不同站臺(tái)配置的列車風(fēng)特性差異研究

郭子健，劉堂紅，周蕾

(1. 中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410075；2. 香港科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，中國(guó) 香港，999077)

列車高速行駛會(huì)對(duì)周圍的氣流形成黏性拖拽效應(yīng)，由此形成的空氣高速流動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)稱為列車風(fēng)[1]。列車風(fēng)造成的瞬時(shí)速度和壓力波動(dòng)會(huì)對(duì)站臺(tái)乘客、道旁工人、行李物件以及線路基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生風(fēng)致力[2]。隨著高速列車速度不斷提高，列車風(fēng)效應(yīng)將更加明顯，進(jìn)一步威脅道旁人員的安全[3-6]。1972—2005年，英國(guó)共發(fā)生24起涉及列車風(fēng)的安全事件。失穩(wěn)對(duì)象主要是有高速列車通過(guò)的站臺(tái)上的帶輪物件，如嬰兒車、輪椅、手推車以及正在候車的乘客[6]。列車是貼地高速運(yùn)行的大長(zhǎng)細(xì)比交通工具，具有獨(dú)特的空氣動(dòng)力學(xué)特性。近年來(lái)，研究者對(duì)列車風(fēng)進(jìn)行了廣泛研究[7]。列車的自身幾何結(jié)構(gòu)是影響列車風(fēng)現(xiàn)象的首要因素。執(zhí)行不同運(yùn)輸任務(wù)的列車引起的列車風(fēng)變化特性和幅值顯著不同[8]。如FLYNN等[6]得到的裝載集裝箱的貨運(yùn)列車產(chǎn)生的列車風(fēng)遠(yuǎn)比CRH2型高速列車的大[9]。由于運(yùn)營(yíng)需要，列車的編組長(zhǎng)度和編組方式需要靈活改變來(lái)匹配客運(yùn)與貨運(yùn)的不同需求，這也影響了列車風(fēng)的分布特性[10-11]。除了宏觀外形外，列車構(gòu)件的幾何細(xì)節(jié)也能夠?qū)植苛熊囷L(fēng)產(chǎn)生很大影響[12-14]，周圍環(huán)境與配套設(shè)施會(huì)改變列車與空氣的耦合作用，進(jìn)而影響列車風(fēng)特征[15-17]。隧道中運(yùn)行的高速列車產(chǎn)生的列車風(fēng)峰值為明線時(shí)運(yùn)行的2.4倍[18]。費(fèi)瑞振等[19]基于三維隧道-豎井-列車-空氣數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)豎井結(jié)構(gòu)會(huì)使隧道交叉段附近產(chǎn)生更大的列車風(fēng)速度。為了配合乘客上下車，站臺(tái)一般具有一定高度，且緊鄰列車側(cè)壁。從空氣動(dòng)力學(xué)角度考慮，站臺(tái)的設(shè)置限制了列車的側(cè)面空間，列車表面與空氣的黏性交互效應(yīng)被改變。劉程等[20-21]在研究站臺(tái)行人安全時(shí)雖考慮了站臺(tái)的高度，但沒(méi)有系統(tǒng)研究不同站臺(tái)配置造成的列車風(fēng)差異。多數(shù)對(duì)列車風(fēng)的既有研究忽略了站臺(tái)的存在，而站臺(tái)正是列車風(fēng)致導(dǎo)致事故的高發(fā)地點(diǎn)。在我國(guó)客運(yùn)列車進(jìn)一步提速的背景下，研究更真實(shí)的站臺(tái)列車風(fēng)特征對(duì)道旁人員的生命安全至關(guān)重要。為此，本文提出3種現(xiàn)實(shí)存在的站臺(tái)結(jié)構(gòu)配置(無(wú)站臺(tái)、單側(cè)站臺(tái)和雙側(cè)站臺(tái))，通過(guò)數(shù)值模擬研究高速列車通過(guò)這3種站臺(tái)配置時(shí)的列車風(fēng)速度與壓力特性。此外，基于最大列車風(fēng)速度，給出不同站臺(tái)配置下人員的合理避讓距離。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 幾何模型

