帽檐斜切式洞門斜率對隧道氣動性能的影響

張雷，田紅旗，楊明智，張健，曾祥坤，楊志剛

(1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410075；2.中國鐵道科學(xué)研究院 信息研究所，北京，100086)

我國高鐵線路長，隧道多，運(yùn)營車速高，列車高速通過隧道可引起車體表面和隧道壁面劇烈的瞬變壓力變化，其對列車安全運(yùn)行、旅客乘坐舒適性的不良影響進(jìn)一步加重[1-2]；當(dāng)列車高速進(jìn)入隧道時(shí)，列車前方的空氣突然受到壓縮，形成壓縮波，壓縮波以音速傳到隧道出口，向外膨脹形成微氣壓波，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生爆破音，對洞口周圍環(huán)境及居民的正常生活造成一定的影響[3-4]：因此，如何改善高鐵隧道氣動性能，是鐵路隧道設(shè)計(jì)中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。世界各國多以優(yōu)化列車外形或減速進(jìn)入隧道的方式達(dá)到控制車體表面和隧道壁面瞬變壓力變化的目的[5-6]，并在隧道入口處設(shè)置不同形式的隧道洞門與緩沖結(jié)構(gòu)以減小隧道出口微氣壓波的影響[7-9]。我國高速鐵路隧道的設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用新型的帽檐斜切式隧道洞門結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)外在緩沖結(jié)構(gòu)對隧道空氣動力效應(yīng)的影響方面進(jìn)行了大量的研究，并獲得一系列的研究成果，但是，由于帽檐斜切式隧道洞門是一種新型隧道洞門，且已應(yīng)用于京滬和武廣等多條新建或在建高速鐵路，其對隧道空氣動力效應(yīng)的影響也亟待深入研究[10-11]。為此，本文作者采用三維數(shù)值模擬計(jì)算，對不同斜切斜率時(shí)，帽檐斜切式洞門下的隧道空氣動力效應(yīng)問題進(jìn)行研究，并用動模型試驗(yàn)對研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 數(shù)值計(jì)算與動模型試驗(yàn)

1.1 數(shù)值計(jì)算

采用 FLUENT流場計(jì)算軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，通過結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格分別對計(jì)算區(qū)域和車體表面進(jìn)行離散，采用有限體積法和相關(guān)流動控制方程真實(shí)模擬列車周圍流場。描述列車周圍空氣流動的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、氣體狀態(tài)方程及湍流模型方程，F(xiàn)LUENT提供了多種湍流模型[12-13]。本文選取工程上應(yīng)用較廣的k-ε雙方程模型，按三維、可壓縮、非定常N-S方程，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，對高速列車通過隧道時(shí)復(fù)雜的空氣流場進(jìn)行模擬計(jì)算。

數(shù)值計(jì)算采用1∶1的比例模型，高速列車由頭車和尾車兩車編組而成，其頭部流線型長度為6.18 m，車速為350 km/h。在車體靠近隧道壁面一側(cè)布置2個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)控點(diǎn)(以下簡稱測點(diǎn))，如圖 1所示；雙線隧道凈空面積100 m2，線間距5 m，并在隧道壁面及出口共布置4個(gè)測點(diǎn)，如圖2所示。隧道入口為帽檐斜切式洞門，分別采用 1∶1.00，1∶1.25，1∶1.50，1∶1.75，1∶20共5種斜切斜率(斜切斜率為斜切段高度H與長度L的比值)，如圖3所示；隧道出口采用端墻式洞門形式，高速列車表面網(wǎng)格如圖4所示。

1.2 動模型試驗(yàn)

動模型試驗(yàn)采用大型列車氣動性能模擬動模型試驗(yàn)裝置，這是國內(nèi)最佳的對列車過隧道空氣動力問題進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究的專用大型動模型試驗(yàn)設(shè)備，根據(jù)流動相似原理，通過彈射方式使模型列車在模擬線路上高速運(yùn)行，真實(shí)再現(xiàn)列車高速通過隧道的空氣三維非定常流動現(xiàn)象[14-15]。本次動模型試驗(yàn)的模型縮比為1∶20，即動模型采用的模型尺寸為數(shù)值計(jì)算模型尺寸的1/20，在保證阻塞比一致的同時(shí)，高速列車與隧道壁面布點(diǎn)位置按比例與數(shù)值模擬計(jì)算完全一致。高速列車、隧道模型分別如圖5和圖6所示。

