高速鐵路站臺屏蔽門氣壓荷載數(shù)值分析

崔 濤，孫幫成，張衛(wèi)華

(1．中國北車唐山軌道客車有限公司，河北 唐山 063035;2．西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

高速鐵路站臺屏蔽門氣壓荷載數(shù)值分析

崔 濤1，2，孫幫成1，張衛(wèi)華2

(1．中國北車唐山軌道客車有限公司，河北 唐山 063035;2．西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

為研究高速鐵路站臺屏蔽門氣壓荷載特性，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)和有限體積法求解氣流N-S方程和湍流k-ε方程，對列車高速通過站臺時(shí)屏蔽門不同位置的壓力變化、壓力的最大值和最小值進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：列車高速通過時(shí)，屏蔽門上依次出現(xiàn)類似列車交會時(shí)的壓力波動;近屏蔽門上的氣壓波動大于遠(yuǎn)屏蔽門;頭車進(jìn)出屏蔽門行車區(qū)域時(shí)，最大和最小氣壓分別出現(xiàn)峰值，且隨著列車運(yùn)行速度提高，屏蔽門承受的氣動荷載增大，最大壓力、最小壓力以及兩者差值的最大值出現(xiàn)的位置相同。

高速鐵路 站臺屏蔽門 氣壓荷載 壓力波

高速鐵路站臺通常設(shè)有屏蔽門，以保障乘客安全。屏蔽門的主要功能之一就是阻擋列車風(fēng)。屏蔽門與氣流的作用是相互的，列車高速通過屏蔽門行車區(qū)時(shí)，屏蔽門上形成壓力波動。目前對屏蔽門的研究主要集中在機(jī)械受力和環(huán)控方面，關(guān)于氣壓荷載的研究較少，尚沒有屏蔽門氣壓荷載的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本文采用計(jì)算流體動力學(xué)方法對列車高速通過時(shí)的屏蔽門氣壓荷載進(jìn)行分析，為屏蔽門氣壓強(qiáng)度和氣動疲勞分析提供氣動荷載數(shù)據(jù)，為防止氣壓荷載對既有屏蔽門結(jié)構(gòu)造成破壞和新型屏蔽門設(shè)計(jì)提供參考。

1 模擬工況

選用現(xiàn)已投入運(yùn)營的高速動車組列車作為模型列車，站臺為高架站臺。仿真開始時(shí)列車到屏蔽門的縱向距離為85 m，屏蔽門區(qū)域縱向長度為220 m，站臺總長度為230 m，高架站臺到地面的距離為18 m;屏蔽門高度2.10 m，其上部固定裝置的高度為0.55 m，站臺邊緣到鄰近線路中心線的橫向距離為1.75 m，屏蔽門到站臺邊緣的橫向距離為0.90 m;站臺面至鋼軌軌面的垂向距離為1.20 m。高架站臺屏蔽門站臺示意如圖1。

圖1 高架站臺屏蔽門站臺示意

列車以250，350 km/h的運(yùn)行速度通過高架站臺屏蔽門，計(jì)算流場結(jié)構(gòu)和屏蔽門的氣壓荷載。

2 數(shù)值方法

采用計(jì)算流體動力學(xué)的有限體積法，根據(jù)質(zhì)量、動量和能量守恒定律，對站臺及周圍的流場列出控制方程如下

式中，t為時(shí)間，ρ為空氣密度，U為速度矢量，φ為流場通量，S為源項(xiàng)，Γ為擴(kuò)散系數(shù)。φ因方程不同而不同:當(dāng)式(1)表示連續(xù)方程時(shí)，φ=1;當(dāng)其表示動量方程時(shí)，φ分別代表3維坐標(biāo)系中 x方向的速度u、y方向的速度v和z方向的速度w;當(dāng)其表示湍流兩方程時(shí)，φ分別表示湍動能k和湍動能耗散率ε;當(dāng)其表示能量方程時(shí)，為流體溫度T。

