任遠(yuǎn) 閆亞光 邵健恒 高利民 楊彬彬

河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，中國·河北 邯鄲 056000

針對高速列車風(fēng)對站臺雨棚工程的風(fēng)致效應(yīng)影響，論文基于三維、不可壓縮、非定常流體，運(yùn)用流體力學(xué)計(jì)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(yùn)用滑移網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，分析列車不同工況下過站產(chǎn)生的氣動效應(yīng)對站臺雨棚的影響。

高速列車；雨棚；列車風(fēng)；數(shù)值模擬

1 引言

結(jié)果表明：列車運(yùn)行速度與雨棚受到列車風(fēng)壓成正比，且最大正壓值均出現(xiàn)在雨棚入口處；列車行駛近軌雨棚受到的列車風(fēng)較于遠(yuǎn)軌雨棚更加顯著；列車行駛靠近站臺最邊緣時(shí)，雨棚受到的列車風(fēng)最大[1]。

2 計(jì)算模型

2.1 模型建立

論文選用復(fù)興號CR400 型高速列車模型，由于列車外形復(fù)雜，計(jì)算模型對列車外表進(jìn)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(jì)算域模型尺寸為200m×30m×1000m，場內(nèi)氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pa。

車體表面：粘性流體在固定邊界上應(yīng)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(jì)算域之間建立起interface 面。

出口：在出口截面處，出口靜壓為0，設(shè)為壓力出口。

地面、站臺、雨棚及站廳結(jié)構(gòu)：地面、站臺、雨棚及站廳結(jié)構(gòu)均設(shè)為壁面Wall。

2.3 雨棚測點(diǎn)布置

論文對雨棚測點(diǎn)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(gè)測點(diǎn)，近軌雨棚下表面沿軌道方向每12.4m 布置一個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)高度距地面7m，垂直軌道方向測點(diǎn)布置在列車通過雨棚入口下表面處，每3.44m 布置一個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)高度距地面7m[2.3]。

3 數(shù)值模擬

3.1 雨棚下表面風(fēng)壓分布機(jī)理

列車行駛通過站臺雨棚時(shí)，車頭部分?jǐn)D壓前方空氣，氣體一部分向前運(yùn)動，一部分氣體向四周擴(kuò)散，對周圍雨棚下表面造成風(fēng)壓。研究高速列車過站對雨棚帶來風(fēng)致效應(yīng)的關(guān)鍵，在于分析雨棚下表面受到列車風(fēng)壓極值大小以及風(fēng)壓分布特點(diǎn)。

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(jìn)工況下對近軌上雨棚帶來的風(fēng)致效應(yīng)。利用數(shù)值模擬繪制時(shí)程曲線并分析風(fēng)壓分布特點(diǎn)，根據(jù)產(chǎn)生的不同風(fēng)壓參數(shù)繪制風(fēng)壓參數(shù)變化曲線，結(jié)合風(fēng)壓參數(shù)及參數(shù)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(shù)如表1 所示。

表1 速度變化的工況參數(shù)

3.2.1 不同速度下雨棚風(fēng)壓分布特點(diǎn)

通過數(shù)值模擬計(jì)算，以Z1 號點(diǎn)為例，不同速度下雨棚下表面風(fēng)壓時(shí)程曲線如圖3 所示。不同速度下，雨棚下表面風(fēng)壓分布趨勢相似，列車行駛靠近雨棚時(shí)，雨棚所受風(fēng)壓迅速攀升，當(dāng)車頭到達(dá)即將雨棚Z1 號測點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生頭波，正風(fēng)壓達(dá)到極值，當(dāng)車頭經(jīng)過測點(diǎn)處時(shí)，風(fēng)壓迅速下降產(chǎn)生負(fù)風(fēng)壓極值；列車中部經(jīng)過測點(diǎn)處時(shí)，雨棚下表面風(fēng)壓回升并保持穩(wěn)定；當(dāng)車尾經(jīng)過該測點(diǎn)時(shí)，風(fēng)壓產(chǎn)生先負(fù)后正的波動，即尾波。根據(jù)風(fēng)壓時(shí)程曲線可知，列車車頭、車尾通過或離開測點(diǎn)時(shí)會產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖，雨棚下表面受到氣流脈沖作用產(chǎn)生交替的正負(fù)風(fēng)壓變換，交替時(shí)間為車頭、車尾通過時(shí)間。

