成都快线列车越行过站站台门气动压力实车测试研究.pdf

第 32 卷第 5 期万葛亮，等：空气源热泵外机低频噪声源识别及优化539文章编号：1671-6612（2023）04-539-07成都快线列车越行过站站台门气动压力实车测试研究常新亮1曾臻2,4毕海权3肖益民4翁庙成4（1.成都轨道交通集团有限责任公司成都610000；2.中铁二院工程集团有限责任公司成都610000；3.西南交通大学成都610031；4.重庆大学成都400000）【摘要】随着轨道交通运行速度的不断提高以及隧道内多车追踪的出现，屏蔽门上的压力荷载对线路运营安全具有重要意义。以成都轨道交通 18 号线为研究对象，采用实车测试的方法对过站站台屏蔽门的气动压力进行了研究，分析了列车运行速度、行车间隔、风井风阀开闭情况对站台屏蔽门气动压力的影响。结果表明：屏蔽门的峰值正压出现在列车车头到达屏蔽门时，而屏蔽门的峰值负压出现在列车车尾到达屏蔽门时，且屏蔽门的峰值压力随着列车过站速度的增大而增大。此外不同行车间隔对屏蔽门压力极值影响较小。研究为屏蔽门系统结构强度设计提供了参考。【关键词】轨道交通；站台门；压力波；实车测试中图分类号TU96+2文献标识码AField Measurements of Aerodynamic Pressures on Platform Screen Doors at theOvertaking Station of Chengdu Rail TransitChang Xinliang1Zeng Zhen2,4Bi Haiquan3Xiao Yimin4Weng Miaocheng4(1.Chengdu rail transit Group Co.,Chengdu,610000;2.China Railway Eryuan Engineering Group.Co,Chengdu,610000;3.Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031;4.Chongqing University,Chongqing,400000)【Abstract】With the increasing speed of rail transit and the emergence of multi-vehicle tracking in tunnels,the pressure load onplatform screen doors(PSDs)is of great significance to the safety of line operation.In this study,Chengdu Rail Transit Line 18 wastaken as the research object,and the aerodynamic pressure of the PSD passing through the station was studied by the method of fieldmeasurements.The effects of train running speed,running interval,and the opening and closing of air shaft dampers on theaerodynamic pressure of the PSD are analyzed.The results demonstrate that the peak positive and peak negative pressures on the PSDare caused by the head and tail of the train passing through the PSD,respectively.And the peak pressure of the PSD increases with thespeed of the train passing through the station.In addition,different driving intervals have little influence on the extreme value of theaerodynamic pressure of the PSD.The research provides a reference for the structural strength design of the PSD system.【Keywords】rail transit;platform screen door;pressure wave;field measurements作者简介：常新亮（1980.10-），男，硕士研究生，高级工程师，E-mail：通讯作者：曾臻（1980.09-），男，在读博士研究生，正高级工程师，E-mail：收稿日期：2022-08-300引言城市轨道交通快线作为城市交通线网体系中的重要组成部分，以服务城市交通运输为主要任务，意在实现城市各核心区域之间的快速连接。