竖井面积对高速列车越站瞬变压力影响的试验研究

周丹，唐子童，戴小罡，刘汉歆，梅竹

(1.中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075；2.湖南省机场管理集团有限公司 湖南机场建设指挥部，湖南 长沙，410137；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉，430063)

近年来，为了提高出行交通的便捷性，越来越多的铁路车站被设置于地下，以此实现车站与机场、公路等交通枢纽之间的立体换乘。在地下铁路车站快速发展的同时，高速列车在车站内运行所带来的空气动力学问题引起人们的关注，尤其是列车全速越站导致的瞬变压力问题，其会对车站内人员舒适性、安全性、设备耐久性等产生不利影响[1-2]。目前，国内外学者对列车通过地下车站所造成的气动压力进行了大量研究，这些研究主要是针对未设置减压竖井的车站。CHUN等[3]通过数值仿真发现当列车通过车站时，站台屏蔽门的压力幅值与列车速度的平方呈线性关系。KIM[4]对首尔地铁2 号线某车站屏蔽门的风压载荷进行了现场测量，分析了不同列车运行模式下车站屏蔽门表面的最大压力。韩华轩等[5]采用数值计算的方法分析了隧道长度对高速铁路地下车站内气动压力的影响，并提出了最不利隧道长度判别式。LIM等[6]对高速列车通过某地下车站时的瞬态流场进行了数值模拟，探究了地下车站内屏蔽门开闭状态对列车越站瞬变压力的影响。YUAN等[7]采用数值模拟方法，分析了地下车站内屏蔽门与列车之间的间距对列车侧向力的影响。蒋尧等[8-9]建立了高速列车地下车站气动效应计算模型，得到了单车通过、列车站内交会等工况下站台处的气动压力变化规律，并且对不同隔离墙长度下高速列车过站气动效应的影响进行了探究。高伟等[10]以某城际铁路地下车站为背景，对列车越站时屏蔽门瞬态压力变化进行了分析，发现当车头和车尾经过时，屏蔽门的压力非均匀分布；而当车身经过时，屏蔽门的压力呈均匀分布。

在高速铁路长大隧道建设中，经常通过修建竖井来改善隧道内的气动环境[11-12]，研究者发现在地下车站内设置竖井等通风设施同样可以有效缓解列车通过所导致的气动压力。赵小华等[13]通过数值计算探究了安装通风井对桃园地下车站内瞬变压力的影响，发现通风井有效降低了传入站内月台区域的压力波强度，使得月台内的压力变化幅值大幅度下降；陈赤坤等[14-15]基于数值仿真，对高速列车从下穿过美兰站时气动效应及缓解措施开展深入研究，发现设置竖井可以使站台压力峰值降低10%左右，从而满足了初步拟定的相应气动效应标准；LI 等[16]以某地铁车站为背景，通过数值计算发现当车站设置通风井后，列车表面和列车内部的压力变化幅值都较大降低。

综上可知，当前关于列车越站瞬变压力的研究中，较少涉及列车高速通过设有竖井的地下车站的研究，并且现有研究主要关注有无竖井对气动压力幅值的影响，没有深入分析竖井作用下列车、站台不同位置处的压力分布特性以及竖井面积变化对瞬变压力的影响。此外，以往人们对地下车站内气动效应的探究主要是采用数值计算方法，其计算结果受湍流模型、计算参数、网格质量、残差收敛情况等诸多因素影响，导致结果可信度不高。针对以上不足，本文作者以长赣高铁黄花机场地下车站为工程背景，利用中南大学空气动力特性动模型试验平台，对不同竖井面积条件下高速列车全速通过地下车站的气动效应进行模拟试验，深入探究竖井作用下的列车表面、站台屏蔽门表面的压力分布特性，并对竖井面积变化下的列车越站瞬变压力进行分析。

1 试验方法

1.1 试验装置

试验在中南大学空气动力特性动模型试验平台上进行。该平台由上下两层结构组成，上层是列车模型运行的轨道，下层是列车模型提供动力的二级动滑轮加速系统。实验时，通过调节加速系统，可使列车模型速度最高达到500 km/h。测试系统实时采集列车通过地下车站时的运行速度、各测点压力[17-18]。该试验平台获中国计量认证(CMA)和中国合格评定国家认可委员会认证(CNAS)[19-20]，能实现列车与周围环境之间的相对运动，精确模拟列车行驶时引起的气动效应。

