第 1 章 绪论
1.1 研究背景
随着我国的经济迅速的发展，成为世界第二大经济体，铁路运输作为最重要的交通运输手段，在经济发展中起着至关重要的作用。改革开放至今，我国的铁路事业发展突飞猛进。上个世纪 90 年代，中国铁路大规模提速帷幕正在缓慢拉开，干线运行速度提高到 200km/h，部分线路运行速度达到 250km/h，提速长度一次达到 6000km，至此，中国铁路正式进入高速时代[1]。经过 20 多年的发展，我国高铁技术已跻身世界铁路技术之列，并得到世界各国的广泛赞誉，中国高铁也作为中国经济快速发展的象征，是中国走向世界的符号。随着城市发展用地日益紧张，居民对铁路噪声和城市环境保护要求的不断提高，中心城市铁路建设难度越来越大。为了实现城市更好更快的发展，利用地下空间是我们新的发展方向，把车站放在地下有很多好处，地上作为中心广场或园林绿地，不仅增加了城市公共区域的面积，而且美化了城市环境，符合现代城市可持续和谐发展的理念。
以美国为代表的发达国家，利用地下空间发展铁路运输已初具规模，不仅推动了城市经济增长，缓解了用地紧张的问题，还增加了城市的可利用空间。因此，发展高速铁路地下车站是未来铁路发展的新趋势。地下车站是主要用于城市地铁车站，起源于 19 世纪的英国，发展壮大于欧洲，法国、德国、意大利、瑞士均有地下火车站[2-7]。我国的北京市、海南省和台湾省也有各自的地下车站[8-14]。2006 年德国柏林新中央火车站是首个真正意义上的地下火车站，开创了大型铁路客站设于地下的先河。
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1.2 列车空气动力学研究现状
高速列车进入地下车站时，会对列车头部的空气进行挤压形成压缩波，列车尾部形成膨胀波，这些波以声速在站前隧道和地下车站内进行传播，膨胀波和压缩波在车站内相互叠加干扰形成能量转化等一系列的复杂过程。在研究高速铁路地下车站空气动力学问题过程中，用计算流体动力学计算方法（CFD）的数值模拟方法求解描述流场和基于相似理论的方法已被成熟应用。
1.2.1 国外研究现状
上世纪四五十年代，日本主要研究了单线铁路隧道的空气动力学问题。解释说明了自然风、列车风作用下隧道内的空气动力学问题[20-23]。
上世界六十年代中期，美国学者 Mills[24]和 Wilson[25]高速列车通过隧道的运动情况利用浅水槽模型进行了模拟。
德国学者 tollmien[26]在假设隧道内气体为不压缩气体的前提下，通过理论计算得到了列车在理想状态下在隧道内运行时产生的二维势流解[27-30]。学者 Steinbeuer[31-33]以面元法求得了列车在隧道内产生压缩波的形成规律进而进行系统规律的研究。
学者 Aita[35-37]将研究转移到超级计算机上，并利用有限元理论在超级上对TGV 高速列车突入隧道时，在隧道入口形成的初始压缩波进行二维和三维分析。学者 Ogawa[38]对单车进入隧道时产生的压缩波进行研究，通过求解三维可压缩 N-S方程表达了出来。
学者 Fuji 对两列车在隧道内会车情况进行模拟分析研究，并根据有限差分法求解三维可压缩欧拉方程或者 N-S 方程得到了隧道内原始压力场分布和列车表面气动压力等一系列气动效应问题[39-42]。
瑞士铁路和德国铁路联合对两列车相向行驶和一车停靠一车高速通过的时隧道内压力的分布分别进行模拟，经过在 Heitersberg[43]隧道内的实车试验得到了相关结论。
学者 Foster[44]采用有限差分法对隧道内两列列车头交会时引起的压力波动进行研究。
学者 Gergoire，Pahlke[45]运用三维不定常欧拉方程对列车突入隧道时，隧道产生的空气动力学问题进行研究。并将模拟得到压力系数时程变化规律与模拟实验结果进行比较，两者结果比较符合。
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第 2 章 计算流体力学基础
2.1 计算流体力学原理
2.1.1 计算流体力学与流体分析软件 FLUENT
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics 简称 CFD）是用数值计算方法求解求解描述流场流动的方程组，获得流场信息。数值模拟计算摆脱了试验固有约束的影响（模型支架、风洞壁的干扰等其他因素），更加深入了解流场及流动现象的内在机理，对于其他试验手段，具有研究周期短，费用低的优点，有利于研究列车-屏蔽门空气动力学。
近十年来发展了结构化网格和非结构化两大网格技术。结构化网格是有利于操作与计算的以阵型为排列的节点组成的网格。非结构化网格具有生成网格方便，节点和单元具有很强的任意性等优点，缺点是计算时相对于结构化网格需要更多的 CPU 和内存。FLUENT 提供了较为灵活的网格特性，不仅可以使用户可以使用结构化网格来解决具有一般外形的流动和复杂外形的流动，而且可以用混合型非结构网格。用户可以根据具体情况修改网格（细化/粗化）。FLUENT 因为具有很好的兼容性，有众多前处理软件，GAMBIT 作为常用的前处理软件之一，具有可读入多种 CAD 软件的三维几何模型和其他多种软件的模型的优点。FLUENT 可用于二维轴对称、二维平面和三维流动分析，可完成多种参考系下定常与非定常流动分析、流场模拟、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、化学组分混合和反应分析、多孔介质分析、多相流分析、传热和热混合分析、固体与流体藕合传热分析等。直接数值模拟湍流、湍流模型和大涡模拟是湍流的数值模拟的主要方法，它的湍流模型包括雷诺应力模型、k-ε模型、涡粘性模型等，k-ε模型在列车周围空气流场应用最为广泛。FLUENT 可以定义多种边界条件，如对称边界条件、交会面边界、固壁边界条件等等，非常有助于用户根据实际情况进行设置。由于其是由 C 语言编写而成，对内存具有很好的分配能力和高效的处理能力。通过菜单宏和菜单函数不但可以自定义界面，还可以优化界面，对用户使用方便性有很大的改善和提高。
