列车高速过站引起车站顶棚瞬变压力研究*

程建峰，周丹

(1.中国南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111;2.中南大学交通运输工程学院，湖南长沙410075;3.轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙410075)

京沪高速铁路是《中长期铁路网规划》中投资规模最大、技术含量最高的一项工程，是我国第一条具有世界先进水平的高速铁路。为提高运营效率，高速列车可能会不减速通过京沪高铁沿线部分车站。列车高速通过车站引起的空气压力波动对列车运行安全性及站台周围环境均有严重不良影响，是高速铁路车站设计中必须解决的关键技术问题［1－3］。高速行驶的列车使其周围流场受到强烈扰动。当列车高速驶入车站，列车周围流场边界发生突变，会在列车与车站顶棚之间产生类似活塞效应的气动现象［4－5］。尤其当列车的头部或尾部通过瞬间，将引起车站顶棚处的空气压力发生突变，形成一种瞬态压力冲击。为确保旅客及铁路行车安全，需要对列车高速通过车站引起的瞬变气动载荷进行系统研究［6－8］。

运行列车周围的空气流动是压力和速度不断变化的非稳态流场，列车相对地面和周围建筑物是实时运动的。但在风洞试验中模型列车被固定，不能模拟列车与地面及周围环境的相对运动，因此它不能精确描述高速列车通过车站引起的非定常现象［9－10］。为研究列车运动引起的非定常流动，动模型试验是最佳试验手段［11－12］。动模型试验能够模拟两交会列车之间、列车与周围环境(地面、隧道、道旁建筑等)之间的相对运动，可以真实地反映地面效应［11－12］。

本文采用模型比例为1∶20的列车气动性能动模型试验装置，对2车编组的高速列车进出车站，以及两列高速列车在车站内交会情况进行了模拟，得到车站顶棚表面所受空气荷载的变化情况。研究结果可为列车高速安全通过车站提供理论参考。

1 动模型试验装置简介

本次试验在中南大学的列车气动性能模拟动模型试验装置上进行。该试验平台根据流动相似原理，通过弹射方式使模型列车在线路上无动力高速运行，真实再现高速列车交会与过车站等空气三维非定常、非对称流动现象，能够模拟两交会列车之间和列车与地面、站台建筑之间的相对运动。

该试验线为复线，可进行两列模型列车的交会试验。试验线全长164 m，其中试验段长为60 m。在试验段上安装站台，用于列车交会和列车过站台试验。列车气动性能模拟动模型试验装置采用多级动滑轮增速机构的加速系统，模型列车最高速度可达500 km/h。控制系统能可靠地控制动模型试验的整个运动过程，即控制弹射力加载、安全预警、单端发射、单端车载系统与地面系统同步采样、双端同步发射、两交会列车的车载系统和地面系统同步采样等，以确保在试验时获得时间和空间上一致的试验数据。测试系统可实时采集、存储列车通过车站和车站内交会时顶棚压力波动及模型列车运行速度等参数。

2 试验模型及方法

2.1 试验模型

本次动模型试验采用的模型比例为1∶20。高速列车模型采用头车+尾车两车编组，车体实际尺寸:高3.89 m，长51.7 m。模拟车站实际长度为162 m，宽度25 m，轨道线间距5 m。按1∶20的比例缩比后，高速列车模型长度为2.585 m，高度为0.1945 m;车站模型长8.1 m、宽度1.25 m，线间距0.25 m。缩比后的车站模型、列车断面布置图及坐标轴如图1所示。坐标轴x为列车运行方向，以站台入口为原点;坐标轴y为水平方向，以线路中心为原点;坐标轴z为高度方向，以站台平面为原点。

试验分为单列高速列车通过站台及两列高速列车在站台交会2种情况:(1)模拟单列高速列车分别以300，350和360 km/h速度通过站台模型时，测试车站顶棚表面不同位置处的瞬态压力波动，模型图见图2所示;(2)模拟高速列车以350 km/h速度在站台中部交会时，测试车站顶棚表面不同位置处的瞬态压力波动。

图1 站台模型与试验台断面布置图(mm)Fig.1 Sketch of the railway station(mm)

图2 高速列车通过站台动模型试验照片Fig.2 Photograph of the station and train models mounted in moving model rig

