地鐵列車氣動效應分析

王秀珍 包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學院

地鐵列車氣動效應分析

王秀珍 包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學院

本文基于三維、非定常、可壓N-S方程和k-ε雙方程湍流模型，對地鐵列車以不同速度通過不同截面形狀、不同長度隧道引起的氣動效應進行了研究。結(jié)果表明：地鐵列車相同速度通過三種不同截面形狀隧道時，圓形截面隧道壓力變化幅值最小，馬蹄形截面隧道次之，矩形截面隧道最大；列車車體表面壓力變化幅值近似與列車運行速度的平方成正比；在此次選擇的地鐵列車和隧道計算中，最不利隧道長度在2km左右，其最不利隧道長度會因列車運行速度、列車頭部外形、隧道截面形狀和面積大小等因素不同而有所變化。其結(jié)果可為車體氣密性和通風設備進排風口位置的設計提供指導意義。

地鐵列車；隧道；氣動效應；壓力變化

引言

與傳統(tǒng)的交通工具相比，地鐵作為一種軌道交通工具，具有安全、準時、舒適，而且載客量大、運營費用低、環(huán)境污染小、綜合經(jīng)濟效益等優(yōu)點，已成為城市交通運輸?shù)闹髁?，大大解決了城市交通堵塞和居民乘車困難等問題，是現(xiàn)代化城市交通運輸設備的重要組成部分[1]-[3]。隨著城市地鐵的迅速發(fā)展，地鐵環(huán)境控制問題也愈來愈引起人們的關(guān)注。地鐵列車進出隧道、在隧道中運行以及交會時產(chǎn)生很多諸如活塞風、壓縮波、膨脹波、噪音等現(xiàn)象，影響乘客和工作人員的舒適性，并會引發(fā)安全問題。原來由于地鐵列車運行速度較低，地鐵列車在隧道中運行時的不舒適感不明顯，未引起足夠重視，隨著地鐵列車運行速度的提高，加之地鐵列車的氣密性不好等原因，瞬變壓力通常會給乘客造成耳疼等不舒適感。本文將對地鐵列車以不同速度通過不同截面形狀隧道時的氣動效應進行分析，可為車體氣密性和通風設備進排風口位置的設計提供指導意義。

1 數(shù)值計算模型

實際流場中，列車上存在扶手、車輪、轉(zhuǎn)向架等，在隧道底板上存在道床、枕木和軌道，流場極其復雜。關(guān)注太多細節(jié)的復雜流場會大大增加計算工作量，且導致網(wǎng)格畸變甚至計算發(fā)散等問題。因此，在現(xiàn)有計算機硬件條件下，為提高流場計算精度，盡可能較細致地模擬地鐵列車的外形，但計算模型的網(wǎng)格數(shù)不能增加過多，對車體底部和軌道細部結(jié)構(gòu)進行適當簡化，計算模型采用三車編組。隧道截面選取三種典型形狀截面：圓形、矩形和馬蹄形。列車和隧道計算模型如圖1所示。

對于邊界條件的設置，列車表面給定運動邊界條件：X方向速度分量等于給定的列車運行速度V， Y、Z向速度分量等于0；流域兩側(cè)面、頂面、底面，給定無滑移邊界條件；進口邊界條件，相對壓強pin＝0；出口邊界條件，相對壓強pout＝0；隧道壁面采用標準壁面函數(shù)模擬。

圖1 計算模型圖

地鐵列車表面壓力測點布置如圖2所示。

圖2 列車車體表面測點布置圖

2 數(shù)值模擬計算結(jié)果與分析

2.1 隧道截面形狀對氣動效應的影響

圖3為列車以80km/h過長度為600m，截面形狀為圓形的隧道時車體表面壓力分布圖（t＝12.5s）。由圖可知，列車表面除車頭位置處在正壓區(qū)外，其余位置均為負壓。

圖3 列車車體表面壓力分布云圖

列車頭、尾部進、出隧道瞬間，繞列車運動的氣流受到隧道壁面的制約形成壓縮波、膨脹波。這兩種波在隧道內(nèi)以音速傳播，當?shù)竭_另一端洞口時，壓縮波突然膨脹轉(zhuǎn)換成膨脹波，而低于環(huán)境壓力的膨脹波則轉(zhuǎn)換為壓縮波，又再以音速回傳，如此不斷反復傳播過程中，同種類型的波相遇疊加時，壓力波幅值增大，而不同類型的波疊加時，壓力波幅值減小，從而導致隧道內(nèi)空氣壓力發(fā)生劇烈變化。圖4為不同時刻的流場壓力分布云圖，其中以列車頭部距離隧道入口50m時作為計算起始的“零”時刻。t＝1.75s時，由沖擊振蕩產(chǎn)生的壓力波以球面波的形狀向外傳播；t=2.5s時，列車頭部進入隧道，在隧道入口附近的壓力開始上升，隨著列車頭部繼續(xù)接近并進入隧道，壓力繼續(xù)升高形成壓縮波；t=5.0s時，列車尾部進入隧道，形成膨脹波，壓力開始下降。