圖1 高速列車模型測點(diǎn)布置圖Fig.1 Points arrangement of high-speed train model

圖2 隧道模型測點(diǎn)布置圖Fig.2 Points arrangement of tunnel model

圖3 帽檐斜切式隧道洞門示意圖Fig.3 Schematic diagram of hat oblique portal

圖4 高速列車網(wǎng)格圖Fig.4 Grid of high-speed train model

圖5 高速列車模型Fig.5 Model of high-speed train

圖6 帽檐斜切式洞門模型Fig.6 Model of hat oblique portal

2 結(jié)果分析

2.1 數(shù)值計(jì)算與動模型試驗(yàn)結(jié)果比較

數(shù)值計(jì)算與動模型試驗(yàn)兩者的比較工況為：高速列車以350 km/h速度通過長1 km的雙線隧道，該隧道帶有斜切斜率為1∶1.25的帽檐斜切式洞門。根據(jù)本次數(shù)值計(jì)算所布置測點(diǎn)情況，車體表面最大瞬變壓力變化幅值出現(xiàn)在車頭側(cè)窗靠近隧道壁一側(cè)的測點(diǎn)，即車體表面1號測點(diǎn)；隧道壁面最大瞬變壓力變化幅值出現(xiàn)在隧道2號測點(diǎn)。表1所示為該工況下車體表面、隧道壁面測點(diǎn)最大瞬變壓力變化幅值，隧道出口20 m處4號測點(diǎn)微氣壓波幅值的數(shù)值計(jì)算與動模型試驗(yàn)結(jié)果比較。以車頭鼻尖位置進(jìn)入隧道為時(shí)間零點(diǎn)，根據(jù)相似原理，將數(shù)值模擬計(jì)算所得數(shù)據(jù)圖形的時(shí)間軸縮小 20倍，則可與動模型試驗(yàn)的時(shí)間同步，圖 7～9所示為對應(yīng)測點(diǎn)壓力變化曲線比較結(jié)果。

對比數(shù)值計(jì)算與動模型試驗(yàn)結(jié)果可以看出：2種方法得到的瞬變壓力及微氣壓波曲線變化規(guī)律基本一致，幅值略有差異，誤差在 5%以下，說明所采用的數(shù)值計(jì)算方法能夠較好地模擬列車高速通過隧道引發(fā)的空氣動力效應(yīng)問題。

表1 2種方法所得最大瞬變壓力變化幅值比較Table 1 Comparison of maximum pressure amplitude for measuring point

圖7 車體表面1號測點(diǎn)瞬變壓力變化曲線比較Fig.7 Comparison between two curves of transient pressure attained from two methods for measuring point 1 on train

圖8 隧道壁面2號測點(diǎn)瞬變壓力變化曲線比較Fig.8 Comparison between two curves of transient pressure attained from two methods for measuring point 2 on tunnel

圖9 隧道出口20 m處微氣壓波曲線比較Fig.9 Comparison between two curves of micro-pressure waves attained from two methods for measuring point with distance of 20 m from tunnel exit

以下利用數(shù)值計(jì)算方法，在上述研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論帽檐斜切式隧道洞門的斜切斜率對隧道空氣動力效應(yīng)的影響。

2.2 車體表面及隧道壁面瞬變壓力變化

表2所示為5種斜切斜率條件下高速列車車體表面及隧道壁面測點(diǎn)最大瞬變壓力變化幅值比較結(jié)果。

由表2可知：在不同斜切斜率條件下，車體表面最大瞬變壓力幅值相差為5.3%，隧道壁面最大瞬變壓力變化幅值相差1.0%，即車體表面和隧道壁面最大瞬變壓力幅值基本不受洞門斜切斜率的影響。這是因?yàn)樵谒淼篱L度及車速相同的情況下，阻塞比是影響車體表面和隧道壁面瞬變壓力變化的重要因素，但在本次研究中采用的車-隧阻塞比相同，而隧道洞門斜切斜率不影響阻塞比，因此，其對車體表面及隧道壁面瞬變壓力變化基本無影響。

表2 車體表面及隧道壁面測點(diǎn)最大瞬變壓力變化幅值比較Table 2 Maximum pressure amplitude for measuring point on train and tunnel

當(dāng)列車駛?cè)胨淼浪查g，由于空氣的壓縮性及列車表面與隧道壁面限制了空氣流動的空間，使緊貼在列車車頭前方的空氣受到壓縮并隨列車向前流動，造成列車前方的空氣壓力突然升高，產(chǎn)生壓縮波，壓縮波引起隧道入口1號測點(diǎn)瞬變壓力上升，直至到達(dá)最大正峰值，形成初始壓縮波。圖10所示為不同斜切斜率條件下，隧道入口1號測點(diǎn)初始壓縮波波形比較結(jié)果，圖11所示為初始壓縮波瞬變壓力梯度曲線比較結(jié)果，表3所示為初始壓縮波最大壓力梯度。