2.2 测试方法及测点布置

动模型试验中列车模型比实车小很多，试验条件和实车运行的条件也不完全相同。在进行模型试验时，为了有效地模拟实车在线路上运行的实际情况，使测试数据具有可比性，必须满足一定的相似准则。为正确的模拟列车高速通过车站压力波的传播过程，动模型试验必须保证雷诺数Re相似及马赫数Ma相似［13－15］。为实现两个流场的马赫数相等，动模型试验中模型列车的车速与列车实际运行速度相同。由于模型列车速度在300～360 km/h范围内，对应的雷诺数在7.76×105～9.3 ×105范围内，因此试验处于自模拟区［14］。

采用瞬态压力传感器对车站顶棚瞬变压力进行测试。当列车模型以300 km/h及以上速度通过车站，为捕捉车站顶棚所受压力的瞬变特性，压力传感器的采样频率选用5 000 Hz［15］。

当列车通过车站时，顶棚沿列车运行方向(x轴)及水平方向(y轴)受力均不同，因此沿顶棚纵向(x轴)、靠近列车一侧的线路中心的11个截面布置了压力传感器;在顶棚中部截面，沿水平方向(y轴)布置了5个测点压力传感器。

3 试验结果及分析

3.1 单列车过站顶棚气动特性分析

图3为高速列车分别以300，350和360 km/h速度通过车站时，顶棚中部测点的压力变化曲线。从图中可知，在列车车头鼻尖到达测点前一段时间，压力就已开始增加，之后迅速增大，当列车车头鼻尖达到测点时，测点的压力正峰值达到最大，之后迅速减小，产生负脉冲波，当车头流线型头部通过测点后，压力回升。车头通过测点引起的峰－峰值时间间隔可根据通过列车车头长度计算得到:(其中:为列车流线型头部长度，V为车速)。车尾通过测点时产生的压力变化幅值较小，且压力变化过程与车头通过时相反，即先产生一个负压峰值，再产生一个正压峰值。列车以不同速度通过车站时，顶棚的瞬态压力脉冲波形基本一致。对不同车速下车站顶棚测点的压力总幅值用幂函数曲线拟合，发现顶棚处压力变化幅值与列车运行速度二次方近似成正比的关系，如图4所示。

图3 不同速度下车站顶棚所受压力曲线Fig.3 Pressure history as train passes through the station at different speed on ceiling

图4 车站顶棚压力幅值与速度的关系曲线Fig.4 Relation curve between pressure amplitude on ceiling and velocity

列车高速通过站台时，车站顶棚沿列车运行方向(x轴)及水平方向(y轴)受力不同。当列车以350 km/h速度通过站台，沿顶棚水平方向不同测点的压力系数变化幅值如图5所示，其中ΔP+为正压幅值，ΔP－为负压幅值。从图中可以看出，顶棚不同测点的压力随着车体壁面距测点间距的增大而减小。图6为车站顶棚沿列车运行方向不同测点的压力系数变化幅值。从站台入口到站台出口，列车进站时引起的空气(流场)扰动强度略有减小，到站台出口处达到最小。列车进站时引起的测点压力系数幅值比出口大5%左右。

3.2 两列车在车站交会顶棚气动特性分析

图7为动车组以350 km/h速度在车站中部交会时顶棚各测点的压力系数波动曲线，取列车头部进站时刻为时间坐标的原点。从图中可以看出，布置在两列车交会过程中的测点瞬变压力曲线显著不同于远离交会位置处的测点及单车通过测点情况。当t=0.02 s，列车鼻尖位置到达x=1 m的测点位置，引起压力波动;随着车尾通过该测点，其压力恢复到初始情况。当t=0.41 s，两列车的车头均到达x=4 m，此时车站顶棚处的测点不仅感受到靠近该测点的列车产生的瞬变压力，而且也受到交会列车通过引起的压力波动影响。由于相同符号的压力波动发生叠加时压力幅值会显著增加，因此x=4 m测点压力幅值达到最大。对于位于x=4.5 m位置处的测点，仅最大负压峰值发生了叠加。当t=0.118 s，两列车在站台内完成交会。在t=0.12 s，交会列车通过测点x=1 m，又产生了一个较小的压力波动。

图5 沿y轴方向站台顶棚不同测点压力分布Fig.5 Pressure amplitude at different position along the y－axis on ceiling

图6 沿x轴方向站台顶棚不同测点压力分布Fig.6 Pressure amplitude at different positions along the x－axis on ceiling

图7 两列车交会时不同测点压力系数曲线Fig.7 Pressure change with time as trains passing each other in the station at different positions on ceiling

