高速列车过站对站台屏蔽门表面气压荷载的影响研究

谭海鸥，冯海全，王志飞，冯瑞龙，王越彤

（1.内蒙古工业大学机械工程学院，内蒙古呼和浩特 010051；2.中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081）

1 引言

高速列车在地面行驶时，车头挤压前方空气易造成活塞效应，使空气向各个方向逃逸，形成列车风[1]。为保证乘客及列车运营安全，有必要在站台设置站台屏蔽门等保护措施[2]。设置屏蔽门的主要目的是防止人员跌落轨道发生意外，降低车站空调通风系统的运行能耗，同时降低列车风对候车乘客的影响。以压力和流速变化形式表现出来的列车风作用在路边人员和周围物体上，可能危及站台上的乘客及作业人员的生命安全，甚至造成站台屏蔽门爆裂或导致站台上货物被卷起，危及列车运行安全。因此，研究地面高铁列车过站对站台屏蔽门风荷载的影响是非常有必要的。

近年来，国内外学者对站台屏蔽门的风压特性进行了大量研究[3-16]，普遍采用数值模拟和实验研究的方法，针对地铁屏蔽门的研究较多，针对高速列车过站对站台屏蔽门的风压荷载及分布规律的研究较少。本文通过在站台屏蔽门表面布置监测点测量分析列车过站时屏蔽门表面的平均压力，利用计算流体力学方法和正交理论相结合的方法，以站台屏蔽门表面气压荷载为评价指标，研究列车运行速度、站台屏蔽门距离、雨棚高度对站台屏蔽门气压荷载的影响，采用极差分析和方差分析，确定各因素影响的主次顺序以及不同因素对站台屏蔽门气压荷载影响的显著性，获得最佳的参数方案，为车站站台屏蔽门的设置提供参考。

2 试验方法

2.1 数值方法

一般情况下，列车通过站台时，站台的气流参数随着时间的推移而发生变化，在列车周围的空气处于完全的湍流状态，是一种非定常、不规则的运动，列车过站的气流运动以涡的形式表现，采用标准的三维k-ε湍流模型[17]：

式（1）中，μi为涡粘性系数；ρ为密度；k为湍流动能；ε为湍流耗散率；Cμ为湍流常数，一般情况下取Cμ= 0.09。

湍流动能k方程为：

湍流耗散率ε方程为：

式（2）、式（3）中，xi、xj为不同坐标位置；ui、uj为瞬时速度分量；为k方程的湍流普朗特数，为ε方程的湍流普朗特数；μ为涡粘性系数，μi、μj为涡粘性系数分量；vl、vt为湍流运动粘度分量；C1、C2为不同的经验常数，C1= 1.47，C2= 1.92；σk、σε分别为k、ε两方程的经验常数，σk= 1.0，σε= 1.33。

2.2 有限元模型

建立列车简化模型，计算明线列车过站风压荷载。列车总长度为80 m，横截面高3.4 m，宽3.3 m，不考虑受电弓、转向架等车外附属设备影响，对列车表面进行光滑处理。列车为3辆编组，包括头车、中间车和尾车。为保证车头和车尾的一致性，采用对称结构。地面站台单列列车过站示意图，如图1所示。列车在距站台入口50 m处出发，高速通过站台区域，在车尾离开站台出口一定距离后停止。整个站台计算区域长410  m，半径为 150 m。

图1 地面站单列列车过站示意图

2.3 网格划分

考虑到网格的计算精度，采用ANSYS前处理软件 ICEM CFD对列车区域、外流场区域进行六面体结构化网格划分，并对列车头部、尾部、区域边界、外流场的交界面及站台屏蔽门区域进行网格加密。基于滑移网格技术，采用网格组装方法，将列车所在区域网格模型和站台所在外流场区域网格模型在ANSYS-ICEM 软件中进行网格组装，最终计算流场整体网格模型。图2为列车及站台区域网格划分示意，网格呈现边界稀疏、局部密集的特点。考虑到计算精度和计算时间，网格总数控制在500万个左右。

