同向高速列車對(duì)站臺(tái)雨棚的氣動(dòng)效應(yīng)分析

任遠(yuǎn) 閆亞光

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

高速列車兩車同向行駛時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的列車風(fēng)，對(duì)站臺(tái)雨棚有顯著的氣動(dòng)效應(yīng)。論文基于三維、不可壓縮、非定常流體N-S方程、k-ε方程，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，分析同向兩列車不同速度行駛工況過(guò)站產(chǎn)生的氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)站臺(tái)雨棚的影響。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，雨棚入口附近正、負(fù)壓力峰值均達(dá)到最大；列車行駛時(shí)受到旁側(cè)列車影響，列車風(fēng)與旁側(cè)列車車速成正比。

高速列車；雨棚；列車風(fēng)；數(shù)值模擬

1 引言

隨著高速鐵路發(fā)展，列車設(shè)計(jì)時(shí)速越來(lái)越快，過(guò)站時(shí)產(chǎn)生列車風(fēng)也更加強(qiáng)烈，列車風(fēng)[1]是由列車行駛帶動(dòng)附近空氣運(yùn)動(dòng)形成速度差而產(chǎn)生的，對(duì)站臺(tái)臨近結(jié)構(gòu)有十分顯著的氣動(dòng)效應(yīng)影響，站臺(tái)雨棚作為典型的車站臨近結(jié)構(gòu)具有大跨度、結(jié)構(gòu)輕盈等特點(diǎn)，列車風(fēng)致效應(yīng)對(duì)其影響較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及候車人員及列車安全。論文以站臺(tái)雨棚為研究背景，分析同向兩列車對(duì)站臺(tái)雨棚的氣動(dòng)效應(yīng)分析[2.3]。

2 計(jì)算模型

2.1 模型建立

論文采用CR400BF 為列車模型，在建立模型時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，車體斷面積13.608 ㎡，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(zhǎng)209.06m。CR400BF 動(dòng)車組列車模型如圖1 所示。雨棚模型長(zhǎng)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，車站雨棚模型如圖2 所示。

圖1 列車模型

圖2 車站雨棚模型

2.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

通過(guò)CFD 流體計(jì)算前處理軟件Gambit 進(jìn)行建立計(jì)算模型，計(jì)算域尺寸為200m×30m×1000m，采用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，列車在雨棚前70m 處開(kāi)始行駛，確保接近雨棚時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。雨棚表面、計(jì)算域底部設(shè)為壁面（Wall）；計(jì)算域遠(yuǎn)端界面設(shè)為遠(yuǎn)場(chǎng)邊界（pressure-far-field）；在車體表面和計(jì)算域之間建立起滑移交界面( interface），網(wǎng)格采用加密結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分列車部分及滑移部分。

2.3 雨棚測(cè)點(diǎn)布置

針對(duì)同向兩列車行駛通過(guò)雨棚，論文雨棚測(cè)點(diǎn)布置如下。沿軌道方向每12.4m 布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，均布置在列車軌道上方雨棚下表面處，監(jiān)測(cè)縱向雨棚風(fēng)壓分布，共布置16 個(gè)；垂直軌道方向每3.44m 布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，均布置在列車接近雨棚入口下表面處，監(jiān)測(cè)列車通過(guò)時(shí)是否行駛軌道上方測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓最大，共布置20 個(gè)（包含沿軌道方向的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)）。測(cè)點(diǎn)高度7m，測(cè)點(diǎn)布置及軌道編號(hào)如圖3 所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

3 數(shù)值模擬及分析

論文通過(guò)控制列車單一參數(shù)變化，對(duì)比分析雨棚下表面所受風(fēng)壓分布特點(diǎn)以及風(fēng)壓參數(shù)最不利位置，據(jù)此得出雨棚最優(yōu)改進(jìn)方法及列車行駛方式。本節(jié)共選取5 種工況進(jìn)行模擬計(jì)算，研究同向兩列車不同速度下對(duì)雨棚所受列車風(fēng)的影響。

以兩車固定軌道行駛為研究對(duì)象，通過(guò)變化車速來(lái)研究列車風(fēng)對(duì)近軌雨棚的氣動(dòng)效應(yīng)，由于左側(cè)列車速度較慢產(chǎn)生的風(fēng)壓參數(shù)遠(yuǎn)小于右側(cè)列車，故此節(jié)僅分析右側(cè)列車對(duì)雨棚產(chǎn)生的氣動(dòng)壓力。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(dòng)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)

