不同站台配置的列车风特性差异研究 Study of differences in train-induced slipstream characteristics with different platform configurations 1 first-author 1 2 corresp 周蕾，博士(后)，从事列车空气动力学及环境风工程研究；E-mail：lzhouau@connect.ust.hk 周蕾，博士(后)，从事列车空气动力学及环境风工程研究；E-mail：lzhouau@connect.ust.hk lzhouau@connect.ust.hk 中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075 中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075 Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China 香港科技大学 土木与环境工程学院，中国 香港，999077 香港科技大学 土木与环境工程学院，中国 香港，999077 Department of Civil and Environmental Engineering, Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong 999077, China Department of Civil and Environmental Engineering, Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong 999077, China 陈灿华 列车高速运行时会产生可能危害站台人员安全的列车风，而对列车风的大多数研究没有考虑站台带来的影响。为研究站台对列车风特征的影响，基于实际情况提出3种站台(无站台、单侧站台和双侧站台)配置，通过改进延迟分离涡(IDDES)数值模拟方法对比分析高速列车在无站台、单侧站台和双侧站台区域的列车风特性与周围流场差异。研究结果表明：考虑站台时，中间车在轨侧产生的合成列车风速度大于无站台配置的列车风速度，而尾流区域的列车风速度较小；站台配置对一定高度上的列车风速度的纵向分量和垂向分量影响显著；站台的垂直端面与列车壁面之间的狭窄空间会改变周围的流场结构，破坏列车尾部压力和漩涡的对称性，在站台上形成随列车纵向长度发展而上移的漩涡，在车辆与站台间区域内的涡度显著增强。基于站台区域最大列车风速度的分布，当列车以300 km/h的速度通过时，若不存在站台，则人员的安全退避距离约为3.4 m，若存在站台，则该距离减小至约2.5 m。 The high-speed running of trains generates slipstreams may threaten passengers platform personnel, and the influence of platforms on slipstreams are not taken into account in most studies. To investigate the influence of platforms on slipstream characteristics, three platform configurations(i.e., without platform, single-side platform and double-side platform) were proposed based on actual conditions. The improved delayed detached-eddy simulation(IDDES) method was used to compare and analyze the differences in slipstream characteristics and surrounding flow fields of high-speed trains in areas with and without platforms. The results show that, when the platform is present, the resultant slipstream velocity generated on the middle car in the track side is greater than that of the configuration without a platform, while the slipstream in the wake region is weaker. The platform configuration has significant impact on the longitudinal and vertical components of the slipstream at a certain height. The narrow space between the vertical