曾艳华， 白　赟， 周小涵,3，阮亮红

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都　610031；2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都　610031；3.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉　430050)

铁路隧道的长度超过20 km时，隧道内需设置救援站[1]，以便当列车在长大铁路隧道中发生火灾时，快速开往救援站停靠，进行防灾救援及人员疏散。在这一列车从匀速行驶、减速直到停车的过程中，隧道内活塞风表现出多样的变化形式，会对火灾时救援站的通风排烟产生影响。

目前，国内外学者对铁路隧道和地铁列车运行中产生的活塞风和空气动力学问题已有研究。王英学等[2]通过数值模拟和初期实验结果的对比，提出了高速列车通过隧道时的空气动力学分析系统；陈荣等[3]通过二维数值模拟，研究了不同车速对隧道内活塞风及车头车尾压强变化的影响；包海涛等[4]通过对地铁区间及地铁站台的数值模拟，得出了活塞风和压力的分布规律；骆建军等[5]研究了高速列车穿越隧道时隧道内的活塞风及压力波的变化情况；陈柳君[6]通过一维数值模拟，对高速列车单车通过隧道和两车交会时隧道内压力波的变化进行了研究，提出了消减压力波的可行措施；王兆祺等[7]通过对磁悬浮列车驶入、通过、驶出隧道时空气阻力的理论推导与数值模拟，得出了空气阻力与各影响因素的关系；Kim等[8]通过实验与数值模拟相结合的方法，分析了地铁列车在地铁区间内变速行驶引起的活塞风与压强的变化；Ke Ming-Tsun等[9]采用PHOENICS软件模拟分析了地铁列车在区间隧道内行驶时隧道内压力变化对地铁屏蔽门的影响； Fujii K等[10]通过数值模拟研究了在隧道内高速列车交会时列车受到的空气动力荷载随两车位置变化的情况。通过对这些文献及其他文献[11-14]的分析可知，国内外学者研究的大都是列车通过隧道以及在隧道内列车交会产生的活塞风和压力波问题，少数学者对地铁列车匀速行驶时活塞风作用下车站内烟气流动进行了研究，而列车发生火灾后驶向救援站(匀速—减速—停止)这一复杂行驶过程中所产生的活塞风及可能对救援站通风排烟产生影响的研究未见文献报道。

本文采用计算流体动力学数值模拟软件FLUENT，对列车在隧道内行驶、制动及停靠救援站的全过程进行数值模拟，分析列车不同行驶状态下隧道内及救援站内活塞风的变化规律，为特长铁路隧道的防灾救援设计提供参考。

1　计算理论

当列车在隧道内行驶时，由于隧道壁的限制及列车行驶产生的空气压差，使得在列车与隧道之间的细长空间内形成了活塞风。在空气的黏性作用下，列车近壁面的气流与列车同速，其他区域的空气以不同的流态运动，导致隧道内的气流在列车影响下出现湍流、过渡层、层流3种流动状态；列车在隧道内由匀速运行变为减速运行并直至停车的过程中，隧道内气流的流动状态更为复杂，若要真实模拟这一过程中隧道内的气流流动状态是相当困难的。

为了便于计算首先做如下假设[4]：①在小于0.3马赫数下，认为隧道内低速气流为不可压缩流；②流体的流动状态为湍流；③计算时无自然风，所有风机均关闭。

基于该假设对含救援站在内的隧道内气流的二维非定常湍流流动进行模拟，该流体的流动满足以下3个守恒方程[15]。

1)质量守恒方程

(1)

式中：ρ为流体密度；t为时间；ui为流体在i方向的速度；xi为流体在i方向的坐标。

2)动量守恒方程

(2)

式中：p为微元体上的压力；uj为流体在j方向的速度；xj为流体在j方向的坐标；σij为微元体受到的黏性应力；fi为流体在i方向的体积力；Fi为污染源、热源等引起的源项。

3)能量守恒方程

(3)

其中，

E=CVT

式中：E为单位体积总能；K为热传导系数；T为绝对温度；μ为动力黏性系数；δij为克罗内克符号，当i=j时，δij=1，当i≠j时，δij=0；uk为流体在k方向的速度；xk为流体在k方向的坐标；CV为定容比热。

2　模型的建立

以西南地区某特长铁路隧道为例建立计算模型，该隧道全长约34 500 m，在隧道中部设置1座救援站。经过试算，发现列车驶入隧道一段距离后，隧道内的流场会趋于稳定，直到列车开始减速时流场才会发生变化，因此建模时将列车正常行驶这段过程缩短，假设列车驶入隧道1 400 m后开始减速，减速运行800 m后停靠在中部救援站。模型全长取5 200 m，其中空气域长1 200 m，宽25.5 m；隧道长4 000 m，宽5.1 m。救援站长550 m；疏散横通道长21 m，宽4.5 m；列车长400 m，宽3.3 m。建立的计算模型如图1所示。

