CRH3A型動車組通過隧道時的壓力變化試驗與CFD計算

余以正，姜旭東，孫 健

(中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司 技術(shù)中心基礎(chǔ)研發(fā)部，吉林 長春 130062)*

0 引言

由于空氣流動受隧道壁的限制以及空氣的可壓縮性，高速列車通過隧道時將產(chǎn)生相當大的壓力波動.這種瞬變壓力效應會對列車、環(huán)境和旅客舒適性產(chǎn)生很大的影響，目前，隨著我國高速列車的發(fā)展，開展高速列車進入隧道時引起瞬變壓力變化的研究是非常重要的.根據(jù)文獻［1-2］，在高速列車通過單線隧道過程中，其最大壓力變化量ΔP主要受列車速度、阻塞比等因素影響，受列車長度和隧道長度的影響較小.本文采用動模型試驗與三維流場數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對公司設(shè)計的CRH3A型動車組以250 km/h的速度通過凈空面積80 m2的單線隧道時引起的車體表面及隧道壁瞬變壓力變化量ΔP問題進行研究，并對計算結(jié)果進行分析與評價.

1 動模型試驗

1.1 動模型試驗系統(tǒng)基本原理

動模型試驗根據(jù)流動相似原理［3］，將動車組、隧道和線路等物體按幾何相似制作成縮比模型，通過彈射使模型動車組在模型線路上無動力高速運行，模擬兩交會動車組、動車組與地面、動車組與周圍環(huán)境之間的相對運動，真實再現(xiàn)高速動車組交會、過隧道、列車風等空氣三維非定?？蓧嚎s流動過程，獲得具有相對運動的動車組空氣動力特性.

1.2 模型實際布置情況

動模型試驗中，隧道截面圖與隧道模型見圖1所示.在軌道和隧道模型設(shè)計時，嚴格控制模型阻塞比(動車組橫截面和隧道凈空面積比)和實際動車組過隧道的阻塞比相等.

圖1 測點布置及典型測點示意圖

1.3 模型測點布置情況

圖2為列車表面測壓點布置示意圖，試驗中在車頭、車尾、車側(cè)面共布置有52個測點，并在隧道壁面布置測點數(shù)17個.本文限于篇幅，僅研究列車過隧道時車身表面壓力變化，并選取3個典型測點進行研究，3個典型測點分別位于鼻尖點，車頭側(cè)面變化最大部位點以及車側(cè)窗點.

圖2 動模型試驗隧道截面與隧道模型

2 數(shù)值仿真分析

利用STARCCM+大型流場計算商用軟件，根據(jù)流場特點，數(shù)值求解的控制方程為低速粘流的Navier-Stokes方程，湍流采用兩方程湍流模型，近壁區(qū)采用低Re數(shù)修正與壁面函數(shù)相結(jié)合的方法，方程采用有限體積法離散，并采用并行的壓力修正算法求解［4］.

CFD計算模型、隧道長度、計算測點保證與動模型試驗完全一致.車頭是影響計算結(jié)果的重要部位，因此在該區(qū)域分布了較密的網(wǎng)格以保形，同時根據(jù)流動特點規(guī)劃分區(qū)拓撲結(jié)構(gòu)，以保證模擬精度.在車身連接處，轉(zhuǎn)向架、風檔和空調(diào)等部位都進行了網(wǎng)格加密.對曲率變化較大的部分和關(guān)鍵區(qū)域都進行了網(wǎng)格加密，以滿足此類問題計算對網(wǎng)格的要求，近壁面第一層網(wǎng)格最小網(wǎng)格高度為0.5 mm.圖3是整車車體表面網(wǎng)格，圖4是計算域示意圖.

圖3 整車車體表面網(wǎng)格

圖4 列車過單線隧道計算域

3 試驗結(jié)果與仿真結(jié)果分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)分析

選取車頭鼻尖點，車頭側(cè)面變化最大部位點以及車側(cè)窗點3個主要測點進行分析.由圖5～7可見:仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，說明試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果可以互相驗證.

圖5是列車車頭鼻尖點從進入隧道到出隧道整個壓力變化過程.隨著列車朝隧道入口高速駛近，車頭前方的氣流受到車頭排擠和前方隧道壁面的限制，車頭鼻尖點壓力逐漸開始升高.在列車正要進入隧道前，列車前端面與隧道洞口之間的有效流動面積逐漸減少，使車頭前方氣流受到強烈的擠壓作用，車頭鼻尖點壓力快速增大，當車頭完全進入隧道時，壓力在圖5中A點達到最大值.此過程產(chǎn)生空氣壓縮波，并以音速沿隧道向前傳播，使列車前方隧道中的空氣壓縮和加速.隨著列車進一步駛?cè)胨淼?，車頭前方的一部分氣流通過環(huán)狀空間加速向列車后方流動，車前壓力逐漸下降;當車尾部開始進入隧道后，隧道壁面與車尾部構(gòu)成的空間突然擴大，該空間對車尾前后的氣流有一個抽吸作用，使原來通過環(huán)狀空間流向尾部的氣流流速增大，并且隧道外部氣流也開始流入該空間，以填補列車通過后留下的空間.這時在列車尾部有一個壓力的突然下降，產(chǎn)生空氣膨脹波.此時車頭鼻尖點壓力以較大的壓力梯度繼續(xù)降低，并在圖5中B點達到最小.隨后壓縮波以聲速傳至鼻尖處，鼻尖處壓力又開始上升，到C點達到另一個峰值，壓縮波與膨脹波如此反復，體現(xiàn)在車頭鼻尖點是壓力不斷的波動.車頭鼻尖點的最大壓力變化量 ΔP=2.6 kPa.