基于中國(guó)高速列車CRH380A 的幾何外形，本文使用的列車模型由1 節(jié)頭車、1 節(jié)尾車和3 節(jié)中間車共5節(jié)組成。實(shí)際列車最大車寬為3.36 m，車高為3.70 m，總車長(zhǎng)為128.00 m。在建模過(guò)程中，為了最大化網(wǎng)格質(zhì)量與計(jì)算效率，使用1/10 的縮比模型，且門窗把手等非必要部件被忽略，而保留了已證明對(duì)列車風(fēng)具有決定性作用的風(fēng)擋、轉(zhuǎn)向架等部件。列車的配套地面采用等間隙平地，輪對(duì)下緣距離地面0.235 m。

站臺(tái)與列車計(jì)算模型如圖1所示。本研究提出3 種站臺(tái)(無(wú)站臺(tái)、單側(cè)站臺(tái)和雙側(cè)站臺(tái))配置，用于模擬高速列車通過(guò)不同區(qū)域時(shí)的列車風(fēng)特性差異。根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，站臺(tái)1 與站臺(tái)2 的內(nèi)邊緣距軌道中心線分別為1.80 m 和6.80 m，高度為1.25 m。在無(wú)站臺(tái)工況時(shí)，站臺(tái)1 和站臺(tái)2 都不存在；在單側(cè)站臺(tái)工況時(shí)，僅站臺(tái)1 存在；而在雙側(cè)站臺(tái)工況時(shí)，2 個(gè)站臺(tái)同時(shí)存在。

圖1 站臺(tái)與列車計(jì)算模型Fig. 1 Computation model of platform and train

1.2 數(shù)值方法

使用有限體積方法和壓力基求解器計(jì)算基于剪切應(yīng)力傳遞(SST)k-ω湍流模型的改進(jìn)延遲分離渦(IDDES)方程。該方法結(jié)合雷諾平均納維-斯托克斯(RANS)和大渦模擬(LES)方法的優(yōu)點(diǎn)，利用RANS研究邊界層特性并使用LES捕獲距壁面邊界更遠(yuǎn)的流動(dòng)信息。壓力和速度耦合通過(guò)壓力關(guān)聯(lián)方程(SIMPLE)算法的半隱式方法計(jì)算，在LES 區(qū)域采用有界中心差分(BCDS)模擬，在RANS 區(qū)域采用二階迎風(fēng)格式來(lái)離散動(dòng)量對(duì)流項(xiàng)。時(shí)間積分采用二階隱式，物理時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1×10-4s，每個(gè)時(shí)間步的最大內(nèi)迭代次數(shù)為20 次，湍流方程的殘差設(shè)置為10-5?；诹熊囁俣?83.33 m/s)和縮比后的列車高度(0.37 m)，數(shù)值模擬的雷諾數(shù)約為2.1×106。模擬的總時(shí)間為1.6 s，前0.8 s 主要用于獲得計(jì)算域內(nèi)流動(dòng)的瞬態(tài)發(fā)展情況，后0.8 s 在延續(xù)瞬態(tài)計(jì)算的同時(shí)對(duì)計(jì)算域中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，得到時(shí)均結(jié)果。

1.3 計(jì)算域與網(wǎng)格

在數(shù)值模擬中使用的計(jì)算域與邊界條件如圖2所示。計(jì)算域中坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于頭車鼻尖點(diǎn)在地面上的投影位置。頭車鼻尖距計(jì)算域入口100 m，能確保來(lái)流在列車上游充分發(fā)展，尾車鼻尖距計(jì)算域出口為200 m，以確保對(duì)尾流模擬準(zhǔn)確。計(jì)算域的寬度和高度分別為60 m 和40 m。本研究中不含側(cè)風(fēng)工況，列車位于計(jì)算域的寬度中央。在計(jì)算域的入口處設(shè)置“速度入口”邊界條件，在數(shù)值模擬過(guò)程中施加等同于列車運(yùn)行速度v=83.33 m/s 的恒定速度。在出口處使用“壓力出口”邊界條件模擬真實(shí)的大氣環(huán)境。在計(jì)算域的頂部和側(cè)面上設(shè)置為對(duì)稱面邊界條件，以消除計(jì)算域邊界對(duì)列車周圍流場(chǎng)發(fā)展的限制。在列車表面、地面和站臺(tái)表面設(shè)置無(wú)滑移壁面邊界條件。