列车运行速度时程曲线如图2所示。取列车运行速度为120 km·h-1，列车初始位置为距离隧道入口400 m处，当列车驶入隧道1 400 m(即列车以33.33 m·s-1的速度行驶54 s)后，列车开始减速，减速运行800 m(经过48 s)后，列车停靠在救援站中部。

图1　计算模型(单位：m)

图2　列车运行速度曲线

3　列车侧面环腔区域活塞风分析

当列车在隧道内行驶时，由于列车头尾处区域断面的突扩突缩，使得列车侧面环腔区域活塞风的流动异于隧道内无车区域活塞风的流动，因此，本文不考虑列车头尾处区域的断面，仅以列车中部对应的列车侧面环腔区域横断面作为研究断面，针对列车在洞内匀速行驶和制动减速行驶直至停车这2个阶段，基于流体流动所满足3大守恒方程的耦合计算，对研究断面的活塞风进行研究。

3.1　列车匀速行驶过程

在列车匀速行驶过程中，当列车中部驶入隧道200和1 000 m时，活塞风的流场如图3所示。

图3　列车匀速行驶过程中研究断面活塞风的流场分布

由图3可知：活塞风的流场随着列车的匀速行驶发生变化；当列车中部驶入隧道200 m时，活塞风的方向与列车行驶方向相反，大小为11.5 m·s-1；当列车中部驶入隧道1 000 m时，活塞风的方向已与列车行驶方向相同，大小为2.5 m·s-1。

活塞风的平均风速随行驶时间的变化如图4所示，其中当风速方向与列车行驶方向一致时平均风速取正，反之取负。

图4列车匀速行驶过程中研究断面活塞风的平均风速变化曲线

由图4可知：在t=0～12 s期间，列车在隧道外行驶；t=12～18 s期间，列车匀速驶入隧道内，活塞风的方向与车行方向相反，平均风速逐渐增大；在t=18 s时，列车中部刚进入隧道，平均风速增大为-29.0 m·s-1；在t=18～39 s期间，列车继续在隧道内匀速行驶，活塞风的方向仍然与车行方向相反，但平均风速逐渐减小，且变化率也逐渐减小；在t=39 s时，列车中部已在隧道内行驶约21 s(驶入距离约为700 m)，活塞风的平均风速减为0；之后，在t=39～54 s期间，活塞风方向变为与车行方向相同，平均风速缓慢增大，在t=54 s时，即列车减速前，平均风速增大为3.4 m·s-1，若列车一直保持匀速行驶，则活塞风的平均风速将基本稳定为该值。

由此可知，在前一阶段，活塞风的方向与列车行驶方向相反，而在后一阶段，虽然活塞风的方向与列车行驶方向相同，但列车的行驶速度远大于活塞风的平均速度，因此，在该阶段火灾的烟气不会从列车尾部流向列车头部。

3.2　列车制动减速行驶直至停车的过程

列车从第54 s开始制动，减速行驶24和48 s(停止)(即t=78和t=102 s)时，活塞风的流场如图5所示。

图5列车制动减速行驶直至停车过程中研究断面活塞风的流场分布

同样做出列车制动减速行驶直至停车过程中活塞风的平均风速随列车行驶时间的变化曲线，如图6所示，以考察其在列车减速过程中的变化情况。

图6列车制动减速行驶直至停车过程中研究断面活塞风的平均风速变化曲线

从图5和图6可知：在列车制动减速过程中，活塞风的方向与列车行驶方向相同，风速随列车的减速而变化；在列车减速运行的前20 s，活塞风的平均风速随着列车的减速而逐渐增大，而变化率逐渐减小，当减速至第20 s时，平均风速增至最大，为11.8 m·s-1；列车减速至第24 s时，列车中部已进入救援站加宽断面，由于阻塞比减小，平均风速减为7.7 m·s-1；之后，平均风速有所增大，当列车减速至第36 s时，平均风速增为8.8 m·s-1；随着车速逐渐趋于0，平均风速开始缓慢减小，当列车刚好停止在救援站中部时，平均风速减为8.5 m·s-1。

由以上模拟结果可以得出，在列车减速前期，由于活塞风受到上游流体的推动力大于其受到的摩阻力，其平均风速逐渐增大，变化率逐渐减小；减速后期，列车速度逐渐趋于0，活塞风的平均风速开始缓慢减小。在列车减速行驶阶段，尽管活塞风的方向与列车行驶方向相同，但由于列车的行驶速度远大于活塞风的平均速度，故火灾的烟气不会从列车尾部流向列车头部。

4　救援站内的活塞风分析

以隧道中部救援站进、出口为测试断面，这2个测试断面在列车从匀速行驶至停车后5 min这一时段(即t=0～402 s)内活塞风的平均风速随时间变化的曲线如图7所示。

