布置采用縱向、橫向布置。單向列車通過雨棚下表面共布置36 個測點，近軌雨棚下表面沿軌道方向每12.4m 布置一個測點，測點高度距地面7m，垂直軌道方向測點布置在列車通過雨棚入口下表面處，每3.44m 布置一個測點，測點高度距地面7m[2.3]。

3 數值模擬

3.1 雨棚下表面風壓分布機理

列車行駛通過站臺雨棚時，車頭部分擠壓前方空氣，氣體一部分向前運動，一部分氣體向四周擴散，對周圍雨棚下表面造成風壓。研究高速列車過站對雨棚帶來風致效應的關鍵，在于分析雨棚下表面受到列車風壓極值大小以及風壓分布特點。

3.2 不同車速下單車過站雨棚氣動壓力對比分析

以單車固定軌道行駛為研究對象，分析列車以不同速度的行進工況下對近軌上雨棚帶來的風致效應。利用數值模擬繪制時程曲線并分析風壓分布特點，根據產生的不同風壓參數繪制風壓參數變化曲線，結合風壓參數及參數變化曲線分析不同速度下雨棚受到的氣動壓力變化。具體工況參數如表1 所示。

表1 速度變化的工況參數

3.2.1 不同速度下雨棚風壓分布特點

通過數值模擬計算，以Z1 號點為例，不同速度下雨棚下表面風壓時程曲線如圖3 所示。不同速度下，雨棚下表面風壓分布趨勢相似，列車行駛靠近雨棚時，雨棚所受風壓迅速攀升，當車頭到達即將雨棚Z1 號測點時產生頭波，正風壓達到極值，當車頭經過測點處時，風壓迅速下降產生負風壓極值；列車中部經過測點處時，雨棚下表面風壓回升并保持穩定；當車尾經過該測點時，風壓產生先負后正的波動，即尾波。根據風壓時程曲線可知，列車車頭、車尾通過或離開測點時會產生瞬時脈沖，雨棚下表面受到氣流脈沖作用產生交替的正負風壓變換，交替時間為車頭、車尾通過時間。

圖3 各速度下縱向測點風壓參數變化曲線

3.2.2 不同速度下縱向測點風壓參數變化分析

列車以不同速度通過雨棚時，縱向測點風壓參數變化曲線如圖3 所示，各工況下測點風壓參數曲線變化趨勢相似，風壓正壓力極值、負壓力極值絕對值與車速成正比。由表2的風壓參數變化曲線以及風壓參數極值表可知，不同速度下風壓正壓力極值均出現在雨棚縱向測點Z1 處，即在雨棚入口附近產生最大值，且隨速度越大，正壓力極值越大。當列車行駛進入雨棚后，雨棚中部持續受到風壓影響，中部測點受壓曲線呈現穩定趨勢。負風壓力極值曲線保持穩定，且負壓力極值均產生在雨棚中部測點，在列車行駛雨棚出口處時負壓力峰值最小。

表2 各速度下風壓參數極值測點位置表

3.3 不同軌道下列車過站雨棚下表面風壓分布

以單車時速350km/h 為研究對象，分析列車以不同軌道的行進工況下對近軌上雨棚帶來的風致效應，具體工況參數如表3 所示。根據產生的不同風壓參數繪制風壓參數變化，結合風壓參數及參數變化曲線分析列車不同行駛軌道下雨棚受到的氣動壓力變化，風壓時程曲線趨勢與上節相似本節不再贅述。站臺最側方軌道不涉及列車行進過站，故一號、八號軌道不采取列車通行，且站臺雨棚模型可以近似看作對稱模型，即考慮四號、六號、七號軌道的列車通行便可滿足換軌模擬的需求。

表3 行駛軌道變化的工況參數

當列車以350km/h 分別通過不同軌道，縱向測點風壓參數變化曲線如圖4 所示，因橫向測點受到列車風影響較弱，即此部分只分析縱向測點受風壓影響。

圖4 不同軌道行駛縱向測點風壓參數變化曲線

根據表4 可知，列車以不同軌道經過站臺雨棚時，風壓參數曲線趨勢相似，由于六號軌道相比較四號軌道靠近站臺邊緣，列車風在站臺周圍建筑碰撞反射后被削減，工況6產生的列車風影響弱于工況5；七號軌道距離邊緣最近，列車行駛區域空氣被擠壓得更加強烈，工況7 產生的列車風影響強于工況5。當列車頭部達到雨棚入口時，產生正壓力極值，即工況5、6、7 的最不利正壓位置均為雨棚入口處；雨棚中部持續受到風壓影響，測點受壓曲線呈現穩定趨勢。負壓力峰值Pmin在列車進入雨棚后，曲線保持穩定，且負壓力峰值均產生在雨棚中部測點。與雨棚受到的正壓力相同，工況7 列車風產生的負壓力峰值絕對值最大，其次是工況5、工況6。由以上分析可得，工況6 列車風影響最小，列車在此軌道行駛為最優選擇；工況7 列車風對雨棚影響較大，應避免列車在過于靠近站臺邊緣軌道行駛，需要注意此軌道行駛下的雨棚結構檢測、加固等措施。

表4 不同軌道下風壓參數極值測點位置表

4 結論

論文以京張高鐵清河車站為工程背景，最終得到以下結論：①在變化車速工況下，車速越快，壓力峰值越大。②在變化軌道行駛工況下，列車在不同軌道行駛中出現風壓削減情況，六號軌道行駛時正、負風壓峰值絕對值總體小于四號軌道行駛的風壓參數，負壓力峰值與正風壓峰值趨勢相似，均是在雨棚中部保持穩定，且在雨棚出口處變小。