专利名称：：列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法
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4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。
发明内容本发明提供了一种基于三维、描述列车及人体模型周围空气流动的控制方程，用滑移网格(SlidingMesh)技术模拟列车计算模型与人体计算模型之间的相对运动的列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法，其能够尽可能真实模拟人体的外部形状，计算所得的结果与实验结果相比具有较好的一致性，并能够依靠计算机来完成整个建模和计算过程。本发明所采用的技术方案如下列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法，其特征在于所述计算方法包括于不同的计算工况下建立列车计算模型、人体计算模型和线路计算模型；对列车计算模型进行计算区域、计算区域边界和时间步长确定；根据确定的列车计算模型和人体计算模型，依据动网格技术，以物面为三角形网格，空间用四面体网格建立确定计算模型空间体单元；依据连续性方程、动量方程和湍流模型方程计算得到不同列车速度下，不同工况下人体模型的气动力数据和相应列车风速度。具体的讲，所述列车计算模型的建立包括简化列车底部结构，并縮短列车长度，以裙板代替转向架，省略列车的受电弓。一具体实施方式中，所述人体计算模型的建立包括人体计算模型取人体着冬装时的尺寸，并设定人体模型高1.8m，着装后肩宽0.56m，前后尺寸为0.36m。另一具体实施方式中，所述线路计算模型包括有站台和无站台两种模型，其中无站台时，人体模型置于地面；有站台时，站台边缘距轨道中心线O.185m，站台高度距轨面1.lm。再一具体实施方式中，所述列车计算模型的计算区域边界的确定方法包括确定计算区域边界应为未受扰动的流体边界，计算区域边界包括进、出口截面上速度为零；列车表面为运动边界条件，其速度为列车运行速度。又一具体实施方式中，所述连续性方程、动量方程和湍流模型方程包括连续性方程x方向动量方程Y方向动量方程Z方向动量方程湍流动能/t方程湍流动能耗散率e方程，+Av(p^-，gm剩=-C2w)其中，^为速度矢量，"、v、w为各坐标方向的速度分量，P为空气密度，/V和《#分别为有效粘性系数和有效压力，其值与湍流动能A和湍流动能耗散率^有关。所述依据连续性方程、动量方程和湍流模型方程计算是指采用大型商用流场数值计算软件FLUENT6.0模拟列车计算模型与人体计算模型之间的相对运动对模型空间体单元进行计算。所述不同的计算工况是指有无站台、不同列车运行速度、不同人体计算模型的侧向距离条件下的计算工况。本发明基于列车运行过程中描述列车及人体模型周围空气流动的控制方程包括连续性方程、动量方程及湍流模型方程，通过建立列车计算模型、人体计算模型和线路计算模型，采用沿列车计算模型纵向网格剖面和人体计算模型网格剖面所得到的计算网格，进行计算机计算，得到不同列车速度下，不同工况下人体模型的气动力数据和相应列车风速度。大型商用流场数值计算软件FLUENT6.0采用目前应用最广泛又较成熟的有限体积法和非结构网格分别对方程和区域进行离散，可模拟从不可压縮到高度可压縮范围内的复杂流动。FLUENT采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>3,算的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在层流、湍流、漩涡流动等多方面有广泛应用。另外，FLUENT软件采用<:(++语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。本发明中，FLUENT6.0可以采用动网格技术，模拟列车计算模型与人体计算模型(包括站台和地面)之间的相对运动。本发明的有益效果在于，该列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法基于三维、描述列车及人体模型周围空气流动的控制方程，用滑移网格(SlidingMesh)技术模拟列车计算模型与人体计算模型之间的相对运动，其能够尽可能真实模拟人体的外部形状，计算所得的结果与实验结果相比具有较好的一致性，并能够依靠计算机来完成整个建模和计算过程，其计算结果精确，与实验结果偏差较小，可用于各种列车风作用下的侧向人员人体气动特性数值的模拟计算。下面结合具体实施方式对本发明作进一歩的阐述。