3.1 風(fēng)壓分布特點(diǎn)

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，以右車300km/h、左車250km/h為研究對(duì)象，取沿軌道16 個(gè)測(cè)點(diǎn)中的入口、中部、出口三個(gè)測(cè)點(diǎn)繪制風(fēng)壓時(shí)程曲線如圖4 所示。測(cè)點(diǎn)所受風(fēng)壓分布趨勢(shì)相似，右側(cè)列車車頭通過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)，雨棚所受風(fēng)壓攀升達(dá)到正壓峰值后迅速由正變負(fù)，緊接較慢的左側(cè)列車車頭靠近產(chǎn)生風(fēng)壓波動(dòng)，風(fēng)壓數(shù)值遠(yuǎn)小于右側(cè)列車。兩車車頭通過(guò)后風(fēng)壓曲線保持穩(wěn)定，當(dāng)右側(cè)車尾通過(guò)時(shí)，風(fēng)壓由負(fù)變正，并在車尾通過(guò)時(shí)產(chǎn)生負(fù)風(fēng)壓峰值，緊接較慢的左側(cè)列車車尾靠近通過(guò)，再次產(chǎn)生較小的風(fēng)壓波動(dòng)。正負(fù)風(fēng)壓變換交替是由于車頭、車尾通過(guò)帶來(lái)的，變換交替時(shí)間為車頭、車尾通過(guò)時(shí)間。

圖4 風(fēng)壓時(shí)程曲線圖

3.2 不同速度下沿軌道方向測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓參數(shù)變化分析

同向兩列車以不同速度通過(guò)雨棚時(shí)，縱向測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓參數(shù)變化曲線如圖5 所示，風(fēng)壓參數(shù)曲線趨勢(shì)表現(xiàn)相似，且風(fēng)壓參數(shù)絕對(duì)值與速度值成正比。由正風(fēng)壓峰值參數(shù)曲線可知，工況2 與工況3 右側(cè)列車雖然行駛速度相同，但由于受到左側(cè)列車不同速度行駛的影響，右側(cè)列車產(chǎn)生的風(fēng)壓參數(shù)發(fā)生變化，工況3 中較快速度的左側(cè)列車使得右側(cè)軌道上雨棚受到更大的列車風(fēng)影響，工況4 與工況5 同理。由圖5a）可得正風(fēng)壓峰值均在雨棚入口處達(dá)到最大值，中部測(cè)點(diǎn)受到持續(xù)的列車風(fēng)影響，曲線趨勢(shì)保持穩(wěn)定，雨棚出口處正風(fēng)壓峰值略微上升。由圖5b）可知，負(fù)風(fēng)壓峰值參數(shù)曲線與正風(fēng)壓峰值參數(shù)曲線相同，受到旁側(cè)列車影響，產(chǎn)生相同速度不同風(fēng)壓的情況。負(fù)風(fēng)壓峰值最大值均出現(xiàn)在2 號(hào)測(cè)點(diǎn)，即雨棚入口附近，中部測(cè)點(diǎn)在工況1 保持受壓曲線穩(wěn)定，在工況2、3、4、5 由于速度增加，曲線出現(xiàn)多次波動(dòng)，雨棚出口處負(fù)風(fēng)壓峰值參數(shù)曲線出現(xiàn)回升。

圖5 各工況縱向測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓參數(shù)曲線

4 結(jié)論

論文通過(guò)控制列車單一參數(shù)變化,在五種不同車速工況下，壓力峰值絕對(duì)值與車速成正比，風(fēng)壓參數(shù)曲線趨勢(shì)相似，正壓力峰值最大值均出現(xiàn)在雨棚入口處，雨棚中部測(cè)點(diǎn)正壓力峰值均保持穩(wěn)定，負(fù)壓力峰值最大值均出現(xiàn)在雨棚入口的2 號(hào)測(cè)點(diǎn)處，雨棚中部測(cè)點(diǎn)受到不同車速影響表現(xiàn)出不同的波動(dòng)趨勢(shì)。此模擬計(jì)算得到，列車行駛時(shí)會(huì)受到旁側(cè)車輛行駛速度的影響，且產(chǎn)生的列車風(fēng)也與旁側(cè)列車速度有關(guān)，需避免兩車同向行駛時(shí)速度過(guò)快，對(duì)雨棚產(chǎn)生過(guò)大的列車風(fēng)影響導(dǎo)致雨棚結(jié)構(gòu)損壞，危及候車人員及列車安全。