列车越行时活塞风作用下气流分布分析

赖晓龙 毕海权 刘 金 李桂萍

（1.西南交通大学机械工程学院 成都 610031；2.中国铁路设计集团有限公司 天津 300308）

0 引言

随着我国社会经济高速发展，以及京津城际、京沪高铁、西成客专等具有标志性意义的高铁线路建成运行，一系列成果获得举世瞩目的关注[1]。据统计，截止2020年8月，全国铁路运营里程达到14.14 万公里，其中高速铁路运营里程已达到3.6万公里以上。同一时间，《新时代交通强国铁路先行规划纲要》正式发布，纲要明确，到2035年，全国铁路网运营里程达到20 万公里左右，其中高铁7 万公里左右[2]。与此同时，城市地上可用空间资源不断减少，地下车站因能极大程度上节省土地资源，改善城市交通状况，受到社会各界的广泛关注[3]。屏蔽门开启列车越行时，会导致隧道内的活塞风经屏蔽门进入站台，进一步加重站内热环境控制的能耗。有研究表明，站内热环境控制所需的能耗在整个车站能耗占比中有很大的贡献[4]。并且，一侧列车靠站屏蔽门开启另一侧列车越行时也对乘客上下车造成一定的安全隐患[5]。

目前，列车活塞风所造成的站内空气流动影响的研究主要集中于地铁车站，相关的地下综合交通枢纽类车站研究较少，主要的研究方法包括现场测试、数值模拟和理论分析等。齐江浩通过现场测试对隧道活塞风特征进行分析[6]，崔景东、黄鹏及杨晖等学者通过数值模拟研究了活塞风对车站站内环境的影响[7-9]，罗忠等学者对隧道活塞风的理论计算及影响因素进行了分析[10]。但在列车活塞风及室内热压综合作用下，屏蔽门开启时站内与轨行区之间的空气流动特性并不清晰，其空气交换量也不明确，导致一些地下车站设计中关于活塞风量的影响也仅仅是选取经验值，不利于车站的节能降耗。因此，本文以地下综合交通枢纽车站为研究对象，利用CFD 软件研究一侧列车靠站屏蔽门开启另一侧列车越行时所引起的活塞风对站内气流分布的影响。

1 数值方法

1.1 控制方程

利用CFD 软件研究一侧列车靠站屏蔽门开启另一侧列车越行时所引起的活塞风对站内气流分布的影响。实际中站内环境及轨行区空气流动是三维、非稳态、可压缩的湍流流动，由于列车周围诱导气流的速度小于0.3Ma，计算中可将流场视作不可压缩流动。基于Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)[11]方程的k-ε湍流模型来求解空气流动，其控制方程为：

（1）连续性方程

（2）动量方程

（3）能量方程

（4）湍动能k方程

（5）湍动能耗散率ε方程

（6）理想气体状态方程

上述各式中：patm为标准大气压，ρ为密度，Rg为气体常数，T为流体温度，t为时间，μ为动力粘性系数，U为速度矢量，其中u、v、ω分别为x、y、z方向的速度分量，e为流体内能，能量方程中的k为流体导热系数，Smx、Smy和Smz为流体源，Se为热源，Sk、Sε为用户定义的源项。

数值计算中采用二阶迎风空间差分格式以及隐式时间积分方案，同时应用壁面函数法处理近壁面流场区域以及选取Realizablek-ε湍流模型处理流场的湍流流动。

1.2 数值模型

本文以某地下综合交通枢纽车站为研究对象，整体几何模型如图1（a）所示，主要包含B0.5 进站夹层、B1 安检售票层，B2 候车大厅层和B3 站台层（大小里程端各有一咽喉区，之后与区间隧道相连）。站内每层公共区域都存在大面积的开口以及大量楼扶梯口，使得站内有较大的贯通区存在，且最大净高处达到26m。其中车站主体尺寸为475m×175m×28m（X×Y×Z），且屏蔽门开启侧站台长450m，宽11.3m，高7.5m。如图1 所示，采用CRH6A-8 编城际车，车长201.4m，列车从距车站1210m 处以120km/h 速度启动，之后越行过站。列车启动位置、行驶方向以及车站相对位置示意如图2 所示。

图1 数值计算模型Fig.1 Numerical calculation model

图2 列车行驶及车站相对位置示意图Fig.2 Schematic diagram of train running and station relative position

1.3 边界条件及数值网格

车站各层开口及四个隧道口皆采用Pressure outlet 边界条件，其他表面皆为壁面边界条件，其中对于站内地面采用给定壁面热流量，其余壁面皆为绝热壁面。根据车站设计参数，冬季室外环境温度-9℃，车站与周围建筑连通口处外部温度18℃。站内诸如电扶梯、升降梯等设备散热量约为3900kW，人员总散热量为1600kW，地板辐射供暖指标为144W/m2。

网格划分时，采用六面体网格，在壁面设置边界层网格，同时在局部开口和列车运行区域进行加密处理。如图3 中的无关性验证所示，图3（a）为时间步长0.004s 时不同网格尺寸下屏蔽门处风量情况，图3（b）为网格尺寸0.3m 时不同时间步长下屏蔽门处风量情况。考虑到计算机运行能力和计算时间，选取列车网格尺寸0.3m，时间步长0.004s，总网格量为1970 万。