3 流場分析模型

為了簡化計(jì)算，忽略列車表面的凸起部分如受電弓、轉(zhuǎn)向架等，建立包含高架站臺、雨棚和屏蔽門的流場分析模型。列車運(yùn)行速度較高，其周圍為高雷諾數(shù)湍流流場，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程湍流模型模擬。列車兩種運(yùn)行速度的馬赫數(shù)＜0.3Ma，忽略空氣介質(zhì)的可壓縮性。

計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域由兩部分組成:包含地面、高架橋、屏蔽門和雨棚的部分以及包含列車的部分。前者靜止不動，后者以設(shè)定速度通過靜止的屏蔽門。兩個網(wǎng)格區(qū)域由4個交互面連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。列車周圍較小區(qū)域及站臺兩端小部分區(qū)域的劃分采用四面體網(wǎng)格，其余采用六面體網(wǎng)格。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 流場特性

列車分別以250，350 km/h的運(yùn)行速度通過站臺屏蔽門，得到時(shí)間和空間域的流場特征參數(shù)。模擬結(jié)果表明:屏蔽門、站臺和雨棚均受到列車周圍壓力梯度的影響，頭車頭部前端周圍區(qū)域的正壓區(qū)域在近屏蔽門上形成正壓，頭車頭部到車身過渡段周圍的負(fù)壓區(qū)域在屏蔽門上形成負(fù)壓。列車尾部周圍的正負(fù)壓區(qū)在屏蔽門上形成相應(yīng)的壓力梯度。列車前端的空氣介質(zhì)受到排擠，快速向四周流動，在屏蔽門和站臺處受阻。同時(shí)列車后端的空氣介質(zhì)受到拖扯，氣流流動受到屏蔽門的影響。

進(jìn)一步分析表明:除了列車頭尾部壓力梯度對屏蔽門造成影響外，車體連接處和轉(zhuǎn)向架周圍的壓力梯度也在屏蔽門上形成了壓力梯度。

4.2 壓力波動

在左右兩個屏蔽門上不同位置布置43個壓力監(jiān)測點(diǎn)，如圖2所示。這些監(jiān)測點(diǎn)到站臺面的垂向距離為1.3 m。列車高速通過時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)依次出現(xiàn)壓力波動，與列車交會時(shí)壓力波動形狀相似。圖3為近屏蔽門壓力監(jiān)測點(diǎn)壓力波動，這些監(jiān)測點(diǎn)處在屏蔽門的端部和縱向中心位置。

圖2 屏蔽門壓力監(jiān)測點(diǎn)布置(單位:m)

圖3 近屏蔽門監(jiān)測點(diǎn)壓力波動(250 km/h)

列車周圍的壓力梯度不同，在屏蔽門上形成的壓力波動亦不同，頭車頭部的影響大于尾車尾部的影響。壓力波動的頭波大于尾波。頭尾波之間的壓力波動是由車體連接的間隙造成的。近屏蔽門上的壓力梯度大于遠(yuǎn)屏蔽門壓力梯度，分析屏蔽門壓力應(yīng)選擇近屏蔽門。

4.3 氣壓最大值與最小值

為了考察氣流對屏蔽門的影響，實(shí)時(shí)監(jiān)測了列車通過過程中遠(yuǎn)、近屏蔽門的最大壓力和最小壓力，見圖4。列車頭尾部進(jìn)出屏蔽門區(qū)域時(shí)，出現(xiàn)氣壓最值，列車完全在屏蔽門區(qū)域內(nèi)行駛時(shí)，屏蔽門最大氣壓和最小氣壓基本保持不變。由于列車前部的正壓氣團(tuán)的影響，列車即將進(jìn)入車站而還沒有進(jìn)入車站時(shí)，最大壓力開始逐漸增大。頭尾車駛?cè)牖蛘唏偝稣九_時(shí)，最大與最小壓力出現(xiàn)小幅度波動。當(dāng)頭車在站內(nèi)行使時(shí)，最大與最小壓力均是頭車頭部周圍氣流造成的;頭車駛出而尾車沒有駛出時(shí)，最大與最小壓力是尾車尾部周圍氣流造成的。當(dāng)最大與最小壓力由同一氣團(tuán)造成時(shí)，基本保持為一恒定值。