由圖10 可知：5種斜切斜率的隧道洞門結(jié)構(gòu)下，初始壓縮波分ab和cd2個(gè)上升階段，其到達(dá)峰值d點(diǎn)的時(shí)刻及峰值基本相同，其中ab段對應(yīng)圖11中的第1個(gè)壓力梯度峰值，cd段對應(yīng)圖11中的第2個(gè)壓力梯度峰值，而第1個(gè)壓力梯度峰值基本上決定了隧道出口的微氣壓波幅值；隨著斜切斜率的減小，ab段初始壓縮波上升到峰值的時(shí)刻滯后，所需時(shí)間增加，即其壓力梯度最大值減小?？梢姡核淼蓝撮T結(jié)構(gòu)斜切斜率越小，對瞬變壓力梯度的緩解效果越好。

表3 初始壓縮波最大壓力梯度比較Table 3 Comparison of the largest pressure gradient of initial compression wave

圖10 隧道入口初始壓縮波曲線比較Fig.10 Comparison of initial compression wave curves

圖11 隧道入口初始壓縮波瞬變壓力梯度曲線比較Fig.11 Comparison of pressure gradient curves

2.3 洞門斜切斜率對微氣壓波的影響

列車進(jìn)入隧道形成的壓力波不僅引起車體表面和隧道壁面的壓力變化，而且在壓縮波由隧道口作為沖擊波穿出時(shí)，會形成噪聲，作為微氣壓波向周圍傳播。表4和圖12所示分別為各工況下隧道出口20 m處測點(diǎn)微氣壓波幅值及其比較圖；各工況下微氣壓波幅值比較曲線見圖13。

從表4、圖12和圖13可以看出：有效的改變帽檐斜切式隧道洞門的斜切斜率可以顯著降低隧道口處微氣壓波，隧道洞門斜切斜率為1∶1.00時(shí)，隧道口處的微氣壓波幅值最大，為66 Pa；當(dāng)隧道洞門斜切斜率為1∶2.00時(shí)，隧道口處微氣壓波幅值最小，為54 Pa。相對于斜切斜率為1∶1.00的隧道洞門結(jié)構(gòu)，另外4種斜切斜率下隧道出口微氣壓波降幅分別為 4.5%，6.1%，12.1%和18.2%。

表4 隧道出口測點(diǎn)微氣壓波幅值比較Table 4 Comparison of maximum pressure amplitude of micro-pressure waves for measuring point on export of tunnel

圖12 各隧道洞門結(jié)構(gòu)下微氣壓波幅值比較曲線Fig.12 Analogy of amplitude for micro-pressure waves

圖13 隧道出口測點(diǎn)微氣壓波壓力變化曲線比較Fig.13 Comparison of curves for micro-pressure waves

微氣壓波幅值減小是因?yàn)樗男纬膳c初始壓縮波有關(guān)，初始壓縮波壓力上升的過程基本決定了隧道出口的微氣壓波幅值，而初始壓縮波壓力上升的過程即為壓力梯度的變化過程，因此，隧道口微氣壓波幅值隨壓力梯度最大值的減小而減小；隨著斜切斜率的減小，初始壓縮波壓力梯度最大值減小，微氣壓波幅值減小，即斜切斜率越小，帽檐斜切式隧道洞門對隧道出口微氣壓波的改善效果越好。

3 結(jié)論

(1) 數(shù)值模擬與動模型試驗(yàn) 2種方法得到的結(jié)果較吻合。2種方法得到的壓力曲線變化規(guī)律完全一致，僅變化幅值略有差異，相對誤差在 5%以下，說明本文采用的數(shù)值計(jì)算方法能夠較好地模擬高速列車通過隧道時(shí)所誘發(fā)的空氣動力效應(yīng)問題。

(2) 在 5種斜切斜率的帽檐斜切式隧道洞門結(jié)構(gòu)形式下，車體表面測點(diǎn)瞬變壓力變化規(guī)律、隧道壁面測點(diǎn)瞬變壓力變化規(guī)律一致；在不同斜切斜率帽檐斜切式洞門條件下，車體表面和隧道壁面最大瞬變壓力變化幅值相差較小，最大僅5.3%，即隧道洞門結(jié)構(gòu)的斜切斜率對高速列車車體表面和隧道壁面瞬變壓力變化基本無影響。

(3) 當(dāng)斜切斜率減小時(shí)，隧道壁面測點(diǎn)初始壓縮波上升到峰值的時(shí)刻滯后，瞬變壓力梯度最大值減小，說明斜切斜率越小，對瞬變壓力梯度的緩解效果越好。

(4) 有效的改變帽檐斜切式洞門結(jié)構(gòu)的斜切斜率可以顯著降低隧道口處微氣壓波，隨著帽檐斜切式隧道洞門斜切斜率的減小，相對于斜切斜率為1∶1.00的隧道洞門，隧道出口20 m處微氣壓波幅值的降幅越來越大，即隧道洞門的斜切斜率越小，其對隧道出口微氣壓波改善效果越好。

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