具体实施例方式该列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法系于不同的计算工况下建立列车计算模型、人体计算模型和线路计算模型；对列车计算模型进行计算区域、计算区域边界和时间步长确定；根据确定的列车计算模型和人体计算模型，依据动网格技术，以物面为三角形网格，空间用四面体网格建立确定计算模型空间体单元；依据连续性方程、动量方程和湍流模型方程计算得到不同列车速度下，不同工况下人体模型的气动力数据和相应列车风速度。其首先设定有、无站台、不同列车运行速度、不同侧向距离的多种计算工况，然后建立列车计算模型、人体计算模型和列车的线路计算模型。由于实际列车的总长度在100多米。相对实际列车而言，人体计算模型的尺寸非常小，列车计算模型很难完全模拟列车的真实情况，本发明抓住主要矛盾对列车某些结构尤其是车体底部进行简化，并縮短列车长度。避免计算网格急剧增加的问题。具体简化措施为①去掉转向架，以裙板代替；②省略受电弓；③列车计算模型长度取23m。由于列车头尾部引起的列车风较大，而中间车通过时列车风变化较为平缓，因此，将列车长度縮短对本次计算而言是一种合理的简化措施。8人体计算模型的尺寸主要取人体着冬装时的尺寸。人体计算模型高1.8m,着装后肩宽0.56m，前后尺寸为0.36m。该实施例中针对有无站台两种情况进行了数值计算。无站台时，人体计算模型置于地面；有站台时，站台边缘距轨道中心线0.185m，站台高度距轨面l.lm。对于列车计算模型，其计算区域边界应为未受扰动的流体边界，因此，在计算机硬件容许范围内应尽可能使计算区域边界远离列车模型。对计算区域边界而言，由于未受流体扰动，计算区域边界包括进、出口截面上速度为零；列车表面为运动边界条件，其速度为列车运行速度。本次计算时间步长是按照列车每次移动一定距离(0.5m)给出的，由于列车运行速度不同，因此，不同速度工况所取的时间步长不同。沿列车模型纵向网格剖面，可得到列车模型的计算网格，沿人体计算模型网格剖面可得到人体计算模型的计算网格，其中物面为三角形网格，空间采用四面体网格，无站台计算模型空间体单元约160万，有站台计算模型空间体单元约220万。该数值计算是在DELL工作站(共两台)上进行，其基本配置为CPU:Intel奔4，主频2.0GHz，内存2.5G(包括1.5G虚拟内存)，硬盘160G。对于无站台的模型(160万网格)，一个状态共计算约70个时间步长，每个时间步长计算所花时间约为100分钟，因此每个工况计算时间为115小时。有站台模型(220万网格)，一个工况共计算约70个时间步长，每个时间步长计算所花时间约210分钟，因此每个工况计算时间为245小时，采用美国FLUENT公司大型商用流场数值计算软件FLUENT6.0进行计算。列车运行过程中，描述列车及人体模型周围空气流动的控制方程包括连续性方程、动量方程及湍流模型方程，湍流模型选取工程上应用较广的k-e双方程模型。控制方程由下列方程组成，+rf'V/^=0连续性方程9,+浙(p^-~『油)=-|+AV(〃e#￡)X方向动量方程,+^(/^v-/ie#gra,=-，+&v(//e#*)Y方向动量方程^+^(/^-/ue#g7Ww)=-,+t//H//e#*)Z方向动量方程竿+-Mgm汲)=G-湍流动能*方程cr女，+力V(p^:-Mgra&)=-C2ps)湍流动能耗散率s方程上述方程均忽略了空气的质量力。其中，^为速度矢量，"、v、w为各坐标方向的速度分量，p为空气密度，Af和^^分别为有效粘性系数和有效压力，其值与湍流动能*和湍流动能耗散率s有关。上述方程组六个方程含有六个未知量"、v、w、P、；t和s，方程组封闭，可对它进行数值求解。其中，数值计算所用坐标如下X向与列车运行方向相同；Y与列车运行方向垂直，指向列车侧壁；Z垂直于轨道平面向上。如表l、表2分别列出了有无站台情况下本次数值计算结果。由于安全退避距离评判标准只有力和风速标准，因此，表中只列出了人体模型受到的三个气动力计算结果，另外表中列出的列车风速度为列车通过时水平面上的最大值。10表1无站台时人体模型气动力及列车风速度计算结果<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表2有站台时人体模型气动力及列车风速度计算结果<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>同时采用实际全尺寸人体模测量列车风作用下位于测试点的人体模型承受的气动力，监测列车风中的点速度及压力随时间变化情况，并获得人体模型主要部位在列车风中受到的瞬态压力冲击。实际人体模型为1:1比例的人体模型，人体模型采用面迎气流方式设置在列车侧向位置。将实际人体模型固定于一测力天平上并处于悬空状态；当列车通过时，实际人体模型受到的气动载荷作用在测力天平上，得到实际人体模型在列车风作用下的气动力；利用热线风速仪和动态压力传感器测定列车风中的点速度及压力随时间变化情况；在实际人体模型胸部和耳部安装动态压力传感器，测量实际人体模型主要部位在列车风中受到的瞬态压力冲击。