区第 37 卷第 4 期2023 年 8 月制冷与空调Refrigeration andAir ConditioningVol.37 No.4Aug.2023.539545540制冷与空调2023 年间长、速度快、快慢车混合运行以及开行对数高等特点决定了其与传统地铁、国铁及城际铁路均有所不同。目前，国内已开通运营最高运行速度达120km/h 的城市轨道交通快线有广州地铁 3 号线、上海地铁 16 号线、深圳地铁 11 号线、东莞地铁 2号线等；规划和在建最高运行速度达 140km/h 的城市轨道交通快线有成都地铁 17 号线、成都地铁 18号线、台州市地铁 S1 线等。此外，已开工建设的北京新机场线以及成都地铁 19 号线的最高运行速度将达到 160km/h。由于地铁列车在地下空间内运行，具有阻塞比（列车断面积/隧道断面积）大、发车密度高、车辆气密性差等特点，当列车运行速度超过 100km/h时，许多在低速时可以忽略的问题，在高速时就变得非常明显1,2。高速运行的地铁列车与隧道内空气相互作用产生的气动效应（包括隧道压力波3-5、列车内外压力变化6-8、列车气动阻力9、列车风以及气动噪声等）成为高速地铁建设时必须面临和解决的难题。上述空气动力学效应对高速地铁列车运行的安全性、旅客乘坐的舒适性以及隧道周围环境、车站环境、隧道内设备和结构的稳定性均有非常不利的影响。对于地铁车站屏蔽门系统，其主要作用是为了保证乘客安全和维护车站风环境，当列车高速运行产生的强烈列车风反复作用在屏蔽门以及线路周边设备上时，会对屏蔽门等设备产生疲劳载荷，压力过高时会对屏蔽门的结构造成破坏，从而影响设备的安装强度。同时，当隧道内存在多车追踪时，由于后车运行产生的压力波传播到轨行区，可能会阻碍屏蔽门系统的正常开启，对车站乘客正常上下车产生影响。例如广州地铁 3 号线曾发生站台屏蔽门玻璃爆裂、联络区间的防火门因交变风压的影响而被破坏10。为了分析列车通过车站时对站台屏蔽门的影响，Kim11测试了首尔地铁 2 号线列车以不同运行方向、不同速度通过地下站台时，站台屏蔽门表面的风压大小。Yuan 等人12使用滑移网格技术，对一列 8 节编组城际列车全速通过地下车站的空气动力性能进行了数值模拟，研究了车厢与屏蔽门之间的间隙对列车气动性能的影响，发现列车通过屏蔽门时的最大侧向力与轿厢和屏蔽门之间的间隙存在线性关系。Zeng 等人13通过移动模型试验，研究了单车不停车通过车站和双车追逐两种典型情况下对车站屏蔽门瞬态压力的影响，发现在双车追逐情况下，即使第一列进站列车远离车站，其压力波也会对屏蔽门造成很大压力，这可能是屏蔽门在高峰时段无法正常打开的原因。袁誉钊等人14通过构建两车、两车站、三区间隧道的地铁隧道模型，使用滑移网格技术仿真模拟了列车在隧道运行时引起的活塞风速度与压力大小，并通过屏蔽门静力学分析，研究隧道活塞风对地铁屏蔽门所受风压的影响。罗燕萍等人15采用 SES 软件模拟分析了地铁列车高密度运行时，单活塞和双活塞工况下隧道内的风压对屏蔽门的影响，其研究结果表明活塞风井数量和位置对隧道内压力影响较大。段忠辉10采用数值模拟的方法研究了车站两端通风竖井和车站屏蔽门对隧道内气动效应的影响规律，并通过动模型试验进行验证，得出了合理竖井面积与高度。李学伟16对列车通过北京新机场地下车站过程中的气动效应进行了数值模拟分析，研究了单车工况和双车不同位置交会时地下车站屏蔽门所受气动荷载情况。马福东等人17采用数据值计算软件，针对京张高铁新八达岭隧道及地下车站的设计方案，对地下车站屏蔽门和安全门两种模式下站台的最大风速、最大瞬变压力、压缩波峰值、人行通道最大风速等空气动力学效应进行了计算分析。然而，当前关于车站两端风井对屏蔽门气动压力的影响研究存在不足。因此，有必要研究列车高速通过车站时，车站两端风井开闭情况对屏蔽门表面的气动压力的影响，以指导屏蔽门的强度设计和车站轨道区的结构设计。由于现行地铁设计规范（GB 50157-2013）和城市轨道交通快线系统相关的规范包括：城际铁路设计规范（TB 10623-2014）、市域铁路设计规范（T/CRS C0101-2017）、市域快速轨道交通设计规范（T/CCES 2-2017）等关于压力波的相关内容仅适用于最高运行速度不超过 100km/h 的轨道线路，而城市快速轨道交通列车运行速度过高，其气动效应及出现的空气动力问题也不尽相同，因此当前规范并不能完全指导高速地铁列车的设计。本研究以成都地铁 18 号线一、二期的一个过站站台为研究对象，列车最高通过速度达到 100km/h。采用实验测试的方法研究了列车高速越过过站站第 37 卷第 4 期常新亮，等：成都快线列车越行过站站台门气动压力实车测试研究541台时屏蔽门表面的气动压力，分析了列车运行速度、行车间隔、风井风阀开闭情况对站台屏蔽门气动压力的影响。1实车测试由于目前国内尚无 160km/h 越行过站的先例，也无可参考的相关标准，因此本次选择在成都轨道交通 18 号线一个越行车站上进行地铁列车高速越行过站时站台屏蔽门风压测试。