杭州南站幕墻受過站列車風(fēng)影響的數(shù)值模擬分析

余洋

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300142)

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杭州南站幕墻受過站列車風(fēng)影響的數(shù)值模擬分析

余洋

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300142)

摘要:分析高速列車過站時列車風(fēng)對站臺上方幕墻的影響，采用CFD數(shù)值模擬方法，結(jié)合“動網(wǎng)格”技術(shù)，對列車高速過站風(fēng)環(huán)境進行數(shù)值模擬，給出高速列車開始駛?cè)?、完全駛?cè)牒婉傠x車站時，站臺區(qū)域幕墻受列車風(fēng)影響的變化情況。對列車風(fēng)的影響進行定量評估，研究結(jié)果表明:過站列車通過產(chǎn)生的流場對站內(nèi)風(fēng)速影響較小，不會對乘客造成安全問題，但該流場對幕墻產(chǎn)生一定的力作用。結(jié)論為列車風(fēng)側(cè)向影響范圍最大處出現(xiàn)在頭部頂端;列車經(jīng)行的最不利工況為單線同時對開。

關(guān)鍵詞:鐵路客站;列車風(fēng);動網(wǎng)格;幕墻;數(shù)值模擬

當(dāng)列車高速行駛時，由于空氣的黏性作用使周圍的空氣被列車表面帶動并隨之一起運動，所形成的列車風(fēng)［1］效應(yīng)必將對乘候人員和結(jié)構(gòu)物造成一定的影響［2］，評估這種影響的大小，關(guān)系到乘候人員和結(jié)構(gòu)的安全。因此對列車高速過站引起的風(fēng)壓、風(fēng)速變化進行研究是非常必要的。

杭州南站站場由杭長場、杭甬場、普速場、普速預(yù)留場組成，由東向西平行布置，共設(shè)7座站臺21條線(含正線)，其中:杭長場2站臺5線(含2條正線)，時速250 km;杭甬場2站臺6線(含2條正線)，時速250 km;普速場2站臺6線(含2條正線)，時速160 km;普速預(yù)留場1站臺4線(含2條正線)，時速160 km;因杭州南站正線(指列車直接通過，不辦理營運業(yè)務(wù)的線路)均不緊鄰站臺，列車邊緣與站臺上的人體距離約為8 m，關(guān)于列車風(fēng)對乘候人員的影響，中外學(xué)者曾進行過一些分析計算和研究［3-4］，定量給出列車風(fēng)對人體作用力隨車速和距離的變化關(guān)系。運行速度為250 km/h的列車距離人體8 m時，對人體的最大合力在20 N左右，遠小于人體最大允許承受的空氣動力100 N，不會對乘候人員造成安全問題。故本文僅對正線上方的垂直幕墻結(jié)構(gòu)受列車風(fēng)(列車運行速度按250 km/h考慮)的影響進行數(shù)值模擬分析。

本文利用Ansys fluent12的動網(wǎng)格技術(shù)［5］，基于杭州南站全尺寸模型，模擬列車和站臺的相對運動，對杭州南站過站列車風(fēng)進行數(shù)值模擬研究［6-10］，得到了列車風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)壓的空間分布情況，研究列車高速過站對站臺上垂直幕墻的影響，可為車站的設(shè)計提供依據(jù)。杭州南站垂直幕墻與站臺層列車的關(guān)系詳見圖1。

圖1　杭州南站幕墻與站臺層列車的關(guān)系

1　數(shù)值模型

1.1流場假定及模型簡化

為盡可能準確地計算列車在運行時產(chǎn)生的流場，利用有限體積法，建立三維、非定常、不可壓縮、黏性紊流流動計算模型，用FLUENT流體計算軟件進行計算。對列車湍流流場的數(shù)學(xué)模型作如下限定:

(1)高速列車時速為250 km，其對應(yīng)的馬赫數(shù)Ma=0.20＜0.3，因此，流體作為不可壓縮處理;

(2)列車幾何模型為光滑車體，忽略細部結(jié)構(gòu);

(3)對站房室內(nèi)，考慮幕墻后的空間，忽略一層內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)施以及樓梯洞口的影響，室外考慮南北側(cè)雨棚及其上方的空氣。

1.2模擬工況

CFD數(shù)值模擬的計算軟件采用Ansys Fluent12商用流體力學(xué)分析軟件，湍流模型采用k－ε模型［11］，結(jié)合動網(wǎng)格技術(shù)，進行非定常計算。