surface of the platform and the train changes the flow field structure around it, which destroys the symmetry of the pressure and vorticity at the rear of the train, and forms vortices that move upward with the longitudinal length of the train on the platform. The vorticity in the area between the vehicle and the platform is significantly enhanced. Based on the distribution of the maximum velocity of slipstream in the platform area, when the train passes at speed of 300 km/h, if there is no platform, the safe evacuation distance for personnel is about 3.4 m, but this distance decreases to about 2.5 m if there is a platform. 高速列车 列车风 站台配置 安全距离 CFD high-speed train slipstream platform configuration safety distance CFD 列车高速行驶会对周围的气流形成黏性拖拽效应，由此形成的空气高速流动产生的风称为列车风 [ 1 1 ] 。列车风造成的瞬时速度和压力波动会对站台乘客、道旁工人、行李物件以及线路基础设施产生风致力 [ 2 2 ] 。随着高速列车速度不断提高，列车风效应将更加明显，进一步威胁道旁人员的安全 [ 3 3 - 6 6 3-6 ] 。1972—2005年，英国共发生24起涉及列车风的安全事件。失稳对象主要是有高速列车通过的站台上的带轮物件，如婴儿车、轮椅、手推车以及正在候车的乘客 [ 6 6 ] 。列车是贴地高速运行的大长细比交通工具，具有独特的空气动力学特性。近年来，研究者对列车风进行了广泛研究 [ 7 7 ] 。列车的自身几何结构是影响列车风现象的首要因素。执行不同运输任务的列车引起的列车风变化特性和幅值显著不同 [ 8 8 ] 。如FLYNN等 [ 6 6 ] 得到的装载集装箱的货运列车产生的列车风远比CRH2型高速列车的大 [ 9 9 ] 。由于运营需要，列车的编组长度和编组方式需要灵活改变来匹配客运与货运的不同需求，这也影响了列车风的分布特性 [ 10 10 - 11 11 10-11 ] 。除了宏观外形外，列车构件的几何细节也能够对局部列车风产生很大影响 [ 12 12 - 14 14 12-14 ] ，周围环境与配套设施会改变列车与空气的耦合作用，进而影响列车风特征 [ 15 15 - 17 17 15-17 ] 。隧道中运行的高速列车产生的列车风峰值为明线时运行的2.4倍 [ 18 18 ] 。费瑞振等 [ 19 19 ] 基于三维隧道-竖井-列车-空气数值模型，发现竖井结构会使隧道交叉段附近产生更大的列车风速度。为了配合乘客上下车，站台一般具有一定高度，且紧邻列车侧壁。从空气动力学角度考虑，站台的设置限制了列车的侧面空间，列车表面与空气的黏性交互效应被改变。刘程等 [ 20 20 - 21 21 20-21 ] 在研究站台行人安全时虽考虑了站台的高度，但没有系统研究不同站台配置造成的列车风差异。多数对列车风的既有研究忽略了站台的存在，而站台正是列车风致导致事故的高发地点。在我国客运列车进一步提速的背景下，研究更真实的站台列车风特征对道旁人员的生命安全至关重要。为此，本文提出3种现实存在的站台结构配置(无站台、单侧站台和双侧站台)，通过数值模拟研究高速列车通过这3种站台配置时的列车风速度与压力特性。此外，基于最大列车风速度，给出不同站台配置下人员的合理避让距离。 1 数值计算方法 1 1.1 　几何模型 2 基于中国高速列车CRH380A的几何外形，本文使用的列车模型由1节头车、1节尾车和3节中间车共5节组成。实际列车最大车宽为3.36 m，车高为3.70 m，总车长为128.00 m。在建模过程中，为了最大化网格质量与计算效率，使用1/10的缩比模型，且门窗把手等非必要部件被忽略，而保留了已证明对列车风具有决定性作用的风挡、转向架等部件。列车的配套地面采用等间隙平地，轮对下缘距离地面0.235 m。 站台与列车计算模型如 图1 图1 所示。本研究提出3种站台(无站台、单侧站台和双侧站台)配置，用于模拟高速列车通过不同区域时的列车风特性差异。根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》，站台1与站台2的内边缘距轨道中心线分别为 1.80 m和6.80 m，高度为1.25 m。在无站台工况时，站台1和站台2都不存在；在单侧站台工况时，仅站台1存在；而在双侧站台工况时，2个站台同时存在。 