1.1试验场地越行站站台门的压力变化受列车高速突入隧道、列车通过中间风井产生的二次压力波传播以及列车高速越行过站时绕流作用的影响，因此测试站最好选取列车从地面突入地下后的第一个站。考虑到实际情况的限制，只能以测试列车高速越行过站时列车绕流产生的压力变化为目的来选择测试车站，最终确定成都轨道交通 18 号线兴隆站作为本次站台门压力的测试站，如图 1 所示。兴隆站是位于成都轨道交通 18 号线西博城站和天府新站之间的一个站台，其中西博城站是兴隆站紧邻的上行线站台，兴隆站站台两端分别设置有西兴风井和兴天风机。图 1兴隆站示意图Fig.1Schematic diagram of Xinglong Station1.2试验设备图 2压力传感器和数据采集系统Fig.2Pressure sensor and data-acquisition system本测试选用的是美国 Endevco 压阻式绝压型压力传感器 8515C-15。这是一种耐用坚固的微型高 灵 敏 度 压 阻 式 压 力 传 感 器，量 程 规 格 为103.42kPa。其表面安装厚度仅为 0.76mm，直径为6.3mm，如图 2 所示。该传感器满量程输出为200mV，最大采样率可达 120kS/s，具有很高的过载能力及频率响应性，对基底应变和温度变化不敏感，本研究中采用的采样频率为 2000S/s。数据采集系统采用的是美国 DTS 的 SLICE。SLICE 是一种超小体积模块化数据采集系统，包含微处理器、存储器和控制电路。在试验过程中，切片数据采集系统与计算机相连，计算机实时采集并存储 PSDs 表面的气动压力数据。在实验过程中，压力传感器可以将隧道中的压力信号转换为电压信号，然后通过数据采集系统将电压信号转换为压力信号输出。1.3测点布置图 4 所示为兴隆站屏蔽门压力测点布置示意图，列车从合江车辆段发车经天府新站开往西博城站，列车采用 8 车编组，站台屏蔽门区域的有效长度约为 200m。本次测试在兴隆站共布置了 16 个压力测点，其中在站端布置两个测点（测点 1 和测点16），其余 14 个测点分别布置于每节车厢对应的屏蔽门中心位置。542制冷与空调2023 年图 3压力传感器安装位置示意图Fig.3Schematic diagram of the installation position of the pressure sensor1.4测试工况工况测试具体要求：静止两车分别阻塞在西兴风井处上行和下行线上，后两列车在三岔站西博城站区间上行线内间隔 2.5min/4min 追踪运行，具体阻塞如图 1 所示。试验共测试 5 种工况，工况设置如表 1 所示，其中，工况 1 的列车牵引运行如图4 所示，工况 2、3、4、5 的列车牵引运行情况和工况 1 的主要区别是列车进入兴隆站的过站速度是 100km/h。表 1各工况风阀状态Table 1Status of the air valve in each working condition编号进洞速度km/h过站速度km/h风阀状态（开启/关闭）兴隆站过站速度km/h天府新站活塞风阀兴天风井活塞风阀兴隆站进站端活塞风阀兴隆站出站端活塞风阀兴隆站迂回风道风阀西兴风井活塞风阀1140100关闭关闭关闭关闭关闭关闭802140100关闭关闭关闭关闭关闭关闭1003140100关闭关闭开启关闭关闭关闭1004140100开启开启开启开启关闭开启1005140100开启开启开启开启关闭开启100图 4列车牵引运行图Fig.4train traction operation diagram1.5试验重复性分析为了消除测试过程中的系统误差（包括仪器误差、人员误差和环境误差等），试验过程中对每种工况都进行了多次测试。以工况 1 为例，进行两次重复性测试，测试结果分布如图 5 所示，可以看出重复性测试的结果基本一致。第 37 卷第 4 期常新亮，等：成都快线列车越行过站站台门气动压力实车测试研究543图 5工况 1 重复性测试结果Fig.5Repeatability test results of working condition 12测试结果分析2.1屏蔽门气动压力形成机理以工况2和工况4为例对屏蔽门气动压力的形成机理进行分析。图 6（a）所示为工况 2 中测点14 的压力变化曲线，图 6（b）所示为工况 4 中测点 14 的压力变化曲线。从图 6（b）中可以看到，在 644s 时有一个值为 162Pa 的压力峰值。根据列车运行速度及线路长度分析可知，此峰值压力是列车通过兴天中间风井时产生的压力波传播到屏蔽门压力测点处形成的。从图 6（b）中还可以看出，在 704s 和 711s 时分别有一个峰值正压和一个峰值负压，根据列车进站时间分析此时的峰值压力是列车过站产生的。（a）工况 2（b）工况 4图 6测点 14 的压力变化曲线Fig.6Pressure variation curve of measuring point 14图7为工况4时列车在隧道内运行时车头及车尾的压力分布云图。