圖2 計(jì)算域 (未按尺寸比例) 與邊界條件Fig. 2 Computation domain (not drawn according to size scale) and boundary layers

本研究的計(jì)算域由STAR CCM+中的非結(jié)構(gòu)切割體網(wǎng)格生成器離散，如圖3所示。使用4個(gè)不同級(jí)別的加密區(qū)域(用1～4號(hào)標(biāo)記)對(duì)計(jì)算域中的網(wǎng)格密度進(jìn)行分區(qū)控制(見(jiàn)圖3(a))，實(shí)現(xiàn)從計(jì)算域外表面到列車壁面之間網(wǎng)格密度的合理過(guò)渡。采用10層棱柱層網(wǎng)格來(lái)控制附著在列車表面的網(wǎng)格沿其表面法線方向的發(fā)展，以確保能捕獲精細(xì)的近壁流動(dòng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)模型尺度和流場(chǎng)速度，列車表面大部分網(wǎng)格的y+(量綱一壁面距離)小于10，如圖3(c)所示?；诓煌慕谔幚砗途植考用懿呗?，生成總網(wǎng)格數(shù)分別為1 678 萬(wàn)、2 601 萬(wàn)和4 090 萬(wàn)的粗糙、中等和精細(xì)共3種配置的網(wǎng)格，以研究網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格Fig. 3 Computational mesh

1.4 網(wǎng)格敏感度測(cè)試

為確定網(wǎng)格的數(shù)量不會(huì)影響數(shù)值模擬結(jié)果，比較了列車周圍流場(chǎng)的壓力分布來(lái)測(cè)試網(wǎng)格敏感度。在整個(gè)計(jì)算域長(zhǎng)度中，比較TSI標(biāo)準(zhǔn)中的軌側(cè)位置(y=3.0 m，z=0.2 m)上3種網(wǎng)格輸出的壓力，見(jiàn)圖4。圖4 中，橫軸為基于車高H=3.7 m 的量綱一長(zhǎng)度x/H，縱軸壓力系數(shù)cp定義為

圖4 不同網(wǎng)格策略得到的壓力系數(shù)對(duì)比Fig. 4 Comparison of pressure coefficient with different grid strategies

其中：P為列車表面的絕對(duì)壓力；P0為大氣壓力；ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3；vt為列車速度，取83.33 m/s。從圖4 可以看出：在設(shè)置的3 種網(wǎng)格配置中，網(wǎng)格總數(shù)幾乎不會(huì)影響列車周圍的壓力分布模式，僅改變頭車和尾車通過(guò)測(cè)點(diǎn)位置時(shí)的壓力峰值；與中等網(wǎng)格、精細(xì)網(wǎng)格相比，粗糙網(wǎng)格預(yù)測(cè)頭車和尾車通過(guò)時(shí)的壓力系數(shù)峰值明顯被低估，由此可以認(rèn)為粗糙網(wǎng)格無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)列車周圍的流場(chǎng)特征，而基于中等網(wǎng)格的數(shù)值模擬能夠獲得較好的結(jié)果，因此，在本研究中使用中等網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值仿真。