图8为车站顶棚沿x轴方向不同测点的压力系数变化幅值。顶棚中部附近测点的压力系数幅值变化较大，这是由于列车在站台中部交会时，不仅列车通过测点会引起较大的压力波动，而且两列车交会瞬间也会产生剧烈的交会压力波，交会压力波传至顶棚表面，导致瞬变压力波动发生叠加。

图8 两车交会时沿x轴方向顶棚压力分布Fig.8 Pressure amplitude at different position along the x－axis on ceiling

4 结论

(1)列车的头部或尾部通过车站瞬间，将引起车站顶棚处的空气压力发生突变，形成一种瞬态压力冲击。车头通过测点引起的峰—峰值时间间隔可根据通过列车车头长度计算得到:(其中Ln为列车流线型头部长度，V为车速)。

(2)顶棚不同测点的压力随着车体壁面距测点间距的增大而减小。列车进站时引起的测点压力系数幅值最大，沿列车运行方向压力系数幅值逐步减小，在站台出口出达到最小。

(3)高速列车在车站交会时，不仅列车通过测点会引起较大的压力波动，而且两列车交会瞬间也会产生剧烈的交会压力波，交会压力波传至测点表面，导致不同的压力波发生叠加，使得测点瞬变压力曲线显著不同于单列车通过测点情况。

［1］Raghunathan RS，Kim HD，Setoguchi T.Aerodynamics of high speed railway train［J］.Progress in Aerospace Science，2002，38:469－514.

［2］Kim J Y，Kim K Y.Experimental and numerical analyses of train － induced unsteady tunnel flow in subway［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2007，22(2):166－172.

［3］Sanz－Andrés A，Laverón A，Cuerva A，Baker CJ.Vehicle － induced force on pedestrians［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2004，92(2):185－198.

［4］周志勇，程波，艾辉林.高速列车过站空气动力效应数值模拟研究［J］.力学季刊，2010，31(4):521－527.

ZHOU Zhiyong，CHEN Bo，AI Huilin.Numerical simulation of aerodynamic characteristics of roof passing by high － speed train［J］.Chinese Quarterly of Mechanics，2010，31(4):521－527.

［5］Kim J Y，Kim K Y.Experimental and numerical analyses of train － induced unsteady tunnel flow in subway［J］.Tunn Undergr Sp Tech，2007，22(2):166 －172.

［6］崔涛，张卫华，张曙光，等.列车高速通过站台时的流固耦合振动研究［J］.中国铁道科学，2010，31(2):50－55.

GUI Tao，ZHANG Weihua，ZHANG Shuguang，et al.Study on the fluid－solid coupling vibration of train passing through platform at high speed［J］.China Railway Science，2010，31(2):50 －55.

［7］Gerhardt H J，Krüger O.Wind and train driven air movements in train stations［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1998，74－76:589－597.

［8］崔涛，张卫华.侧风环境下列车高速通过站台的流固耦合振动［J］.西南交通大学学报，2011，46(3):404－408.

CUI Tao，ZHANG Weihua.Fluid－solid coupling vibraton of train passing through platform at high speed in cross wind［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2011，46(3):404－408.

［9］Fujii K，Ogawa T.Aerodynamics of high speed trains passing by each other［J］.Comput Fluids，1995，24:897－908.

［10］Bocciolone M，Cheli F，Corradi R，et al.Crosswind action on rail vehicles:Wind tunnel experimental analyses［J］.Wind Eng Ind Aerodyn，2008，98:584 －610.

［11］Sanz－Andres A，Santiago－ Prowald J，Baker C J，et al.Vehicle induced loads on traffic sign panels［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2003，91:925－942.

［12］Jordan S C，Sterling M，Baker C J.Modelling the response of a standing person to the slipstream generated by a pessenger train［J］.Proc IMechE，Part F:J Rail and Rapid Transit，2009，223(F2):567 －577.

［13］Baker C J，Dalley S，Johnson T，et al.The slipstreams and wake of a high － speed train［J］.Proc IMechE，Part F:J Rail and Rapid Transit，2001，215(F2):83 －99.

［14］田红旗.列车空气动力学［M］.北京:中国铁道出版社，2007.

TIAN Hongqi.Aerodynamics of high speed train［M］.Beijing:China Railway Publishing House，2007.

［15］EN 14067－4:Railway applications Aerodynamics Part 4:Requirements and test procedures for aerodynamics on open track［S］.British，2006.