1.2 试验模型

实地试验模型如图1所示，模型详细尺寸、列车模型及其压力测点布置、屏蔽门测点布置分别如图2、图3、图4所示。定义列车运行方向为x轴正方向，以运行线至站台方向为y轴正方向，垂直地面向上为z轴正方向。由图2～4 可见：试验模型分为列车模型、隧道模型、车站模型3部分，考虑到动模型试验平台的尺寸，试验采用的模型比例为1∶30。高速列车模型采用头车+6节中间车+尾车8 节车编组，其长为6.95 m，宽为0.11 m，高为0.13 m。由于试验重点是模拟列车通过车站时的气动效应，所以，对隧道模型长度进行了适当缩短，设置其长度为10 m。车站模型长度为15 m。

图1 实地试验模型Fig.1 Diagrams of field test model

图2 模型尺寸Fig.2 Model size

图3 列车模型及其压力测点布置图Fig.3 Train model and pressure measuring points layout

图4 屏蔽门测点布置图Fig.4 PSD measuring points layout

考虑到现实中屏蔽门表面的承压性能要比列车表面弱，并且屏蔽门承担着确保站内人员安全的重要作用，为了使竖井对屏蔽门的减压效果更加明显，在车站模型内设置竖井时尽量使竖井位置靠近站台两侧的屏蔽门，具体位置如图2所示。竖井开口形状设置为正方形，竖井模型高度设置为0.6 m。

由于动模型体积与实车体积相差甚远，要使缩比动模型试验测得的数据具有可比性，就必须满足一定的相似性准则。对于模拟列车绕流特性的试验而言，主要是保证马赫数Ma与雷诺数Re相似[21-22]。由于试验与实车运行时的介质都是空气，且列车运行速度相同，因此，这2个流场的马赫数相等。模型列车运行速度为300 km/h，对应的雷诺数为6.99×105，大于临界雷诺数，因此，试验处于自模拟区，满足雷诺数相似性要求[23]。

1.3 测试系统与测点布置

动模型试验测试系统由车载测试系统和地面测试系统组成，2个独立的子系统在控制系统的同步控制信号作用下协调工作，完成试验过程各参量的动态测量、数据采集及预处理。车载测试系统用于测量列车表面时程压力，设备各构成单元位于列车模型内部，随列车一起移动。地面测试系统则用于测量列车模型的行驶速度与车站模型各处表面的时程压力。其中，列车行驶速度的测量由2个光电传感器完成，行驶速度等于2个光电传感器间距与记录时间差的比值。

本次试验采用相同的瞬态压力传感器对车表面瞬态压力、屏蔽门表面瞬态压力进行测量，采样频率选用10 kHz，具体压力测点布置位置如图3和图4所示，其中，压力测点标记为红色。列车右侧表面上共布置16 个压力测点(T1～T16)。站台屏蔽门表面共布置9个压力测点(S1～S9)，其中测点S1和S8位于站台左侧屏蔽门，其余测点位于站台右侧屏蔽门。

1.4 研究工况

为了方便各工况之间的对比分析，定义竖井量纲一面积为A*，

式中：Ashaft为竖井面积；Atunnel为隧道面积，在缩比试验中，Atunnel=0.11 m2。单车以300 km/h 通过时，各工况设置如表1所示。工况1中站内未设置竖井，对应的竖井量纲一面积为0。工况2、3、4、5中站内设有竖井，对应的竖井量纲一面积分别为0.09、0.20、0.26、0.36。

表1 研究工况Table 1 Working condition

2 试验结果及分析

2.1 重复性试验

列车动模型试验中的瞬态压力测量容易受到各种因素的干扰，为了保证试验结果的可靠性，必须对试验数据的重复性进行分析。在每个工况下进行15～20次重复试验，筛选出最接近目标速度的3组数据进行重复性分析[18]。图5所示为无竖井工况的3次重复性试验的压力波形，其中取列车鼻尖点进入进站隧道时为零时刻。从图5可知：列车表面测点压力、屏蔽门测点压力的3次试验压力波形完全吻合，列车表面测点压力幅值的最大相对误差为1.33%，屏蔽门表面测点压力幅值的最大相对误差为1.21%。由此可知，动模型试验数据具有良好的重复性，满足工程研究要求。