1.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

NIU 等[22]在中南大學(xué)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)(見(jiàn)圖5(a))，在長(zhǎng)×寬為3 m×3 m的橫截面測(cè)試段中，使用的縮比為1/8，三車編組的列車模型阻塞比遠(yuǎn)低于5%，試驗(yàn)結(jié)果無(wú)需校正。在用于驗(yàn)證的數(shù)值模擬中，使用與風(fēng)洞試驗(yàn)中完全相同的模型與邊界條件(見(jiàn)圖5(b))。當(dāng)風(fēng)速為60 m/s 時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)得到列車表面各位置的壓力分布。將圖5(c)中測(cè)點(diǎn)位置上壓力系數(shù)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6可見(jiàn)：在大多數(shù)列車表面測(cè)點(diǎn)上，cp仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較吻合，表明本數(shù)值方法在預(yù)測(cè)列車模型表面的壓力結(jié)果時(shí)是準(zhǔn)確的，可用于本研究的其他模擬工作。

圖5 車身壓力仿真結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證Fig. 5 Experimental verification of simulation results for train surface pressure

圖6 數(shù)值仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)的壓力系數(shù)cp結(jié)果對(duì)比Fig. 6 Results of cp obtained from numerical simulation and wind tunnel test

2 結(jié)果分析

2.1 列車風(fēng)速度

圖7 所示為在TSI 標(biāo)準(zhǔn)軌側(cè)測(cè)點(diǎn)上，3 種不同站臺(tái)配置旁高速列車產(chǎn)生的列車風(fēng)速度系數(shù)()及其3個(gè)分量的速度系數(shù)(分別為u、v和w)，其中，2條虛線分別代表列車的頭部與尾部鼻尖點(diǎn)的縱向位置，列車頭部和尾部鼻尖點(diǎn)均為列車風(fēng)沿縱向發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。為保持不同工況下測(cè)點(diǎn)位置的一致性，選取車體偏向站臺(tái)2一側(cè)的測(cè)點(diǎn)對(duì)列車風(fēng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。從圖7(a)可見(jiàn)：當(dāng)列車頭車鼻尖經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)，流線型結(jié)構(gòu)將車前空氣推至兩側(cè)，列車風(fēng)速度系數(shù)產(chǎn)生一個(gè)局部極大值，當(dāng)流線型車身完全經(jīng)過(guò)后又迅速減小，在中間車的連續(xù)拖拽作用下，附面層不斷發(fā)展，列車風(fēng)速度系數(shù)沿車身長(zhǎng)度增加而增加；當(dāng)尾車經(jīng)過(guò)時(shí)，列車風(fēng)速度系數(shù)再次增大，然而，在尾流中逐漸減弱。從合成列車風(fēng)速度系數(shù)看，在尾車通過(guò)前，單側(cè)站臺(tái)和雙側(cè)站臺(tái)工況下的列車風(fēng)速度系數(shù)均大于無(wú)站臺(tái)工況的列車風(fēng)速度系數(shù)；而從尾車開(kāi)始到達(dá)測(cè)點(diǎn)至列車完全駛過(guò)測(cè)點(diǎn)的過(guò)程中，單側(cè)站臺(tái)和雙側(cè)站臺(tái)工況下的列車風(fēng)速度系數(shù)比無(wú)站臺(tái)工況的列車風(fēng)速度系數(shù)小，在近尾流區(qū)域(x/H=40附近)的差異最明顯，隨著與列車尾部距離增加，列車風(fēng)速度系數(shù)的差異逐漸縮小。在列車風(fēng)速度系數(shù)的縱向分布中，無(wú)站臺(tái)工況的最大值出現(xiàn)在近尾流區(qū)域，而含站臺(tái)工況的最大值出現(xiàn)在尾車之前。從圖7 中3個(gè)速度系數(shù)分量的縱向發(fā)展可以看出：列車頭部鼻尖通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的差異主要來(lái)自于橫向速度系數(shù)的差異，中間車通過(guò)時(shí)的差異主要由縱向速度系數(shù)差異引起，而尾車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的最大差異是縱向和橫向速度系數(shù)的差異共同引起。由圖7(d)可見(jiàn)，列車風(fēng)的垂向速度系數(shù)與縱向、橫向速度系數(shù)相比可以忽略。