動車組中間的車廂長度遠大于車頭長度，且中間車廂可考慮為連續(xù)等截面，超過一定長度時中間車廂對流場影響與車長無關(guān)?？紤]穿過的站房在列車運行方向的跨度為140.5 m，列車統(tǒng)一取為車頭+4節(jié)車廂+車尾的模型，總長度(24+25×4+24) m = 148 m＞140.5 m。車頭形狀僅對列車附近的局部流場有影響，幕墻底部高程9 m遠大于車高3.7 m，故僅取CRH2型［12］(時速250 km的動車型號可采用CRH2或CRH3)動車組模型，模擬工況見表1，所有工況下車速取250 km/h。

表1　模擬工況

1.3幾何模型及網(wǎng)格劃分

計算模型的縮尺比為1∶1，包括站房主體(內(nèi)部流通的空氣)、南北側(cè)雨棚及其上方的空氣。計算域尺寸如下:計算域高度(Z向)上，室外取站房高度(28.5 m)，室內(nèi)部分取一層樓板高度9.0 m，列車車道低于地面2.2 m;寬度方向(Y向)上取192.8 m;列車運行方向(X向)上，北側(cè)取到雨棚端部，在南側(cè)，列車長度大于該側(cè)最長雨棚(90.3 m)，根據(jù)相關(guān)文獻，列車進出站前后的影響距離取為40 m，故南側(cè)計算域取192.0 m。對于杭長線、杭甬線的車道，單獨劃分并設(shè)置為動網(wǎng)格域，其尺寸為16 m寬，8 m高，通長設(shè)置。計算域如圖2、圖3所示。

圖2　計算域示意(單位:m)

圖3　計算域幾何模型

列車采用CRH2列車模型，車寬3.38 m，高3.7 m?？紤]地面效應(yīng)，列車離地高度取0.7 m。

在生成網(wǎng)格過程中，考慮到計算域形狀比較復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對其不同部位設(shè)置不同的網(wǎng)格尺寸，列車表面局部加密，見圖4。

圖4　網(wǎng)格劃分

1.4邊界條件和計算參數(shù)設(shè)置

(1)參數(shù)設(shè)置

近地面風(fēng)可假設(shè)為低速、不可壓縮、黏性的牛頓流體。其基本控制方程為N－S方程［11］，本文采用兩方程的k－ε模型，式中的模型參數(shù)通過典型流動的試驗結(jié)果和計算結(jié)果的數(shù)據(jù)擬合，經(jīng)驗規(guī)定，σk= 1.0，σε= 1.3，Cε1=1.44，Cε2= 1.92。在應(yīng)用有限體積法時，采用一階迎風(fēng)格式離散對流項，對擴散項采用具有二階精度的中心差分格式;對于壓力-速度耦聯(lián)方程，采用SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked E-quations)算法實現(xiàn)各聯(lián)立方程的解耦及壓力場和速度場的校正。

(2)動網(wǎng)格

入口邊界條件:采用壓力入口邊界條件，入口相對總壓為零;

出口邊界條件:采用壓力出口邊界條件，出口相對靜壓為零;

流體域頂部和兩側(cè):無滑移的壁面條件;

建筑物表面和地面:無滑移的壁面條件。

非定常計算時間步取為0.005 s，計算中列車行駛距離為(40 + 140.5 + 40 + 150) m = 370.5 m，時間為5.34 s，共計算1 067步。列車的運動使用Fluent的自定義函數(shù)(UDF)進行控制。

列車的運動，使計算域在每個時間步后都要變化，網(wǎng)格也就需要進行相應(yīng)的更新，在Fluent中網(wǎng)格的更新在每個時間步后自動進行。模擬使用了Fluent動網(wǎng)格技術(shù)中的光滑化方法(Smoothing Methods)和局部網(wǎng)格重生成方法(Local Remeshing Methods)。

2　數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1列車風(fēng)的空間分布及流場流動特性

圖5為工況1對應(yīng)的速度等值線及流線圖，分析可知，雖然列車高速運行，但僅對周邊較小范圍內(nèi)的風(fēng)速有影響，高速列車上方的空氣由于黏性作用，在列車上方和兩側(cè)形成漩渦，上側(cè)漩渦在列車進出站時與幕墻產(chǎn)生作用，由此對幕墻產(chǎn)生一定的壓力。其他工況限于篇幅，不做介紹。