图5 无竖井工况的3次重复性试验的压力波形Fig.5 Pressure waveforms of three repetitive tests without shaft conditions

2.2 高速列车越站压力分布特性

为了研究在车站设置竖井时高速列车越站压力的分布特性，以下选取竖井量纲一面积为0.20的工况，对列车表面、屏蔽门表面上不同位置测点的压力变化规律进行对比分析。

图6所示为列车表面对称测点的压力变化时程曲线。由图6可知：列车对称测点的压力变化规律基本一致，靠近隧道壁面侧测点的压力波动相对更加剧烈，形成的压力幅值也更大，两侧测点压力幅值偏差为3.65%。产生上述现象的原因是列车在沿着双线隧道行驶时，靠近隧道壁面侧的空间较小，形成的压力扰动相对剧烈，而靠近隧道中心侧的空间较大，形成的压力扰动相对平缓。以下对列车表面压力进行研究时，仅选择靠近隧道壁面侧的测点进行分析。

图6 列车表面对称测点压力变化时程曲线图Fig.6 Pressure time history curves of symmetrical measuring points on the surface of train

图7所示为列车表面压力变化幅值曲线。由图7可知：列车表面压力正、负峰值沿车长方向逐渐减小。这是因为列车前部先进入隧道，受到初始压缩波及其反射波的影响时间更长，从而导致列车前部表面测点的整体压力更大。相对而言，列车表面压力幅值沿车长方向变化不大。

图7 列车表面压力变化幅值曲线Fig.7 Pressure variation amplitude curves at train surface

图8所示为屏蔽门表面对称测点压力变化时程曲线。由图8可知：两侧屏蔽门对称测点的压力变化趋势相似，压力波形在部分时刻产生差异。产生这种差异的原因主要是两侧屏蔽门周围空间不对称，其中右侧屏蔽门与周围墙体形成的空间体积是渐变的，当压力波传播至渐变处时会形成反射波，并与后续的压力波相互叠加。而左侧屏蔽门与周围墙体形成的空间是固定的，两侧的压力波传播规律产生一定差别，最终导致两侧屏蔽门存在压差。对比两侧测点的压力幅值可知，右侧屏蔽门测点压力幅值相对更大，两侧相对误差为5.21%。

图8 屏蔽门表面对称测点压力变化时程曲线Fig.8 Pressure time history curves of symmetric measuring points at PSD

图9所示为屏蔽门表面压力变化幅值曲线。由图9可知：屏蔽门表面压力正峰值沿纵向呈增大趋势，而压力负峰值沿纵向呈减小趋势，使得屏蔽门表面压力幅值沿纵向逐渐增大，屏蔽门两端测点压力幅值相对误差达19.23%。

图9 屏蔽门表面压力变化幅值曲线Fig.9 Pressure variation amplitude curves at PSD

图10所示为屏蔽门表面不同高度测点压力变化时程曲线。由图10 可知：屏蔽门表面不同高度测点压力曲线几乎重合，压力幅值最大相对误差仅为1.59%。这些测点由于纵向位置一致、周围空间相同，使得压力波的作用时间和强度均基本相等，最终导致屏蔽门不同高度测点的压力波形具有较高的重合性。

图10 屏蔽门表面不同高度测点压力变化时程曲线Fig.10 Pressure time history curves of measuring points at different heights on surface of PSD

2.3 竖井面积对瞬变压力的影响

图11所示为不同竖井面积下头车表面测点T4压力变化时程曲线图。由图11 可知：当车站内设置竖井后，竖井削弱了初始压力波的强度，并且形成了相反相位的反射波，这些压力波在列车经过车站时相互叠加，使得相比于无竖井工况而言，列车表面形成的Pmax变小，Pmin变大。不同竖井面积下列车表面压力变化规律是相似的，竖井面积变化只是改变了压力峰值，随着竖井面积增大，Pmax不断降低，Pmin不断上升。当竖井量纲一面积由0 增至0.36 时，测点的Pmax降低55.38%，Pmin增大了45.56%，压力幅值ΔP下降48.87%。

图11 不同竖井面积工况下列车表面压力变化时程曲线图(测点T4)Fig.11 Pressure time history curves of measuring points on surface of train under different shaft area conditions(measurement point T4)