圖4 縱向?qū)ΨQ面壓力分布云圖

圖5為地鐵列車以80km/h通過三種不同截面形狀隧道時，車體表面6#點的壓力隨時間變化歷程，結(jié)果表明列車以相同速度通過圓形截面隧道時車體表面壓力變化幅值最小，馬蹄形隧道次之，矩形截面隧道最大；除壓力變化幅值有些差異外，曲線變化規(guī)律完全一致，其他測點壓力變化結(jié)果類似，這里不再詳細分析。

圖5 通過不同截面形狀隧道時6#測點壓力變化曲線

從測點壓力變化值和壓力變化曲線可知，地鐵列車在隧道中運行時，除列車頭部處于微小正壓區(qū)外，大部分區(qū)域均為負壓，這對出風有利，對進風不利；地鐵列車以80km/h運行時，除車頭外，車體表面其它位置測點壓力變化范圍在200Pa至-600Pa之間，平均負壓大概為-300Pa；在設計空調(diào)等通風設備進排風口時，需要考慮車體表面壓力分布情況。

2.2 列車運行速度對氣動效應的影響

這里取地鐵列車中間車廂側(cè)面6#測點進行分析比較。地鐵列車以60km/h、80km/ h和100km/h速度通過長600m的圓形截面隧道時的車體表面壓力計算結(jié)果如表1所示，測點壓力變化歷程如圖6所示，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)畫出的列車表面測點壓力變化幅值與列車速度的關(guān)系曲線如圖7所示。從計算結(jié)果可知，隨著地鐵列車運行速度的提高，列車車體表面壓力變化迅速增大，列車車體表面壓力變化幅值近似與列車運行速度的平方成正比。

表1 不同速度通過圓形截面隧道時車體表面6#測點壓力變化情況

圖6 不同速度6#測點壓力變化曲線

圖7 6#測點壓力變化幅值隨車速變化曲線

2.3 隧道長度對氣動效應的影響

列車以80km/h的速度分別通過長度為350m、600m、1000m、1500m、2000m、3000m的圓形截面隧道時，取列車中間車廂側(cè)面6#測點的壓力數(shù)據(jù)進行分析比較。測點壓力變化情況如圖8所示，列車表面壓力變化幅值與隧道長度的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖8 列車通過不同隧道長度時6#測點壓力變化曲線

圖96 #測點壓力變化幅值隨隧道長度變化曲線

由圖9可知，列車過長度為350m的隧道時壓力變化幅值最小，為458pa；隨著隧道長度的增加，列車車體表面壓力變化幅值迅速增加，在2000m左右達到最大，為812Pa；然后隨著隧道長度的增加，列車車體表面壓力變化幅值慢慢減小?？梢?，此次計算的隧道最不利長度約為2000m，當然最不利隧道長度還與列車運行速度、列車頭部外形、隧道截面形狀和面積大小等因素有關(guān)，要針對具體問題進行分析。

3 結(jié)論

通過對地鐵列車通過隧道的氣動效應進行分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）地鐵列車在隧道中運行過程中，除列車頭部處于微小正壓區(qū)外，大部分區(qū)域均為負壓，這對出風有利，對進風不利；地鐵列車以80km/h運行時，除列車頭、尾個別測點外，車體表面其它位置測點壓力變化范圍約在200Pa至-500Pa之間，平均負壓大概為-300Pa。

（2）列車以相同速度通過圓形截面隧道時車體表面壓力變化幅值最小，馬蹄形截面隧道次之，矩形截面隧道最大。三種不同截面形狀的隧道基本相同，除測點壓力變化幅值有些差異外，曲線變化規(guī)律完全一致。

（3）隨著列車運行速度的提高，車體表面壓力變化幅值增大，列車車體表面壓力變化幅值近似與列車運行速度的平方成正比。

（4）隧道長度在350m～2000m范圍內(nèi)，隨著隧道長度的增加，列車車體表面壓力變化幅值增大，隧道長度大于2000m后，隨著隧道長度的增加，列車車體表面壓力變化幅值慢慢減??；可見，此次計算的隧道最不利長度約為2000m，最不利隧道長度會因列車運行速度、列車頭部外形、隧道截面形狀和面積大小等因素不同而有所變化，要針對具體問題進行分析。

[1]王元.香港地鐵發(fā)展模式對北京的啟示[D].北京：北京交通大學.2006

[2]曹炳坤.世界地鐵發(fā)展令人矚目[J].城市公共交通.2003，23(5)：33

[3]余斌.城際快速地鐵線空氣動力學效應與隧道規(guī)模[J].商品與質(zhì)量·建筑與發(fā)展.2010，23(9)：118-120

[4]賈力，黃鵬，李時娟.地鐵雙線隧道內(nèi)流動特性的數(shù)值模擬[J].熱科學與技術(shù).2006，5(4)：332-334

[5]劉堂紅，田紅旗，金學松.隧道空氣動力學實車試驗研究[J].空氣動力學學報.2008，26(1)：42-46

[6]劉艷榮，毛軍.列車活塞風對隧道通風系統(tǒng)運行狀態(tài)的影響[J].工程建設與設計.2003，(4)：3-6

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.21.045