[发明专利]列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法

说明书

技术领域

本发明属于列车风对站台上及道旁人员空气动力作用的影响的评估技术，具体的涉及列车风作用下人体气动特性及列车周围三维流场数值模拟计算方法。

背景技术

列车是在地面上高速运行的长大物体，有其独特的空气动力问题需要研究解决。由于空气的粘性作用，列车在地面高速运行时将带动列车周围空气随之运动，形成一种特殊的非定常流动，通常称为列车风。列车风以空气流动和压力变化的形式表现出列车对周围环境及道旁人员安全的影响。列车风的作用随着离开列车侧面距离的增加而减少，为保障站台上旅客和路边作业人员安全，必须保证人体与列车侧壁之间有一定距离，这一距离即为人体安全退避距离。

列车安全退避距离主要有两方面研究内容，一是列车风作用下人体受力情况及列车风速度及压力分布；二是制定判别人体安全性的标准。现有技术中，对列车风的研究各国采用的研究方法、研究手段不尽相同，大致可分为三种：采用实车试验研究方法，测量全尺寸人体模型受到的气动力，同时测量轨侧列车风风速和风压的分布规律；采用水洞等模拟试验方法，测量列车通过时轨侧园柱体(模拟人体)的压力分布；用势流理论计算方法，求解列车周围速度场和压力场以及轨侧圆柱体在列车通过时的压力系数变化规律。日本在高速铁路研究初期对列车风进行过一些理论计算和风洞试验，但主要是依赖于实车试验的测量结果。他们采用人体模型和二维超声风速仪测试列车以170km/h速度通过时，人体模型的受力情况以及站台上不同距离的列车风风速。同样法国和前苏联也采用全尺寸人体模型，测量处于列车风中的人体的受力情况。英国通过实车试验方法测量了高速列车通过时，线路侧向不同距离列车风风速及风向，还将残疾人轮椅置于距站台边缘不同距离位置，观测轮椅的受力及运动情况。德国除进行实车试验外，还通过水槽模拟试验，当拖动列车模型运动时，测量列车侧向圆柱体(模拟人体)的受力情况，同时采用基于势流理论的数值模拟计算方法，计算了列车侧向圆柱体的气动力。

我国高速铁路虽起步较晚，但经近十年的努力，在高速铁路基础研究方面取得了一系列成果。我国在“八五”期间就开展了列车安全退避距离的研究，以下简要介绍这方面的研究工作情况。一是实车试验。其采用全尺寸人体模型分别在铁科院环行线(列车最高运行速度180km/h，人体模型放置在线路旁)、广深线(列车最高运行速度170km/h，人体模型置于路堤及路堑上)及沪宁线(列车最高运行速度160km/h，人体模型置于站台上)测量人体在列车风中受到的气动力，试验列车为DF11牵引的准高速列车，并采用三维超声风速仪测量列车风风速。二是模拟试验。在北京大学力学系的拖槽中分别对流线型和传统钝型列车进行列车绕流特性模拟试验。三是数值计算。采用势流理论(即将空气作为无粘、无旋流体处理)计算了列车头部列车风速度及压力分布，并采用集总参数法(将非定常、不均匀流场中圆柱体受力问题转化成定常、均匀问题处理)计算了短圆柱体在列车风中的受力情况。在上述研究工作基础上，参考国外标准采用类比法提出了我国人体允许承受的气动力值和风速值(建议值)：对站台而言，人体允许承受的最大气动力值为100N；对线路作业而言，人体允许承受的最大气动力值为130N；站台旅客和线路作业人员允许承受的列车风风速为14m/s。

根据上述研究结果，“九五”期间制订的“时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定”中提出了200km新建线路有列车通过的站台人体安全退避距离为距站台边缘2m，线路作业人员安全距离为距轨侧3m。

但是，人体在列车风中受力计算是一个非常复杂的流场计算问题，其复杂性表现在以下几方面：1.列车与人体模型(包括站台、地面)之间有相对运动，不能采用传统的数值风洞方法进行计算；2.列车风作用于人体气动力问题是一个三维、非定常流场中复杂形状物体受力问题；3.相对于列车来说人体尺度较小，给计算区域网格划分带来很大困难。

受到上述因素的影响，德国、法国以及我国的研究工作者，在计算列车风中人体受力情况时，作了很大简化：不考虑列车与人体模型之间的相对运动，以准稳态过程代替瞬态过程，并且是以线化理论(面元法)求解流场，而对人体的模拟则是以规则的圆柱体或椭圆柱体来近似模拟。这些简化措施与真实情况相比有较大差距，因此，其计算结果与试验结果偏差较大。

发明内容