圖5 車頭鼻尖點壓力變化的試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)

圖6是車頭側(cè)面變化最大部位點與側(cè)窗測點壓力變化曲線.由圖可見該兩測點壓力變化曲線與鼻尖點部位壓力變化趨勢一致，只是有個時間差，這是由于測點不同時間進入隧道所致.另外也證明列車在隧道內(nèi)運行時車體表面各測點的壓力變化主要取決于列車車頭剛進入隧道時形成的壓縮波與車尾進入隧道時形成的膨脹波，一旦高速列車頭型確定，在同一阻塞比前提下高速列車壓力波特性也確定，因此設(shè)計出合理的頭型對列車在隧道內(nèi)運行壓力波特性至關(guān)重要.車頭側(cè)面變化最大部位點最大壓力變化量ΔP=2.1 kPa;車頭側(cè)窗點最大壓力變化量ΔP=2.2 kPa.可見鼻尖點最大壓力變化量ΔP比其他測點壓力變化量大.

圖6 兩測試點的壓力變化曲線

3.2 CFD計算云圖分析

圖7是列車從剛剛進入隧道到完全進入隧道并在隧道內(nèi)運行時不同時刻的壓力變化云圖.圖7(a)為列車剛進入隧道瞬間壓力云圖，從圖中可見，車頭前端表面部分的壓力最高(為高壓區(qū))，而車頭側(cè)面與頂面拐角處較低(低負壓)，列車中間車體表面的壓力為負壓.圖7(b)是車頭進入隧道0.05 s后車體表面以及隧道表面壓力變化云圖，由于運動流場的影響，車頭前端高壓朝前方輻射，使隧道內(nèi)車頭前方附近的空間流場壓力較高為正壓區(qū)，距車頭越遠壓力越低.而且，在車頭前方的隧道面上，隧道壁面附近區(qū)域的壓力隨高度增加稍有降低.圖7(c)是車尾完全進入隧道后列車表面以及隧道表面壓力云圖，此時列車尾部完全進入隧道產(chǎn)生的膨脹波已傳到車體表面，使得車體表面以及附近隧道壁表面壓力急劇下降并形成負壓.圖7(d)是列車在隧道內(nèi)運行0.45 s后車體表面與隧道壁表面壓力云圖，此時車頭產(chǎn)生的壓縮波傳播到車體表面，使得車體表面以及隧道壁表面的壓力又開始增加.

車頭和車尾進入隧道入口將分別產(chǎn)生(正壓)壓縮波和(負壓)膨脹波，并以音速往返傳播和反射.車尾的壓力在通過隧道過程中有正負壓間的較大變化.隧道中流場的壓力變化主要是車頭、車尾壓力區(qū)交替通過和隧道壓縮波與膨脹波往返傳播、反射等影響造成.列車頭尾部通過隧道時其附近的隧道內(nèi)流場呈現(xiàn)一定的三維變化過程.根據(jù)測點取值發(fā)現(xiàn)在一定的相同高度上，沿高速隧道壁面所感受的最大壓力變化量較列車表面的大.

圖7 CRH3A單車過隧道不同時刻壓力變化云圖

4 結(jié)論

利用動模型試驗與CFD方法，對CRH3A型城際動車組以時速250 km通過凈空面積80 m2的隧道時引起瞬變壓力變化問題研究可得到以下結(jié)論:

(1)單列車過隧道時隧道中流場壓力變化主要是列車車頭剛進入隧道時形成的壓縮波與車尾進入隧道時形成的膨脹波在隧道內(nèi)往返傳播、反射等影響造成，列車過隧道時頭尾部附近的隧道內(nèi)流場呈現(xiàn)一定的三維變化過程;列車表面和隧道側(cè)壁面所感受的最大壓力變化量主要出現(xiàn)在列車頭尾進入隧道入口前后的過程中;

(2)CRH3A動車單車通過80 m2隧道時，車頭鼻尖點最大壓力變化量ΔP=2.6 kPa，車頭側(cè)面變化最大部位點最大壓力變化量ΔP=2.1 kPa;車頭側(cè)窗點最大壓力變化量ΔP=2.2 kPa.

(3)高速隧道壁面感受的最大壓力變化量發(fā)生在隧道壓力波充分發(fā)展的入口區(qū)段，此后，隨測點距隧道入口距離的增大，其最大壓力變化量衰減;

(4)在相同高度上，沿高速隧道壁面所感受的最大壓力變化量較列車表面的大;

(5)列車通過隧道時，一旦高速列車頭型確定，在同一阻塞比前提下高速列車壓力波特性也確定，這點與文獻［5］中結(jié)論一致.因此設(shè)計出合理的頭型對列車在隧道內(nèi)運行壓力波特性至關(guān)重要.

［1］AKIYA Y.Pressure variations，Aerodynamic drag of train and natural ventilation in SHIN KANSEN type tunnel［J］.Quarterly report of RTRI，1974，4(15):207-214.

［2］AHMED S R.Aerodynamics of road and rail vehicles［J］.Vehicle System Dynamics，1985(14):319-392.

［3］田紅旗.列車空氣動力學［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［4］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［5］長區(qū)間隧道與快速運營造成的影響［R］.城市軌道交通研究中心，2012.