圖4 屏蔽門壓力變化

列車交會壓力波為表面波動相鄰正負(fù)峰峰值的差值，同樣，這里將監(jiān)測點(diǎn)壓力波動與屏蔽門最大、最小氣壓一起作為屏蔽門氣動荷載指標(biāo)。當(dāng)列車以250，350 km/h的速度通過車站屏蔽門時(shí)，屏蔽門表面最大、最小氣壓及監(jiān)測點(diǎn)壓力波動值如表1所示。

表1 屏蔽門氣壓 Pa

由表1可見:當(dāng)列車以250 km/h的速度通過車站屏蔽門時(shí)，近屏蔽門最大氣壓出現(xiàn)在列車頭部駛?cè)肫帘伍T區(qū)域時(shí)，為607 Pa;最小負(fù)壓出現(xiàn)在列車頭部駛離屏蔽門區(qū)域時(shí)，為－608 Pa;屏蔽門監(jiān)測點(diǎn)壓力波動的最大值出現(xiàn)在列車頭部駛?cè)肫帘伍T區(qū)域時(shí)，為1 158 Pa。遠(yuǎn)屏蔽門最大氣壓出現(xiàn)在列車頭部駛?cè)肫帘伍T區(qū)域時(shí)，為196 Pa;最小氣壓亦出現(xiàn)在列車尾部駛?cè)肫帘伍T區(qū)域時(shí)，為－170 Pa。遠(yuǎn)屏蔽門監(jiān)測點(diǎn)壓力波動的最大值出現(xiàn)在列車尾部駛?cè)肫帘伍T區(qū)域時(shí)，為320 Pa。

當(dāng)列車以350 km/h的速度通過車站屏蔽門時(shí)，近屏蔽門最大氣壓出現(xiàn)在列車頭部駛?cè)肫帘伍T區(qū)域時(shí)，為1 184 Pa;最小氣壓出現(xiàn)在列車頭部駛離屏蔽門區(qū)域時(shí)，為 －1 196 Pa;屏蔽門監(jiān)測點(diǎn)壓力波動的最大值出現(xiàn)在列車頭部駛?cè)肫帘伍T區(qū)域時(shí)，為2 270 Pa。遠(yuǎn)屏蔽門最大氣壓出現(xiàn)在列車頭部駛?cè)肫帘伍T區(qū)域時(shí)，為379 Pa;最小氣壓亦出現(xiàn)在列車尾部駛?cè)肫帘伍T區(qū)域時(shí)，為－334 Pa;遠(yuǎn)屏蔽門監(jiān)測點(diǎn)壓力波動的最大值亦出現(xiàn)在列車尾部駛?cè)肫帘伍T區(qū)域時(shí)，為622 Pa。

5 結(jié)論與建議

本文采用計(jì)算流體動力學(xué)的有限體積方法對高速列車以不同速度通過站臺時(shí)的流場結(jié)構(gòu)和屏蔽門氣壓荷載進(jìn)行了分析，結(jié)論如下:

1)列車高速通過時(shí)，由于列車周圍壓力梯度的移動，屏蔽門上依次出現(xiàn)類似列車交會時(shí)的壓力波動;近屏蔽門上氣壓波動大于遠(yuǎn)屏蔽門。

2)頭車進(jìn)出屏蔽門行車區(qū)域時(shí)，最大、最小氣壓分別出現(xiàn)峰值，且隨著列車運(yùn)行速度提高，屏蔽門承受的氣動荷載增大，不同速度下最大壓力、最小壓力以及兩者差值的最大值出現(xiàn)的位置相同。

建議建立屏蔽門彈性結(jié)構(gòu)模型，施加氣動荷載，進(jìn)行氣動強(qiáng)度和疲勞分析，為既有屏蔽門結(jié)構(gòu)分析和新型屏蔽門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。

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A

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國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BAG12A01)，國家973計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB711100);國家自然科學(xué)基金(50823004)

崔濤(1978— )，男，山東成武人，博士。

(責(zé)任審編 李付軍)