1.2 　数值方法 2 使用有限体积方法和压力基求解器计算基于剪切应力传递(SST) k - ω 湍流模型的改进延迟分离涡(IDDES)方程。该方法结合雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)和大涡模拟(LES)方法的优点，利用RANS研究边界层特性并使用LES捕获距壁面边界更远的流动信息。压力和速度耦合通过压力关联方程(SIMPLE)算法的半隐式方法计算，在LES区域采用有界中心差分(BCDS)模拟，在RANS区域采用二阶迎风格式来离散动量对流项。时间积分采用二阶隐式，物理时间步长设置为1×10 -4 s，每个时间步的最大内迭代次数为20次，湍流方程的残差设置为10 -5 。基于列车速度(83.33 m/s)和缩比后的列车高度(0.37 m)，数值模拟的雷诺数约为2.1×10 6 。模拟的总时间为1.6 s，前0.8 s主要用于获得计算域内流动的瞬态发展情况，后0.8 s在延续瞬态计算的同时对计算域中的数据进行采样，得到时均结果。 1.3 　计算域与网格 2 在数值模拟中使用的计算域与边界条件如 图2 图2 所示。计算域中坐标系的原点位于头车鼻尖点在地面上的投影位置。头车鼻尖距计算域入口 100 m，能确保来流在列车上游充分发展，尾车鼻尖距计算域出口为200 m，以确保对尾流模拟准确。计算域的宽度和高度分别为60 m和40 m。本研究中不含侧风工况，列车位于计算域的宽度中央。在计算域的入口处设置“速度入口”边界条件，在数值模拟过程中施加等同于列车运行速度 v =83.33 m/s的恒定速度。在出口处使用“压力出口”边界条件模拟真实的大气环境。在计算域的顶部和侧面上设置为对称面边界条件，以消除计算域边界对列车周围流场发展的限制。在列车表面、地面和站台表面设置无滑移壁面边界条件。 (a) 侧视图；(b) 正视图 本研究的计算域由STAR CCM+中的非结构切割体网格生成器离散，如 图3 图3 所示。使用4个不同级别的加密区域(用1~4号标记)对计算域中的网格密度进行分区控制(见 图3 图3 (a))，实现从计算域外表面到列车壁面之间网格密度的合理过渡。采用10层棱柱层网格来控制附着在列车表面的网格沿其表面法线方向的发展，以确保能捕获精细的近壁流动结构。根据模型尺度和流场速度，列车表面大部分网格的 y + (量纲一壁面距离)小于10，如 图 3 图 3 (c)所示。基于不同的近壁处理和局部加密策略，生成总网格数分别为1 678万、2 601万和4 090万的粗糙、中等和精细共3种配置的网格，以研究网格密度对计算结果的影响。 (a) 全局侧视图；(b) 鼻部附近空间网格及棱柱层网格分布；(c) 车尾表面网格分布 1.4 　网格敏感度测试 2 为确定网格的数量不会影响数值模拟结果，比较了列车周围流场的压力分布来测试网格敏感度。在整个计算域长度中，比较TSI标准中的轨侧位置( y =3.0 m， z =0.2 m)上3种网格输出的压力，见 图4 图4 。 图4 图4 中，横轴为基于车高 H =3.7 m的量纲一长度 x / H ，纵轴压力系数 <math id="M1"><msub><mrow><mi>c</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">p</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44704972&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44704960&type= 2.96333337 3.72533321 定义为 <math display="block" id="M2"><msub><mrow><mi>c</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>P</mi><mo>-</mo><msub><mrow><mi>P</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></mfrac><mi>ρ</mi><msubsup><mrow><mi>v</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">t</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msubsup></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44704973&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44704962&type= 16.84866714 11.93799973 其中： P 为列车表面的绝对压力； P 0 为大气压力； ρ 为空气密度，取1.225 kg/m 3 ； <math id="M3"><msubsup><mrow><mi>v</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">t</mi></mrow><mrow/></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44704977&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44704975&type= 2.62466669 4.06400013 为列车速度，取83.33 m/s。