图2 列车及站台区域网格划分模拟图

2.4 边界条件及参数设置

采用标准的三维k-ε湍流模型模拟湍流流动，设定计算参数。定义模型出入口为压力远场条件，设定马赫数为0.001，列车壁面和地面分别设置为固定壁面和无滑移边界条件，温度选择300 K，流体选择理想空气进行仿真计算[17]。

在计算流体软件Fluent中，为提高计算精度，设定时间步长为0.005  s，每个时间步长最大迭代计算步数为 30 步。

2.5 监测点设置

模拟列车从站台一端出发到通过整个站台的过程。站台屏蔽门监测点设置如图3所示。

图3 站台屏蔽门监测点设置示意图

3 试验数据分析

3.1 仿真试验数据分析

3.1.1 列车高速过站时站内流场变化

高速列车从距站台50 m处出发到通过站台时，其周围的空气会产生许多瞬态的无规则的涡流，站内流场呈不同分布。列车车头到达站台区域入口位置时站内流场如图4a所示，列车尾部轨迹区涡流密集，车头区域涡流稀疏。列车车身到达中部站台门位置时站内流场如图4b所示，列车在站内会有一系列明显的轨迹涡流区。列车车尾驶离站台区域位置时站内流场如图4c所示，列车出站时的涡流明显多于进站时的涡流。可见，列车高速通过站台时对站台屏蔽门的影响主要为列车头部和尾部区域，车身对站台屏蔽门的影响较小。

图4 列车车头、车身、车尾到达时刻站内流场图（单位：Pa）

3.1.2 过站速度对站台屏蔽门表面风压的影响

列车以不同速度从出发到驶离站台的过程中，车头推开站内空气，使空气向各个方向逃逸，作用在站台屏蔽门表面形成正压，车身引起站台屏蔽门表面始终呈负压状态。不同过站速度站台屏蔽门承受的风压随时间变化的监测曲线如图5所示。列车过站速度分别设置为250  km/h、300 km/h、350 km/h，雨棚高度为 7  m，站台屏蔽门距离为1  000  mm。由图5可知，随着列车过站速度的提高，站台屏蔽门所受的正、负压值均呈现增大趋势，列车过站速度与站台屏蔽门表面风荷载呈正比关系。列车过站时间随列车过站速度的提高而变短，站台屏蔽门表面瞬变荷载变化频率加快，对站台屏蔽门强度具有一定的影响。

图5 站台屏蔽门承受的风压随时间变化曲线（不同过站速度）

3.1.3 站台屏蔽门距离对站台屏蔽门表面风压的影响

当列车速度、雨棚高度一定时，对不同站台屏蔽门设置距离进行仿真计算。站台屏蔽门设置距离不同，站台屏蔽门承受的风压随时间变化的监测曲线如图6 所示。站台屏蔽门设置距离分别为200  mm、600  mm、1  000  mm，雨棚高度为7  m，列车过站速度为350  km/h。由图6 可知，随着站台屏蔽门设置距离的增大，站台屏蔽门承受的风压逐渐呈减小趋势，站台屏蔽门设置距离与站台屏蔽门表面风荷载呈反比关系。列车车头和车尾通过站台屏蔽门时，门体表面承受的风压呈现正负交替现象，当列车尾部通过时，站台屏蔽门表面的正负压值变化最大，可见，车尾通过时对站台屏蔽门影响最大。

图6 站台屏蔽门承受风压随时间变化曲线（不同站台屏蔽门距离）

3.1.4 雨棚高度对站台屏蔽门表面风压的影响

当列车速度、站台屏蔽门设置距离一定时，对不同雨棚高度进行仿真计算。雨棚高度不同，站台屏蔽门承受的风压随时间变化的监测曲线如图7所示。雨棚高度分别设置为 7  m、8  m、9  m，站台屏蔽门距离为1  000  mm，列车过站速度为 350  km/h。由图7 可知，随着雨棚高度的增加，站台屏蔽门所受的正、负压值均无明显变化。列车过站过程中，车头引起站台屏蔽门形成正压，车身引起站台屏蔽门表面始终呈负压状态，而车尾通过时引起最大正压和最大负压，可见，车尾通过对站台屏蔽门影响较大。