图12所示为不同竖井面积工况下列车表面压力幅值曲线。由图12 可知：随着竖井面积增大，列车表面各测点压力幅值都不断下降；不同测点的压力幅值下降幅度略有区别，当竖井量纲一面积A*增至0.36时，距离头车鼻尖点为2.2 m的T4测点压降幅度最大，相较于无竖井工况下降了48.87%；距离头车鼻尖点为6.5 m 的T14测点压降幅度最小，相较于无竖井工况下降了39.21%；另外，当竖井量纲一面积超过0.26 时，进一步增加竖井面积，列车表面压力幅值变化不大，当竖井量纲一面积由0.26 增至0.36 时，各测点压力幅值仅下降2.13%～5.98%。

图12 不同竖井面积工况下列车表面压力幅值曲线Fig.12 Pressure variation amplitude curves at train surface under different shaft area conditions

图13所示为不同竖井面积下屏蔽门表面测点S6的压力时程曲线。由图13 可知：随着竖井量纲一面积增大，屏蔽门表面的Pmax不断下降，Pmin不断上升；当竖井量纲一面积从0增至0.36时，测点Pmax降低47.33%，Pmin上升79.76%。可见，屏蔽门表面Pmin变化幅度明显增大，不同工况的压力变化规律也在Pmin处存在明显区别，这是因为屏蔽门表面的Pmin是在列车驶过车站时形成的，由于竖井改变了列车越站所产生的压力波强度与叠加过程，使得屏蔽门表面的负压得到明显降低，压力波动也变得更加复杂。综合屏蔽门表面压力正、负峰值的变化可知，当竖井量纲一面积增至0.36时，测点的压力幅值ΔP相对于无竖井工况下降了66.68%。

图13 不同竖井面积下屏蔽门表面测点压力变化时程曲线(测点S6)Fig.13 Pressure time history curves of measuring points at PSD under different shaft area conditions(measurement point S6)

图14所示为不同竖井面积工况下屏蔽门表面压力变化幅值曲线。在同一竖井量纲一面积下，屏蔽门表面压力幅值沿纵向都逐渐增大；随着竖井面积增大，屏蔽门表面纵向各测点压力幅值都不断下降，当竖井量纲一面积由0 增加到0.36 时，屏蔽门入口端压力幅值下降幅度更大，最大减少71.07%，屏蔽门出口端压力幅值下降幅度较小，减少了61.45%；当竖井量纲一面积超过0.26 时，进一步增大竖井面积，并没有明显降低屏蔽门表面的压力幅值；当竖井量纲一面积由0.26增至0.36时，各测点压力幅值仅下降3.90%～9.55%。

图14 不同竖井面积工况下屏蔽门表面压力变化幅值曲线Fig.14 Pressure variation amplitude curves at PSD under different shaft area conditions

3 结论

1)当高速列车以300 km/h 的速度通过设置有竖井的地下车站时，列车两侧表面对称测点压力变化规律基本一致，其中靠近隧道壁面侧形成的压力幅值更大，两侧测点压力幅值相对误差为3.65%；站台两侧屏蔽门表面对称测点压力变化趋势是相似的，其中空间具有渐变侧的屏蔽门测点压力幅值更大，两侧测点压力幅值相对误差为5.21%；同侧屏蔽门表面压力幅值沿纵向呈增大趋势，两端测点压力幅值最大相对误差为19.23%。屏蔽门相同纵向位置不同高度的测点压力幅值相差很小，相对误差最大不超过1.59%。

2)当高速列车通过地下车站时，在车站内设置竖井可以有效减缓列车表面、屏蔽门表面测点的压力波动，降低压力幅值。随着竖井面积增大，列车表面、屏蔽门表面测点压力幅值均不断下降。当竖井量纲一面积由0增加至0.36时，列车表面测点压力幅值降低48.87%，屏蔽门表面测点压力幅值降低71.07%；当竖井量纲一面积超过0.26 时，进一步增大竖井面积，并没有明显降低列车表面、屏蔽门表面的压力幅值；当竖井量纲一面积由0.26增加至0.36 时，列车表面各测点压力幅值下降幅度不超过5.98%，屏蔽门表面各测点压力下降幅度不超过9.55%。