从 图4 图4 可以看出：在设置的3种网格配置中，网格总数几乎不会影响列车周围的压力分布模式，仅改变头车和尾车通过测点位置时的压力峰值；与中等网格、精细网格相比，粗糙网格预测头车和尾车通过时的压力系数峰值明显被低估，由此可以认为粗糙网格无法准确预测列车周围的流场特征，而基于中等网格的数值模拟能够获得较好的结果，因此，在本研究中使用中等网格进行数值仿真。 1.5 　试验验证 2 NIU等 [ 22 22 ] 在中南大学进行了风洞试验(见 图5 图5 (a))，在长×宽为3 m×3 m的横截面测试段中，使用的缩比为1/8，三车编组的列车模型阻塞比远低于5%，试验结果无需校正。在用于验证的数值模拟中，使用与风洞试验中完全相同的模型与边界条件(见 图5 图5 (b))。当风速为60 m/s时，通过试验得到列车表面各位置的压力分布。将 图5 图5 (c)中测点位置上压力系数的仿真结果与试验结果进行对比，结果见 图6 图6 。从 图6 图6 可见：在大多数列车表面测点上， c p 仿真结果与试验结果较吻合，表明本数值方法在预测列车模型表面的压力结果时是准确的，可用于本研究的其他模拟工作。 (a) 风洞试验；(b) 数值模拟；(c) 测点布置 (a) 剖面线轮廓线；(b) 导流槽轮廓线 2 结果分析 1 2.1 　列车风速度 2 图7 图7 所示为在TSI标准轨侧测点上，3种不同站台配置旁高速列车产生的列车风速度系数( <math id="M4"><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>¯</mo></mover></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44705020&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44705004&type= 3.04800010 3.13266683 )及其3个分量的速度系数(分别为 u 、 v 和 w )，其中，2条虚线分别代表列车的头部与尾部鼻尖点的纵向位置，列车头部和尾部鼻尖点均为列车风沿纵向发展的关键点。为保持不同工况下测点位置的一致性，选取车体偏向站台2一侧的测点对列车风进行监测。从 图7 图7 (a)可见：当列车头车鼻尖经过测点时，流线型结构将车前空气推至两侧，列车风速度系数产生一个局部极大值，当流线型车身完全经过后又迅速减小，在中间车的连续拖拽作用下，附面层不断发展，列车风速度系数沿车身长度增加而增加；当尾车经过时，列车风速度系数再次增大，然而，在尾流中逐渐减弱。从合成列车风速度系数看，在尾车通过前，单侧站台和双侧站台工况下的列车风速度系数均大于无站台工况的列车风速度系数；而从尾车开始到达测点至列车完全驶过测点的过程中，单侧站台和双侧站台工况下的列车风速度系数比无站台工况的列车风速度系数小，在近尾流区域( x / H =40附近)的差异最明显，随着与列车尾部距离增加，列车风速度系数的差异逐渐缩小。在列车风速度系数的纵向分布中，无站台工况的最大值出现在近尾流区域，而含站台工况的最大值出现在尾车之前。从 图7 图7 中3个速度系数分量的纵向发展可以看出：列车头部鼻尖通过时产生的差异主要来自于横向速度系数的差异，中间车通过时的差异主要由纵向速度系数差异引起，而尾车通过时产生的最大差异是纵向和横向速度系数的差异共同引起。由 图7 图7 (d)可见，列车风的垂向速度系数与纵向、横向速度系数相比可以忽略。 (a) 合成列车风速度系数；(b) 列车风纵向速度系数；(c) 列车风横向速度系数；(d) 列车风垂向速度系数 在TSI标准站台测点上(距轨道中心的横向距离为3 m，距离站台或地面1.2 m高)，3种不同站台配置旁高速列车产生的列车风速度系数及3个方向的分量见 图8 图8 。同样地，为保持不同工况下测点位置的一致性，选取车体站台1一侧的测点对站台列车风进行监测。从 图8 图8 (a)可见：在列车车身通过时，无站台工况中的列车风速度系数随着车身长度增加持续增加，而单侧站台与双侧站台工况的列车风速度系数约在第二节车周围( x / H =10)产生一个局部较大值，随后平缓发展，一直至尾车附近。虽然无站台工况下尾流中的列车风速度系数远大于单侧站台与双侧站台工况的列车风速度系数，但站台的存在都会增加列车头车在站台上产生列车风速度系数的最大值，行人的安全风险更大。由 图8 图8 (d)可见：在TSI站台测点上，含站台工况的列车风速度系数垂向分量与纵向、横向分量的数量级相同，且在头车后部、尾车前部存在显著的列车风速度系数瞬变，这是列车与站台1之间受挤压的气流延边缘侵入站台后产生了流动分离所致。 (a) 合成列车风速度系数；(b) 列车风纵向速度系数；(c) 列车风横向速度系数；(d) 列车风垂向速度系数 图9 图9 所示为位于TSI轨侧与站台测点高度水平面上的时均列车风速度系数分布。由于不同站台配置的时均列车风速度系数分布差异主要集中在头车与尾车鼻尖附近，且单侧站台与双侧站台的差异很小，为了显示清晰， 图9 图9 只给出了无站台工况和单侧站台工况下头尾车附近的列车风速度系数分布。从 图9 图9 (a)发现：列车风速度系数在车底空间的最大值位于第一个转向架轮对的流动分离区域与尾车鼻尖附近的区域；当没有站台时，时均列车风的速度系数分布沿列车中心面严格对称，而存在站台时，列车壁面与站台壁面之间的空间有限，迫使气体向远离站台的方向流动，最明显的差异位于头车车底。在站台测点高度的水平面上(由于基于站台的测点绝对高度不同，列车的截面轮廓也不同)，列车风速度系数差异更加明显：高度不同决定了列车风主要特征区域如头车鼻尖附近区域、尾流区域等存在差异，无站台工况的列车风速度系数比含站台工况的列车风速度系数大，且车体两侧的速度系数分布基本对称，含站台工况下车体在远离站台1的一侧的近壁速度系数分布与无站台工况时的基本相同，而头车与第一节中间车的近站台侧都受空间限制的影响，出现了比无站台工况下更大的局部高速区域。 (a) 轨侧测点高度，无站台；(b) 轨侧测点高度，单侧站台；(c) 站台测点高度，无站台；(d) 站台测点高度， 单侧站台 2.2 　流场结构 2 通过对列车风速度的分析可以看出，有、无站台配置的宏观表现存在明显差异，这是不同的流场结构造成的。 图10 图10 所示为分别位于头车、中间车与尾车中部垂直截面上的时均压力系数分布情况。从 图10 图10 可见：在纵向上，头车中部截面上分布的负压系数较强，尾车中部截面上的负压系数次之，而中间车中部截面上的压力系数基本保持在-0.02~0之内；在无站台工况下，头车截面上的压力系数分布基本对称，在车体的两侧与底面的过渡区域产生了区域性的负压汇聚；而当站台存在时，压力系数分布不再对称，远离站台一侧的负压中心在维持原有形状的基础上，范围扩大，压力系数增强；在靠近站台的一侧，原有的负压中心由于紧邻站台的空间限制向另一侧移动至车底；在头车中间高度处，侧壁与站台的黏性作用形成了另一个漩涡，而原本的贴地气流在沿孔隙向上溢出时被该漩涡阻挡，局部速度降低，压力系数上升。单侧与双侧站台工况下的压力系数分布模式是相同的，然而，由于另一侧站台存在，双侧站台工况下头车周围的负压稍高；随着流场沿车身纵向发展，由头车与站台形成的漩涡上移，在中间车所处的纵向位置上，该漩涡已上移至车顶；在远离站台一侧，3种工况下的压力分布模式一致；双侧站台工况的负压强度最大，无站台工况的负压强度最小。 不同站台配置下列车尾流中的涡度系数分布见 图11 图11 。由 图11 图11 可知：当不考虑站台时，尾车两侧有一对最大尺度、最高强度、反向旋转、结构对称的涡流，随着与尾车鼻尖距离增加，这一对涡流范围扩大，强度降低。当站台存在时，地面与站台之间的直角区域大大缩小了涡流的横向发展空间，大幅增强了该区域的涡度系数，该涡度系数远大于无站台工况时的涡度系数。此外，该区域涡流的形状受站台垂直端面限制发生改变，进而影响了另一侧涡流的原有形状。在地面与站台垂直端面之间的狭窄空间里，分布着比尾流主漩涡更强烈的正向涡度，这是气流在此垂直狭窄空间内的受限流动引起的。随着漩涡向下游进一步发展，单侧与双侧站台工况下的负涡度区域规模略微减小，然而强度始终较高。 2.3 　站台人员退避距离 2 由于列车风可能引起安全事故，因而需要在站台上指定安全避让距离来确保候车乘客的安全。通过监测站台上方多个测点的列车风速度最大值，并通过插值得出整个站台区域内的最大列车风速度分布，见 图12 图12 。根据既有研究，站台人员允许承受的最大列车风风速为14 m/s [ 23 23 ] ，故在 图12 图12 中标出站台区域内列车风速度为14 m/s的等速线。 图12 图12 中，白色虚线为能产生最大允许列车风风速的边界，即该线与列车之间存在大于等于14 m/s的列车风风速，会对站台人员构成安全风险，因此，该位置对应的距离可作为安全退避距离的参考值。当列车以300 km/h的速度通过时，在无站台工况下，站台人员的安全退避距离约为3.4 m (距离轨道中心)；单侧与双侧站台工况下得到的安全退避距离一致，均为2.5 m左右。综上可知，在既往对列车风的研究中，未考虑站台时，对退避距离的计算结果偏大。 (a) 无站台工况；(b) 单侧站台工况；(c) 双侧站台工况 3 结论 1 1) 站台配置对列车风速度的分布影响显著。当站台存在时，中间车在轨侧产生的合成列车风速度大于无站台配置的列车风速度，而尾流区域的列车风速度较弱。 2) 当站台存在时，其垂直端面与列车壁面之间的狭窄空间会改变周围的流场结构，破坏列车尾部压力和涡度的对称性，在站台上形成了随列车纵向长度发展而上移的漩涡，在车辆与站台间的涡度显著增强。 3) 基于站台区域最大列车风速度的分布，当列车以300 km/h的速度通过时，若不存在站台，则人员的安全退避距离约为3.4 m，若存在站台，则该距离减小至2.5 m左右。 参考文献 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