圖7 TSI軌側(cè)測(cè)點(diǎn)上的列車風(fēng)速度系數(shù)及分量Fig. 7 Time-averaged slipstream velocity coefficient and its components on the TSI trackside measuring point

在TSI 標(biāo)準(zhǔn)站臺(tái)測(cè)點(diǎn)上(距軌道中心的橫向距離為3 m，距離站臺(tái)或地面1.2 m 高)，3 種不同站臺(tái)配置旁高速列車產(chǎn)生的列車風(fēng)速度系數(shù)及3個(gè)方向的分量見(jiàn)圖8。同樣地，為保持不同工況下測(cè)點(diǎn)位置的一致性，選取車體站臺(tái)1一側(cè)的測(cè)點(diǎn)對(duì)站臺(tái)列車風(fēng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。從圖8(a)可見(jiàn)：在列車車身通過(guò)時(shí)，無(wú)站臺(tái)工況中的列車風(fēng)速度系數(shù)隨著車身長(zhǎng)度增加持續(xù)增加，而單側(cè)站臺(tái)與雙側(cè)站臺(tái)工況的列車風(fēng)速度系數(shù)約在第二節(jié)車周圍(x/H=10)產(chǎn)生一個(gè)局部較大值，隨后平緩發(fā)展，一直至尾車附近。雖然無(wú)站臺(tái)工況下尾流中的列車風(fēng)速度系數(shù)遠(yuǎn)大于單側(cè)站臺(tái)與雙側(cè)站臺(tái)工況的列車風(fēng)速度系數(shù)，但站臺(tái)的存在都會(huì)增加列車頭車在站臺(tái)上產(chǎn)生列車風(fēng)速度系數(shù)的最大值，行人的安全風(fēng)險(xiǎn)更大。由圖8(d)可見(jiàn)：在TSI站臺(tái)測(cè)點(diǎn)上，含站臺(tái)工況的列車風(fēng)速度系數(shù)垂向分量與縱向、橫向分量的數(shù)量級(jí)相同，且在頭車后部、尾車前部存在顯著的列車風(fēng)速度系數(shù)瞬變，這是列車與站臺(tái)1之間受擠壓的氣流延邊緣侵入站臺(tái)后產(chǎn)生了流動(dòng)分離所致。

圖8 TSI站臺(tái)測(cè)點(diǎn)上的列車風(fēng)速度系數(shù)及分量Fig. 8 Time-averaged slipstream velocity coefficient and its components on the TSI platform measuring point

圖9所示為位于TSI軌側(cè)與站臺(tái)測(cè)點(diǎn)高度水平面上的時(shí)均列車風(fēng)速度系數(shù)分布。由于不同站臺(tái)配置的時(shí)均列車風(fēng)速度系數(shù)分布差異主要集中在頭車與尾車鼻尖附近，且單側(cè)站臺(tái)與雙側(cè)站臺(tái)的差異很小，為了顯示清晰，圖9只給出了無(wú)站臺(tái)工況和單側(cè)站臺(tái)工況下頭尾車附近的列車風(fēng)速度系數(shù)分布。從圖9(a)發(fā)現(xiàn)：列車風(fēng)速度系數(shù)在車底空間的最大值位于第一個(gè)轉(zhuǎn)向架輪對(duì)的流動(dòng)分離區(qū)域與尾車鼻尖附近的區(qū)域；當(dāng)沒(méi)有站臺(tái)時(shí)，時(shí)均列車風(fēng)的速度系數(shù)分布沿列車中心面嚴(yán)格對(duì)稱，而存在站臺(tái)時(shí)，列車壁面與站臺(tái)壁面之間的空間有限，迫使氣體向遠(yuǎn)離站臺(tái)的方向流動(dòng)，最明顯的差異位于頭車車底。在站臺(tái)測(cè)點(diǎn)高度的水平面上(由于基于站臺(tái)的測(cè)點(diǎn)絕對(duì)高度不同，列車的截面輪廓也不同)，列車風(fēng)速度系數(shù)差異更加明顯：高度不同決定了列車風(fēng)主要特征區(qū)域如頭車鼻尖附近區(qū)域、尾流區(qū)域等存在差異，無(wú)站臺(tái)工況的列車風(fēng)速度系數(shù)比含站臺(tái)工況的列車風(fēng)速度系數(shù)大，且車體兩側(cè)的速度系數(shù)分布基本對(duì)稱，含站臺(tái)工況下車體在遠(yuǎn)離站臺(tái)1的一側(cè)的近壁速度系數(shù)分布與無(wú)站臺(tái)工況時(shí)的基本相同，而頭車與第一節(jié)中間車的近站臺(tái)側(cè)都受空間限制的影響，出現(xiàn)了比無(wú)站臺(tái)工況下更大的局部高速區(qū)域。