如表3为有站台时取站台上两测试点A、B的实际人体模型气动力及列车风速度测量结果。图3站台时实际人体模型气动力及列车风速度测量结果<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>可见，数值结算结果与实际人体模型的实验结果对比，对应工况偏差较小，该方法可用于各种列车风作用下的侧向人员人体气动特性数值的模拟计算，并运用于工作人员及旅客安全退避距离的合理性评估工作。由于本发明所采用的数值模拟计算不受环境因素的影响，因此，可采用数值计算的方法对各种线路情况、不同车型、不同列车运行速度下列车风对人体作用力进行分析计算。并可将计算区域加长，以模拟列车尾流。权利要求1.列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法，其特征在于所述计算方法包括于不同的计算工况下建立列车计算模型、人体计算模型和线路计算模型；对列车计算模型进行计算区域、计算区域边界和时间步长确定；根据确定的列车计算模型和人体计算模型，依据动网格技术，以物面为三角形网格，空间用四面体网格建立确定计算模型空间体单元；依据连续性方程、动量方程和湍流模型方程计算得到不同列车速度下，不同工况下人体模型的气动力数据和相应列车风速度。2.根据权利要求1所述的列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法，其特征在于所述列车计算模型的建立包括-简化列车底部结构，并縮短列车长度，以裙板代替转向架，省略列车的受电弓。3.根据权利要求1所述的列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法，其特征在于所述人体计算模型的建立包括人体计算模型取人体着冬装时的尺寸，并设定人体模型高1.8m，着装后肩宽0.56m，前后尺寸为0.36m。4.根据权利要求1所述的列车风作用下恻向人员人体气动特性数值计算方法，其特征在于所述线路计算模型包括有站台和无站台两种模型，其中无站台时，人体模型置于地面；有站台时，站台边缘距轨道中心线0.185m，站台高度距轨面1.lm。5.根据权利要求1所述的列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法，其特征在于所述列车计算模型的计算区域边界的确定方法包括确定计算区域边界应为未受扰动的流体边界，计算区域边界包括进、出口截面上速度为零；列车表面为运动边界条件，其速度为列车运行速度。6.根据权利要求1所述的列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法，其特征在于所述连续性方程、动量方程和湍流模型方程包括-连续性方程x方向动量方程Y方向动量方程Z方向动量方程湍流动能A方程湍流动能耗散率其中，^为速度矢量，"、v、vv为各坐标方向的速度分量，P为空气密度，'和^分别为有效粘性系数和有效压力，其值与湍流动能^和湍流动能耗散率e有关。7.根据权利要求1所述的列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法，其特征在于所述依据连续性方程、动量方程和湍流模型方程计算是指采用大型商用流场数值计算软件FLUENT6.0模拟列车计算模型与人体计算模型之间的相对运动对模型空间体单元进行计算。8.根据权利要求1所述的列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法，其特征在于所述不同的计算工况是指有无站台、不同列车运行速度、不同人体计算模型的侧向距离条件下的计算工况。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>全文摘要列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法，包括于不同的计算工况下建立列车计算模型、人体计算模型和线路计算模型；对列车计算模型进行计算区域、计算区域边界和时间步长确定；根据确定的列车计算模型和人体计算模型，依据动网格技术确定计算模型空间体单元；依据连续性方程、动量方程和湍流模型方程计算得到不同列车速度下，不同工况下人体模型的气动力数据和相应列车风速度。本发明能够尽可能真实模拟人体的外部形状，计算所得的结果与实验结果相比具有较好的一致性，并能够依靠计算机来完成整个建模和计算过程，其计算结果精确，与实验结果比较偏差较小，可用于各种列车风作用下的侧向人员人体气动特性的数值模拟计算。文档编号G06F17/50GK101650757SQ20091016998公开日2010年2月17日申请日期2009年9月14日优先权日2009年9月14日发明者刘堂红,松姚,李燕飞,杨志刚,杨明智,梁习锋,平许申请人:中南大学