图7　测试断面活塞风的平均风速随时间变化曲线

由图7可知：救援站入口处活塞风的平均风速变化较大，救援站出口处由于没有列车的经过，活塞风的平均风速变化相对平稳；在列车驶入隧道之前(t=0～12 s)，救援站入口及出口处活塞风的平均风速均为0，即救援站无活塞风；列车匀速行驶进入隧道后，救援站两端活塞风的方向与车行方向相同，且大小均逐渐增大；当t=54 s时，列车开始减速行驶，救援站入口处活塞风的平均风速达到最大值，为15.7 m·s-1，救援站出口处活塞风的平均风速仅为0.7 m·s-1；随着列车减速行驶，救援站入口处活塞风的平均风速开始减小，当t=66 s时，车头减速进入救援站，救援站入口处活塞风断面变为环状断面，其活塞风的平均风速锐减为4.3 m·s-1；随着列车继续减速行驶，救援站入口处活塞风断面一直为环腔空间，但活塞风的平均风速逐渐增大，最大值为8.7 m·s-1；当t=90 s时，车尾进入救援站，救援站入口处活塞风断面恢复为全断面，其活塞风的平均风速开始减小；而在列车制动减速行驶过程中，由于救援站出口断面处流体受到的上游流体的推动力大于其受到的摩阻力，其活塞风的平均风速仍在逐渐增大；当t=102 s时，列车刚好停止，救援站入口及出口处活塞风的平均风速分别为7.7和1.5 m·s-1；在列车停止后的前2 min，救援站入口处活塞风的平均风速缓慢减小，而出口处活塞风的平均风速相对稳定，维持在1.5 m·s-1左右；当t=402 s，即列车停止5 min后，救援站入口及出口处活塞风的平均风速分别减为2.0和1.2 m·s-1；之后其活塞风的平均风速缓慢衰减。

由以上分析可知，在整个计算时段内，救援站入口处活塞风风速明显大于出口活塞风风速，若列车发生火灾，会有很大一部分烟气流向横通道；列车刚好停止于救援站中部时，救援站入口处活塞风的平均风速最大达到7.7 m·s-1，此时若列车中后部发生火灾，对人员疏散极为不利，当列车停车5 min后，该处活塞风的平均风速降为2.0 m·s-1；而救援站出口处在列车停止2 min后活塞风的平均风速达1.5 m·s-1，停止5 min后方能降到1.2 m·s-1。因此，在进行救援站排烟设计时应予以高度重视。

5　结　论

(1)在列车匀速进入隧道的前期，列车侧面环腔区域活塞风的方向与列车运行方向相反，之后活塞风的方向与列车运行方向相同，若列车一直保持匀速行驶，则活塞风的平均风速将基本稳定在3.4 m·s-1；从列车开始制动减速至减速第20 s的时间内，活塞风的方向与列车行驶方向仍然相同，平均风速随列车的减速而逐渐增大为11.8 m·s-1；列车减速第24 s时，由于列车中部进入救援站加宽断面，平均风速减为7.7 m·s-1；之后平均风速略有起伏；当列车刚好停于救援站中部时，平均风速为8.5 m·s-1。值得注意的是，在列车减速行驶阶段，尽管环腔区域活塞风的方向与列车行驶方向相同，但由于列车的行驶速度远大于活塞风的平均速度，火灾的烟气不会从列车尾部流向列车头部。

(2)在列车进入隧道时起至在救援站停车时止的期间内，救援站入口处活塞风的平均风速明显大于出口处，会导致有很大一部分的火灾烟气流向横通道，这对人员的安全疏散和撤离极为不利。因此，建议进行救援站通风排烟设计时，充分考虑其影响，应使送新风系统在列车制动前启动，防止火灾烟气流入疏散横通道。

(3)当列车停靠在救援站中部时，救援站入口、出口及中部环腔区域的活塞风是从列车尾部流向列车头部方向。其中，救援站入口处、中部环状空间、救援站出口处活塞风的平均风速分别达到7.7，8.5，1.5 m·s-1，列车停止5 min后，这3处活塞风的平均风速才能衰减至2 m·s-1以下。因此，在列车停靠救援站初期，若不能有效控制救援站内的活塞风，火灾烟气将受活塞风的影响从列车尾部快速(1 min左右)流向列车头部方向，对人员的安全疏散造成重大影响。因此，建议进行救援站通风排烟设计时，重视停靠初期活塞风对火灾烟气流动的影响，提出应对排烟方案，保证列车停靠初期人员的安全疏散。

(4)值得注意的是，活塞风的大小受隧道长度的影响，一般设置救援站的铁路隧道长度都在20 km以上，而本文仅对4 km的隧道进行了模拟计算，虽然本文得出的活塞风的平均风速与实际特长铁路隧道并不一致，但其变化态势可为特长铁路隧道防灾救援的设计提供参考。

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