圖9 TSI軌側(cè)與站臺(tái)測(cè)點(diǎn)高度水平面上的時(shí)均列車風(fēng)速度系數(shù)分布Fig. 9 Time-averaged distribution of the slipstream velocity coefficient on horizontal planes at height of TSI trackside and platform measurement points

2.2 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)列車風(fēng)速度的分析可以看出，有、無(wú)站臺(tái)配置的宏觀表現(xiàn)存在明顯差異，這是不同的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)造成的。圖10 所示為分別位于頭車、中間車與尾車中部垂直截面上的時(shí)均壓力系數(shù)分布情況。從圖10 可見(jiàn)：在縱向上，頭車中部截面上分布的負(fù)壓系數(shù)較強(qiáng)，尾車中部截面上的負(fù)壓系數(shù)次之，而中間車中部截面上的壓力系數(shù)基本保持在-0.02～0之內(nèi)；在無(wú)站臺(tái)工況下，頭車截面上的壓力系數(shù)分布基本對(duì)稱，在車體的兩側(cè)與底面的過(guò)渡區(qū)域產(chǎn)生了區(qū)域性的負(fù)壓匯聚；而當(dāng)站臺(tái)存在時(shí)，壓力系數(shù)分布不再對(duì)稱，遠(yuǎn)離站臺(tái)一側(cè)的負(fù)壓中心在維持原有形狀的基礎(chǔ)上，范圍擴(kuò)大，壓力系數(shù)增強(qiáng)；在靠近站臺(tái)的一側(cè)，原有的負(fù)壓中心由于緊鄰站臺(tái)的空間限制向另一側(cè)移動(dòng)至車底；在頭車中間高度處，側(cè)壁與站臺(tái)的黏性作用形成了另一個(gè)漩渦，而原本的貼地氣流在沿孔隙向上溢出時(shí)被該漩渦阻擋，局部速度降低，壓力系數(shù)上升。單側(cè)與雙側(cè)站臺(tái)工況下的壓力系數(shù)分布模式是相同的，然而，由于另一側(cè)站臺(tái)存在，雙側(cè)站臺(tái)工況下頭車周圍的負(fù)壓稍高；隨著流場(chǎng)沿車身縱向發(fā)展，由頭車與站臺(tái)形成的漩渦上移，在中間車所處的縱向位置上，該漩渦已上移至車頂；在遠(yuǎn)離站臺(tái)一側(cè)，3種工況下的壓力分布模式一致；雙側(cè)站臺(tái)工況的負(fù)壓強(qiáng)度最大，無(wú)站臺(tái)工況的負(fù)壓強(qiáng)度最小。

圖10 不同站臺(tái)配置下各車輛中間長(zhǎng)度截面上的壓力系數(shù)分布Fig. 10 Pressure coefficient distribution on the mid-length section of each car under different platform configurations