圖5　對應(yīng)工況1列車風(fēng)流場

2.2幕墻受到的列車風(fēng)風(fēng)荷載

計算得出各工況下幕墻表面典型測點條帶(杭甬線、杭長線列車通過正上方測點，高程9.5、12、15、20、25 m)的凈風(fēng)壓(Pa)時程曲線(壓力由建筑外向內(nèi)為正，反之為負)?？梢?，單個工況下的最不利風(fēng)壓出現(xiàn)在列車車頭進站、車頭出站(車尾進站)以及車尾出站的時刻，當(dāng)中間車廂通過幕墻的時刻幕墻凈風(fēng)壓接近0，最不利時刻兩幕墻的凈風(fēng)壓分布見圖6～圖15。

圖6　工況1杭甬線上方條帶

圖7　工況1列車過站時刻最不利風(fēng)壓分布等值線圖(北幕墻上，南幕墻下)

圖8　工況2杭甬線上方條帶

圖9　工況2列車過站時刻最不利風(fēng)壓分布等值線圖(北幕墻上，南幕墻下)

圖10　工況3杭甬線上方條帶

圖11　工況3杭長線上方條帶

圖12　工況3列車過站時刻最不利風(fēng)壓分布等值線圖(北幕墻上，南幕墻下)

由圖6～圖15可知，幕墻表面風(fēng)壓隨高度變化不大，圖16給出了兩幕墻杭甬線上方條帶12 m高度處測點各工況的風(fēng)壓時程曲線?？芍r2為最不利工況，幕墻表面的壓力范圍為－120～170 Pa。折算的體型系數(shù)為－0.24～0.34。

圖14　工況4杭長線上方條帶

圖15　工況4列車過站時刻最不利風(fēng)壓分布等值線圖(北幕墻上，南幕墻下)

圖16　杭甬線上方條帶12 m高處測點各工況的風(fēng)壓時程曲線

3　結(jié)論

本文基于Ansys Fluent12商用流體力學(xué)分析軟件，采用k－ε湍流模型，結(jié)合動網(wǎng)格技術(shù)，對經(jīng)杭州南站杭甬線、杭長線過站列車進行非定常CFD模擬，研究了高速列車通過的流場情況，其過站對正線上方幕墻的影響，得到以下結(jié)論:

(1)過站列車通過產(chǎn)生的流場對站內(nèi)風(fēng)速影響較小，不會對乘客造成安全問題，但該流場對幕墻產(chǎn)生一定的力作用;

(2)列車駛過車站過程中，僅列車車頭進站、車頭出站(車尾進站)及車尾出站時刻，列車風(fēng)對幕墻影響較大，其余時刻影響可忽略;

(3)列車經(jīng)行的最不利工況為單線同時對開，產(chǎn)生風(fēng)壓力范圍為－120～170 Pa，折算成《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的體型系數(shù)為－0.24～0.34，該值可用于工程設(shè)計;

(4)根據(jù)時程分析結(jié)果，“列車風(fēng)”荷載引起的結(jié)構(gòu)振動頻率約為3.125 Hz，結(jié)構(gòu)自振頻率為2.09 Hz，不會引起共振;

(5)結(jié)合“杭州南站結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測系統(tǒng)”在正線上方的垂直幕墻上布置了多個測點，對風(fēng)速、振動頻率及位移等進行實測，結(jié)果與數(shù)值模擬分析進行了對比，為其他類似工程提供設(shè)計依據(jù)。

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Numerical Simulation of Train Induced Air Flow Effect on Curtain Wall of Hangzhou South Railway Station

YU Yang
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

Abstract:This paper analyzes the impact of the air flow generated by passing high speed train on the curtain wall above the platform with dynamic mesh method based on CFD numerical simulation.The changes of the air flow impact on the curtain wall when the train runs into，at and out of the stationbook=124,ebook=127at high speed are simulated and identified.The results show that the impact is minor when the high speed train runs through the station and poses no danger to the pedestrians，but it generates certain force to the curtain wall.It is concluded that peak impact of the train air flow is rested on top of the train and the unfavorable case is when two trains are heading to each other on the single track.

Key words:Railway passenger station; Train induced air flow; Dynamic mesh; Curtain wall; Numerical simulation

作者簡介:余洋(1971—)，女，高級工程師，1993年畢業(yè)于西南交通大學(xué)工業(yè)與民用建筑專業(yè)，E-mail:yuyang01@ tsdig.com。

基金項目:鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司科技開發(fā)重點課題(721322)

收稿日期:2015-10-10;修回日期:2015-10-29

文章編號:1004-2954(2016) 03-0123-06

中圖分類號:TU312.1

文獻標(biāo)識碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.026