图7 站台屏蔽门承受风压随时间变化曲线（不同雨棚高度）

3.2 正交试验数据分析

3.2.1 试验最佳方案

正交试验法是研究多因素多水平的一种设计方法，根据Galois理论从试验中挑选部分具有代表性的水平组合进行试验，并对结果进行分析找到最优的组合。

正交试验表为混合水平正交表，可以安排不同水平数的多因素试验。正交试验[18-19]以站台屏蔽门气压荷载为评价指标，正交试验因素取值水平如表1所示，3 个影响因素分别为列车运行速度（A）、站台屏蔽门距离（B）和雨棚高度（C），每个因素取3个不同的数值，分别为水平1、水平2、水平3。试验采用L9（33）正交表，采用流体计算软件Fluent进行仿真计算，试验结果如表 2所示。

表1 正交试验因素取值水平表

比较表2中的9次试验结果发现，1号试验的站台屏蔽门表面风压在9次试验中最小，站台屏蔽门风荷载为94.501 Pa。对于站台屏蔽门表面的风压来说，压力越小越好，从而得到A1B1C1是9种方案里的最佳方案。

表2 正交试验结果

3.2.2 试验数据极差分析

通过极差分析法确定影响因素的主次，从而选出最佳方案。试验不考虑各影响因素之间的交互作用，只考虑各影响因素、各水平的试验结果大小。

对于站台屏蔽门表面风荷载来说，风荷载越小，对站台屏蔽门的安全性越好。根据试验数据极差分析表（表3），比较不同因素、不同水平的K值：KA1＜KA2＜KA3，KB1＜KB3＜KB2，KC1＜KC3＜KC2，即影响因素A水平1为最优，影响因素B水平1为最优，影响因素C水平1为最优。因此，得到最佳试验方案为A1B1C1， 即列车运行速度为250 km/h，站台屏蔽门距离为200 mm，雨棚高度为7 m。

表3 试验数据极差分析表

极差值R指一组数据中的最大数据与最小数据的差值，用来确定各影响因素的主次顺序。3个影响因素的极差值RB＞RA＞RC，说明站台屏蔽门设置距离对于站台屏蔽门表面风荷载是主要影响因素，列车速度是次要影响因素。因此，3个影响因素的主次顺序为站台屏蔽门距离、列车运行速度、雨棚高度。

3.2.3 试验数据方差分析

试验数据方差分析用于2个或2个以上样本均数差别的显著性检验。试验数据方差分析结果如表4所示，其中F值是效应项与误差项之间均方的比值，用来检验样本结果代表总体的真实程度。P值为衡量每个影响因素显著性水平的指标，通过P值可得到3个影响因素对试验结果影响的显著性。

由表4可知，影响因素B对站台屏蔽门表面风荷载影响显著，影响因素A和影响因素C对站台屏蔽门表面风荷载影响不显著，各影响因素对试验结果的显著程度顺序为站台屏蔽门距离、列车速度、雨棚高度，试验数据方差分析结果与极差分析结果一致。

表4 试验数据方差分析表

4 结论

本文利用有限元法对高速列车过站时对站台屏蔽门的影响进行数值模拟，得到结论如下：①随着列车过站速度的提高，站台屏蔽门所受的正、负压值均呈现增大趋势，列车速度与站台屏蔽门表面风荷载呈正相关；② 随着站台屏蔽门设置距离的增大，站台屏蔽门所受的正、负压值均呈现减小趋势，站台屏蔽门设置距离与站台屏蔽门表面风荷载呈负相关；③随着雨棚高度的增加，站台屏蔽门所受的正、负压值均无明显变化；④列车过站时，站台屏蔽门表面风荷载影响因素的主次顺序为站台屏蔽门距离、列车运行速度、雨棚高度；⑤站台屏蔽门距离对站台屏蔽门表面风荷载的影响最大，雨棚高度影响最小。试验数据方差分析结果与极差分析结果一致，该研究结果可为站台屏蔽门设置提供理论参考。