不同站臺(tái)配置下列車尾流中的渦度系數(shù)分布見(jiàn)圖11。由圖11 可知：當(dāng)不考慮站臺(tái)時(shí)，尾車兩側(cè)有一對(duì)最大尺度、最高強(qiáng)度、反向旋轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)對(duì)稱的渦流，隨著與尾車鼻尖距離增加，這一對(duì)渦流范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度降低。當(dāng)站臺(tái)存在時(shí)，地面與站臺(tái)之間的直角區(qū)域大大縮小了渦流的橫向發(fā)展空間，大幅增強(qiáng)了該區(qū)域的渦度系數(shù)，該渦度系數(shù)遠(yuǎn)大于無(wú)站臺(tái)工況時(shí)的渦度系數(shù)。此外，該區(qū)域渦流的形狀受站臺(tái)垂直端面限制發(fā)生改變，進(jìn)而影響了另一側(cè)渦流的原有形狀。在地面與站臺(tái)垂直端面之間的狹窄空間里，分布著比尾流主漩渦更強(qiáng)烈的正向渦度，這是氣流在此垂直狹窄空間內(nèi)的受限流動(dòng)引起的。隨著漩渦向下游進(jìn)一步發(fā)展，單側(cè)與雙側(cè)站臺(tái)工況下的負(fù)渦度區(qū)域規(guī)模略微減小，然而強(qiáng)度始終較高。

圖11 不同站臺(tái)配置下列車尾流不同位置上的渦度系數(shù)分布Fig. 11 Vorticity coefficient distribution at various locations of wake flow under different platform configurations

2.3 站臺(tái)人員退避距離

由于列車風(fēng)可能引起安全事故，因而需要在站臺(tái)上指定安全避讓距離來(lái)確保候車乘客的安全。通過(guò)監(jiān)測(cè)站臺(tái)上方多個(gè)測(cè)點(diǎn)的列車風(fēng)速度最大值，并通過(guò)插值得出整個(gè)站臺(tái)區(qū)域內(nèi)的最大列車風(fēng)速度分布，見(jiàn)圖12。根據(jù)既有研究，站臺(tái)人員允許承受的最大列車風(fēng)風(fēng)速為14 m/s[23]，故在圖12 中標(biāo)出站臺(tái)區(qū)域內(nèi)列車風(fēng)速度為14 m/s 的等速線。圖12 中，白色虛線為能產(chǎn)生最大允許列車風(fēng)風(fēng)速的邊界，即該線與列車之間存在大于等于14 m/s的列車風(fēng)風(fēng)速，會(huì)對(duì)站臺(tái)人員構(gòu)成安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，該位置對(duì)應(yīng)的距離可作為安全退避距離的參考值。當(dāng)列車以300 km/h 的速度通過(guò)時(shí)，在無(wú)站臺(tái)工況下，站臺(tái)人員的安全退避距離約為3.4 m(距離軌道中心)；單側(cè)與雙側(cè)站臺(tái)工況下得到的安全退避距離一致，均為2.5 m左右。綜上可知，在既往對(duì)列車風(fēng)的研究中，未考慮站臺(tái)時(shí)，對(duì)退避距離的計(jì)算結(jié)果偏大。

圖12 基于站臺(tái)區(qū)域的最大列車風(fēng)速度確定的安全退避距離Fig. 12 Safe evacuation distance determined based on the maximum slipstream velocity in the platform area

3 結(jié)論

1) 站臺(tái)配置對(duì)列車風(fēng)速度的分布影響顯著。當(dāng)站臺(tái)存在時(shí)，中間車在軌側(cè)產(chǎn)生的合成列車風(fēng)速度大于無(wú)站臺(tái)配置的列車風(fēng)速度，而尾流區(qū)域的列車風(fēng)速度較弱。

2) 當(dāng)站臺(tái)存在時(shí)，其垂直端面與列車壁面之間的狹窄空間會(huì)改變周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，破壞列車尾部壓力和渦度的對(duì)稱性，在站臺(tái)上形成了隨列車縱向長(zhǎng)度發(fā)展而上移的漩渦，在車輛與站臺(tái)間的渦度顯著增強(qiáng)。

3) 基于站臺(tái)區(qū)域最大列車風(fēng)速度的分布，當(dāng)列車以300 km/h 的速度通過(guò)時(shí)，若不存在站臺(tái)，則人員的安全退避距離約為3.4 m，若存在站臺(tái)，則該距離減小至2.5 m左右。