图3 无关性验证Fig.3 Verification of irrelevance

2 结果分析

图4 所示为列车行驶至t=39.3s 和t=78.0s 时轨行区及站台1.7m 高处风速大小分布云图。t=39.3s时，列车部分进入图2 中的车站处，在屏蔽门处所引起的风速大小主要分布在1.3～6.7m/s，站台区域内的风速主要分布在0.5～3.6m/s；t=78.0s 时，列车行至图2 中的远离车站处，在屏蔽门处所引起的风速大小主要分布在0.9～1.9m/s，站台区域内的风速主要分布在0.3～0.8m/s。同时结合图5 中车站屏蔽门风量分布情况可知，t=39.3s 时，屏蔽门处空气整体上是经屏蔽门流向站内，t=78.0s 时，屏蔽门处的空气整体上是经屏蔽门流向轨行区的。结合两时刻风速大小变化可知，在图4 所示的轨行区长度范围内，随着列车的不断驶离，屏蔽门处风速不断下降。可以预见，当列车继续行驶至再远处时，屏蔽门附近空气流动会趋于稳定，活塞风对屏蔽门处气流分布的影响将可忽略不计，且由于站内热量来源广以及众多开口导致热压作用显著，空气经屏蔽门不断流入站内。

靠站列车有乘客上下车时，若有越行列车通过其产生的诱导气流可能会对人员有安全隐患。对于该种情况，英国对此采用人员附近的平均风速作为判据：以11.1m/s 风速为站台安全风速[12]。《TB10623-2014 城际铁路设计规范》中规定“列车过站考虑最大侧风15m/s 时，线路中心线至站台安全标线距离为2750mm”[13]。本文中，越行车对屏蔽门处上下车乘客所引起的最大风速约为6.7m/s，且乘客上下车处距离越行车中心线7.6m，均低于相关判据，即越行车所引起的活塞风对乘客上下车造成安全隐患的可能性较小。

图4 轨行区及站台1.7m 高处风速分布Fig.4 Wind speed distribution in the track area and platform at the height of 1.7m

屏蔽门处风量结果如图5（a）～（e）所示，屏蔽门编号位置见图2（c），可以看出，屏蔽门1-2、屏蔽门14-15 和屏蔽门29-30 的风量与其他位置是有明显差异的。这6 个屏蔽门的差异主要体现在两方面：一是它们的面积大小相对更大一些，二是它们的位置分别位于靠站列车的车尾、车身和车头。虽然屏蔽门1-2 的面积相对较大，但是在靠站列车的阻塞作用下，导致靠站列车车尾附近活塞风流动阻力较大，造成该处风量反而较小；相对地，靠站列车车身及车头处由于越行车车身进入车站较多，引起的活塞风流动较为稳定，所以屏蔽门14-15 和屏蔽门29-30 处风量有明显增大。并且，只有车尾及车头附近的几个屏蔽门处风量随越行车的行驶不断变化，其他位于车身范围内的屏蔽门处风量变化相对较小，仅在列车到达附近时会有突变。同时，越行车在屏蔽门处所引起的最大进站活塞风量仅有173.0kg/s，对站内气流分布影响较小。因此，可以认为，由于列车越行所造成的站内气流分布变化是短暂且微弱的。

图5 车站部分开口处风量分布Fig.5 Mass flow distribution at the opening of some stations

图5（f）为整个越行过程中车站各层开口风量汇总。对屏蔽门处风量而言，其正值表示空气经屏蔽门流入站内，其他开口处风量正值表示空气经相应开口流出车站。可以看到，列车车头到达设备房1 之前，站内空气流动受活塞风作用影响微弱，此时站内空气在热压作用影响下，通风量达到110kg/s 左右，形成明显的热压自然通风流动，整体气流分布呈现出由车站底部的屏蔽门和B2 层开口进风，而后经B1 层开口及窗户流出车站。由于车头前方的活塞风形成正压区，在车头到达设备房1 之后，随着列车的行驶，活塞风所造成的影响不断增大，直至车头到达距离屏蔽门1 不远处时，进站活塞风量达到最大值173.0kg/s，而后列车车身不断驶入车站轨行区，车身附近诱导气流形成负压区，导致活塞风量不断由站内流向轨行区，直至达到最大值127.5kg/s。而后随着车头驶离设备房2，站内气流受活塞风影响逐步减少，其流动状态逐步由屏蔽门出风变化为屏蔽门进风，直至恢复为自然通风。

3 结论

本文利用CFD 软件研究冬季一侧列车靠站屏蔽门开启另一侧列车越行时所引起的活塞风对站内气流分布的影响，主要结论如下：

（1）越行车引起的活塞风对屏蔽门处上下车乘客所造成的最大风速为6.7m/s，即越行车所引起的活塞风对乘客上下车造成安全隐患的可能性较小。

（2）越行车在屏蔽门处所引起的最大活塞风量为173.0kg/s，且其对站内气流速度分布影响较小。因此，可以认为越行车所造成的站内气流分布变化是短暂且微弱的。

（3）站内气流状态分为三个阶段：①车头到达设备房1 之前，活塞风作用影响微弱，站内空气在热压作用影响下，形成明显的热压自然通风流动，整体气流分布呈现出由车站底部的屏蔽门和B2 层开口进风，而后经B1 层开口及窗户流出车站。②车头到达设备房1 之后，车头前方正压区使活塞风所造成的影响不断增大，直至进站活塞风量达到最大值173.0kg/s，而后随着列车车身负压区不断驶入轨行区，导致活塞风量不断由站内流向轨行区，直至达到最大值127.5kg/s。③最后随着车头驶离设备房2，站内气流分布受活塞风影响逐渐降低，其流动状态也逐步由屏蔽门出风变为屏蔽门进风，直至恢复为自然通风。