从图 7 中可以看到列车在隧道内运行时，车头处为正压区，车头与车顶连接处气流发生分离，即车头顶部区域为负压，因此当车头到达屏蔽门时屏蔽门出现峰值正压，而当车头最大断面处负压区到达屏蔽门时，屏蔽门出现峰值负压，其压力变化时间约为车头长度与列车运行速度之比。而当车尾负压区经过屏蔽门时，屏蔽门出现544制冷与空调2023 年峰值负压。图 7工况 4 列车车头车尾压力分布云图Fig.7Working condition 4 Train head and tail pressuredistribution cloud diagram2.2列车过站速度对屏蔽门压力的影响图 8 所示为兴隆站中列车以不同速度通过轨行区时的屏蔽门压力峰值，对比工况为兴隆站运行工况 1 和工况 2。从图 8 中可以看出，屏蔽门的峰值压力随着过站速度的增大而增大。当列车的过站速度为 100km/h 时，距进站端 62.5m 处的正压峰值最大，约为 358Pa，距进站端 12.5m 的负压峰值最大，约为-393Pa。当列车的过站速度为 80km/h 时，距进站端 62.5m 处的正压峰值最大，约为 255Pa，距进站端 12.5m 的负压峰值最大，约为-201Pa。图 8不同过站速度下的屏蔽门压力峰值Fig.8The peak pressure of the screen door underdifferent passing speeds2.3兴隆站进站端活塞风阀对屏蔽门压力的影响在地铁隧道中，为减缓压力波、活塞风对站台及相关设施设备产生的影响以及满足隧道内通风需求，通常会在站台两端设置活塞风井。本节对兴隆站进站端活塞风阀关闭和开启对屏蔽门气动压力的影响进行了分析，对比工况为兴隆站运行工况2 和工况 3，其他风阀均处于关闭状态。图 9 为兴隆站进站端活塞风阀开启和关闭时站台门压力峰值。由图可知，进站端风阀打开的正压极值大于进站端风阀关闭，而负压极值的变化趋势刚好相反。图 9兴隆站进站端活塞风阀对列车过站时的峰值压力的影响Fig.9Influence of the piston damper at the entry end ofXinglong Station on the peak pressure of the train passingthrough the station2.4行车间隔对屏蔽门压力的影响本节分析了不同行车间隔对屏蔽门气动压力的影响。图 10 所示为行车间隔分别为 2.5min 和4min 下列车过站时的峰值压力，对比工况为兴隆站运行工况4和工况5。从图10中可以看出，2.5min和 4min 行车间隔下的屏蔽门峰值压力基本一致，说明上述行车间隔对屏蔽门峰值压力影响较小。图 10行车间隔对列车过站时的峰值压力的影响Fig.10Influence of travel interval on peak pressure oftrain passing through station2.5不同工况压力峰值对比本节中对兴隆站不同运行工况的测试结果进行了比较，图 11 所示为工况 1工况 5 的对比结果。从图 11 中可以看到，当过站速度相同时，兴隆站各工况下的屏蔽门压力峰值差异较小，其中工况 3的正压峰值最大，为 417Pa，工况 2 的负压峰值最第 37 卷第 4 期常新亮，等：成都快线列车越行过站站台门气动压力实车测试研究545大为-393Pa。工况 1 最大正压最大负压均较小，可以得出过站速度是造成兴隆站屏蔽门气动压力差异较大的主要原因。图 11不同运行工况的压力峰值对比结果Fig.11Comparison results of pressure peaks underdifferent operating conditions3结论本文依托成都地铁 18 号线三岔站至西博城站上行线路列车高速越行兴隆站时，对不同列车运行工况和不同风阀开闭情况下站台屏蔽门风压进行现场测试，研究了列车过站速度、列车行车间隔和进站端活塞风井的风阀开启情况对屏蔽门气动压力的影响，可以得到如下结论：（1）当两辆列车从明线高速突入隧道，并且前方存在阻塞车时，两车追踪运行且过站速度为80km/h 时屏蔽门的最大正压为 255Pa，最大负压为-201Pa；两车追踪运行且过站速度为 100km/h 时屏蔽门的最大正压为 417Pa，最大负压为-393Pa。（2）列车高速越行通过兴天中间风井时会产生二次压缩波并传播到车站轨行区。（3）屏蔽门的峰值压力出现在列车车头到达屏蔽门时，而屏蔽门的峰值负压出现在列车车尾到达屏蔽门时。（4）屏蔽门的峰值压力随着列车过站速度的增大而增大。（5）不同行车间隔对屏蔽门压力极值影响较小。