圖3 各速度下縱向測點(diǎn)風(fēng)壓參數(shù)變化曲線

3.2.2 不同速度下縱向測點(diǎn)風(fēng)壓參數(shù)變化分析

列車以不同速度通過雨棚時(shí)，縱向測點(diǎn)風(fēng)壓參數(shù)變化曲線如圖3 所示，各工況下測點(diǎn)風(fēng)壓參數(shù)曲線變化趨勢相似，風(fēng)壓正壓力極值、負(fù)壓力極值絕對值與車速成正比。由表2的風(fēng)壓參數(shù)變化曲線以及風(fēng)壓參數(shù)極值表可知，不同速度下風(fēng)壓正壓力極值均出現(xiàn)在雨棚縱向測點(diǎn)Z1 處，即在雨棚入口附近產(chǎn)生最大值，且隨速度越大，正壓力極值越大。當(dāng)列車行駛進(jìn)入雨棚后，雨棚中部持續(xù)受到風(fēng)壓影響，中部測點(diǎn)受壓曲線呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢。負(fù)風(fēng)壓力極值曲線保持穩(wěn)定，且負(fù)壓力極值均產(chǎn)生在雨棚中部測點(diǎn)，在列車行駛雨棚出口處時(shí)負(fù)壓力峰值最小。

表2 各速度下風(fēng)壓參數(shù)極值測點(diǎn)位置表

3.3 不同軌道下列車過站雨棚下表面風(fēng)壓分布

以單車時(shí)速350km/h 為研究對象，分析列車以不同軌道的行進(jìn)工況下對近軌上雨棚帶來的風(fēng)致效應(yīng)，具體工況參數(shù)如表3 所示。根據(jù)產(chǎn)生的不同風(fēng)壓參數(shù)繪制風(fēng)壓參數(shù)變化，結(jié)合風(fēng)壓參數(shù)及參數(shù)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(fēng)壓時(shí)程曲線趨勢與上節(jié)相似本節(jié)不再贅述。站臺最側(cè)方軌道不涉及列車行進(jìn)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(shù)

當(dāng)列車以350km/h 分別通過不同軌道，縱向測點(diǎn)風(fēng)壓參數(shù)變化曲線如圖4 所示，因橫向測點(diǎn)受到列車風(fēng)影響較弱，即此部分只分析縱向測點(diǎn)受風(fēng)壓影響。

圖4 不同軌道行駛縱向測點(diǎn)風(fēng)壓參數(shù)變化曲線

根據(jù)表4 可知，列車以不同軌道經(jīng)過站臺雨棚時(shí)，風(fēng)壓參數(shù)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(fēng)在站臺周圍建筑碰撞反射后被削減，工況6產(chǎn)生的列車風(fēng)影響弱于工況5；七號軌道距離邊緣最近，列車行駛區(qū)域空氣被擠壓得更加強(qiáng)烈，工況7 產(chǎn)生的列車風(fēng)影響強(qiáng)于工況5。當(dāng)列車頭部達(dá)到雨棚入口時(shí)，產(chǎn)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(xù)受到風(fēng)壓影響，測點(diǎn)受壓曲線呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢。負(fù)壓力峰值Pmin在列車進(jìn)入雨棚后，曲線保持穩(wěn)定，且負(fù)壓力峰值均產(chǎn)生在雨棚中部測點(diǎn)。與雨棚受到的正壓力相同，工況7 列車風(fēng)產(chǎn)生的負(fù)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(fēng)影響最小，列車在此軌道行駛為最優(yōu)選擇；工況7 列車風(fēng)對雨棚影響較大，應(yīng)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(jié)構(gòu)檢測、加固等措施。

表4 不同軌道下風(fēng)壓參數(shù)極值測點(diǎn)位置表

4 結(jié)論

論文以京張高鐵清河車站為工程背景，最終得到以下結(jié)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(xiàn)風(fēng)壓削減情況，六號軌道行駛時(shí)正、負(fù)風(fēng)壓峰值絕對值總體小于四號軌道行駛的風(fēng)壓參數(shù)，負(fù)壓力峰值與正風(fēng)壓峰值趨勢相似，均是在雨棚中部保持穩(wěn)定，且在雨棚出口處變小。