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2.2 湍流模型
湍流流动为一种高度非线性的复杂流动。人们通过数值方法对湍流进行模拟得到的结果与实际相比较为吻合，应用模型的计算，可知列车相关的流动基本都是湍流流动，当我们讨论列车与屏蔽门之间的空气流场数值模拟问题时，湍流模型不可缺少。层流被称为稳流或片流，主要是流速较小时，流体分层流动，相互之间没有混合；渡流是随着流速的增加，流体的流线逐渐出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加；当流速增加到非常大时，流线不可分辨，流场中产生很多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间伴随着滑动和混合。流体做不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度，这种运动称为湍流，又称扰流、乱流或紊流。
当前的湍流数值模拟方法主要分为两种方法：直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法。直接求解瞬时湍流控制方程的方法称为直接数值模拟方法；方法不直接计算湍流的脉动特性，设法对湍流做某种程度的近似和简化处理方法为非直接数值模拟。湍流数值模拟方法的分类图如图 2-1 所示。
第 3 章 地下高铁站台屏蔽门列车风计算模型建立.........................15
3.1 高速列车明线运动时的物理特性.......................... 15
3.2 列车车站空气动力特性................................ 16
第 4 章 高速列车通过地下站台屏蔽门气动效应研究....................................27
4.1 测点布置............................ 27
4.2 列车车长对地下站台屏蔽门气动效应的影响.................... 28
第 5 章 高速列车站内会车屏蔽门气动效应研究.......................59
5.1 列车等速会车对站台屏蔽门气动效应的影响............................. 59
5.1.1 350km/h 等速交会对站台屏蔽门气动效应的影响.......................... 59
5.1.2 400km/h 等速交会对站台屏蔽门气动效应的影响.......................... 62
第 5 章 高速列车站内会车屏蔽门气动效应研究
5.1 列车等速会车对站台屏蔽门气动效应的影响
通过变化会车速度，研究同型高速列车地下车站交会速度对站台屏蔽门气动效应的影响。本文模拟两列车长 200m 的 CRH380A 型高速列车，分别以 350km/h和 400km/h 等速交会于地下车站，分析站台屏蔽门上各测点（测定位置见 4.1）的压力波动，研究会车车速对地下站台屏蔽门气动效应的影响。
5.1.1 350km/h 等速交会对站台屏蔽门气动效应的影响
两列单车编组的 CRH380A 型高速列车（车长为 200m），以 350km/h 等速交会于地下车站内，在站台屏蔽门各个测点产生的列车风压时程曲线，如图 5-1—4 所示；站台屏蔽门各个测点的列车风压参数，如表 5-1—4 所示。
（1）测点 1 处列车风压时程曲线
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结论
结论
本文基于三维、非定常、不可压缩，粘性 N-S 方程，采用 k-ε两方程模型，进行数值模拟计算。以北京大兴国际机场地下高铁车站为工程背景，用计算流体力学前处理软件 Gambit 建立三维数值模型，借助滑移网格技术，采用 Fluent 软件模拟计算高速列车通过地下车站和站内交会等多种工况，通过改变列车长度（200m 和 400m）、列车速度（250km/h、300km/h、350km/h、400km/h）、列车交会状态（等速交会和不等速交会）等参数，对站台屏蔽门的风压分布规律、测点压力时程曲线进行分析，获得其气动效应的分布规律。现将主要结论总结如下：
（1）高速列车进入地下车站，车前空气受到挤压，形成的初始压缩波压力是由于车头与车站入口的相互作用，取决于车头形状和阻塞比；压力波的后部压力增长取决于列车与壁面的摩擦力；随着列车尾部的进入，产生的膨胀波造成车站内的压力迅速下降；在压缩波和膨胀波的共同作用下，地下车站内列车风压波动变化，直至各种波动消失，恢复平静。
（2）列车长度越大，地下站台屏蔽门的最大正负压力值、最大压力差值和最大压力梯度值越大，气动舒适性越差，气动效应越显著。
（3）列车车速越快，屏蔽门的最大正负压力值、最大压力差值和最大压力梯度值越大，气动舒适性越差，气动效应越显著。随着列车速度的逐渐增大，地下站台屏蔽门的最大正压力值呈抛物线性增大，且曲线后半段的上升更快；最大负压力值呈抛物线性降低，且曲线后半段的下降更快。
（4）列车地下车站交会时，相对交会速度越大，地下站台屏蔽门的最大正负压力值、最大压力差值和最大压力梯度值越大，气动舒适性越差，气动效应越显著。列车等速交会时，站台屏蔽门的气动压力变化值大于不等速交会工况，且站台气动舒适性较不等速交会工况的要差.
（5）列车通过和交会地下车站，引起站内剧烈的气动效应，沿着地下站台长度方向，站台中部各项气动压力参数较大，气动舒适性较差，气动效应显著，站台两端的气动效应较小。
参考文献（略）