参考文献：1RAGHUNATHAN R S,KIM H-D,SETOGUCHI T.Aerodynamics of high-speed railway train J.ProgressinAerospace Science,2002,38(6-7):469-514.2NIU J,SUI Y,YU Q,et al.Aerodynamics of railwaytrain/tunnel system:A review of recent research J.Energy and Built Environment,2020,1(4):351-75.3KIM J Y,KIM K Y.Experimental and numericalanalyses of train-inducedunsteady tunnel flow insubwayJ.TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2007,22(2):166-72.4KIM J-Y,KIM K-Y.Effects of vent shaft 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J.InternationalJournalofAir-ConditioningandRefrigeration,2012,18(4):309-316.12 YUAN H,ZHOU D,MENG S.Study of the unsteadyaerodynamic performance of an inter-city train passingthrough a station in a tunnel J.Tunnelling andUnderground Space Technology,2019,86:1-9.13 ZENG L,WANG H,LI L,et al.Experimental study oftrain-induced pressure acting on the platform screendoors in subway station J.Tunnelling and UndergroundSpace Technology,2021,117.（下转第 555 页）第 37 卷第 4 期翁磊超，等：直接蒸发冷却在回转窑工艺段通风降温气流组织模拟研究555季工况下送风量提升 90%可使工作区温度下降34%，具有显著的降温效果。（2）高温热源对速度流场造成一定影响，导致送风口喷射的冷空气发生较大的偏转，流向上方非工作区，使得上方非工作区的速度强度和涡流面积高于下方工作区。随着送风量的增加，速度流场的运动强度增加，导致涡流现象变得更加明显。（3）送风量与通风效率呈显著相关关系，随着送风量的增加，通风效率逐渐提高，当送风量超过 25000m/h 后，通风效率的增长速度变缓，消耗更多的能量所获的通风效率增加率不大。参考文献：1孙铁柱,王鑫,王祺,等.干燥地区间接-直接蒸发冷却设备的适用性分析J.棉纺织技术,2022,50(10):21-25.2吴生,黄翔,李成成,等.高压喷气+直接蒸发冷却在工业厂房的应用J.流体机械,2012,40(05):75-79.3强天伟,黄翔,颜苏芊.节能型通风降温设备在大空间工业厂房中的应用研究C 中国建筑学会建筑热能动力分会学术交流大会.中国建筑学会,2007.4黄剑光,赵兰萍.蒸发冷却空调在钢铁企业应用的可行性研究J.制冷与空调,2007,(4):81-84.5刘显晨,郭西龙.某高大空间厂房自然通风现场测试结果分析J.工程建设与设计,2016,(12):11-12.6蒲静,蒋福建,牛东兴,等.建陶厂房窑炉车间大长宽比高温廊道热环境测试分析J.制冷与空调,2021,35(6):848-855.7杨世铭,陶文铨.传热学(第 4 版)M.北京:高等教育出版社,2006.8GB/T 17357-2008,设备及管道绝热层表面热损失现场测定 热流计法和表面温度法S.北京:中国标准出版社,2008.9谢东.地下水电站厂房气流组织 CFD 数值模拟方法研究D.重庆:重庆大学,2015.10 方楠.高温工业厂房中工位空调作用下的工位区流场特性研究D.西安:西安建筑科技大学,2015.11 梁爽.基于大空间厂房的CFD气流组织模拟和优化D.天津:天津工业大学,2021.12 高婷.基于 CFD 数值模拟技术的大型钢铁厂房自然通风的优化设计研究D.武汉:华中科技大学,2011.13 王娟,刘家斌,周芳,等.Origin 软件在实验数据回归分析中的应用J.科技视界,2015,(31):38.（上接第545页）14 袁誉钊,贺德强,陈彦君,等.基于两车模型的地铁隧道活塞风对屏蔽门影响研究J.铁道科学与工程学报,2021,18(1):227-234.15 罗燕萍,李林林,饶美婉.高密度行车时隧道风压对屏蔽门开关的影响J.城市轨道交通研究,2015,18(4):42-46.16 李学伟.京霸高速铁路北京新机场地下车站空气动力学效应研究D.北京:北京交通大学,2019.17 马福东,王婷,彭斌,等.复杂深埋地下高铁车站站台及通道空气动力学效应模拟及设计对策选定J.铁道标准设计,2020,64(1):40-44.