時(shí)速350km/h高速列車隧道通過客室內(nèi)流場(chǎng)研究

陳春俊，江傳東，劉 逸

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

時(shí)速350km/h高速列車隧道通過客室內(nèi)流場(chǎng)研究

陳春俊，江傳東，劉 逸

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

采用三維非穩(wěn)態(tài)不可壓縮雷諾時(shí)均N-S方程和可實(shí)現(xiàn)k-ε模型，在高速列車以350km/h通過不同長(zhǎng)度隧道時(shí)，對(duì)客室內(nèi)流場(chǎng)的影響進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。構(gòu)建列車車廂與空調(diào)管路系統(tǒng)的整體模型，并將太陽(yáng)輻射、乘客散熱對(duì)客室內(nèi)流場(chǎng)的影響考慮在內(nèi)。研究結(jié)果表明：當(dāng)隧道超過一定長(zhǎng)度時(shí)，新風(fēng)口壓力波動(dòng)峰峰值隨著隧道長(zhǎng)度的增加呈明顯下降趨勢(shì)；客室內(nèi)氣壓最大3s變化率、最大1s變化率以及峰峰值呈小幅下降趨勢(shì)，空調(diào)換氣系統(tǒng)中的壓頭風(fēng)機(jī)能有效抑制外界壓力波動(dòng)，使車內(nèi)壓力變化很?。豢褪覂?nèi)溫度變化范圍在298～298.8K之間，滿足舒適性要求；新風(fēng)口壓力的波動(dòng)有可能導(dǎo)致客室內(nèi)風(fēng)速變化，變化幅值均小于0.5m/s，滿足舒適性要求。

高速列車；隧道長(zhǎng)度；CFD；換氣系統(tǒng)；舒適性

0 引 言

截至2014年12月我國(guó)高速鐵路總營(yíng)業(yè)里程超過1.5萬(wàn)km，“四縱”干線基本成型，在建高鐵規(guī)模1.2萬(wàn)km，我國(guó)成為世界上高速鐵路投產(chǎn)運(yùn)行里程最長(zhǎng)、在建規(guī)模最大的國(guó)家。我國(guó)幅員遼闊，山嶺眾多，在高速鐵路修建中必然會(huì)出現(xiàn)大量的隧道工程。當(dāng)高速列車通過隧道時(shí)列車表面會(huì)產(chǎn)生劇烈變化的壓力波[1-4]。隧道內(nèi)的瞬變壓力波將通過新風(fēng)口沿空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)傳入客室內(nèi)部，引起客室內(nèi)流場(chǎng)環(huán)境發(fā)生變化，產(chǎn)生列車司乘人員舒適性問題，因此有必要對(duì)列車高速通過隧道對(duì)客室內(nèi)流場(chǎng)的影響進(jìn)行深入研究。

列車客室內(nèi)流場(chǎng)問題已引起國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[5]對(duì)時(shí)速200km/h的高速列車明線運(yùn)行工況下的客室內(nèi)壓力波動(dòng)進(jìn)行了研究，通過線路試驗(yàn)，測(cè)試了在開關(guān)門、過分相以及緊急制動(dòng)工況下，客室內(nèi)氣壓變化率和客室內(nèi)外壓差，通過分析測(cè)試數(shù)據(jù)指出了列車氣密性指數(shù)變化規(guī)律，以及引起耳鳴等不舒適現(xiàn)象的原因，并提出改進(jìn)的措施。文獻(xiàn)[6]以某動(dòng)車組二等硬座車為研究對(duì)象，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，考慮了車體壁面?zhèn)鳠?、太?yáng)輻射以及乘客散熱的影響，對(duì)客室內(nèi)的流場(chǎng)分布和傳熱狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7]以某高速列車開放式空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立客室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)整體模型，對(duì)高速列車以時(shí)速300km/h下明線會(huì)車、隧道內(nèi)會(huì)車工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)客室內(nèi)流場(chǎng)變化進(jìn)行了分析。

以上研究主要針對(duì)明線運(yùn)行或會(huì)車工況進(jìn)行了相關(guān)研究，對(duì)高速列車隧道通過工況研究的相對(duì)較少；在利用數(shù)值計(jì)算方法研究時(shí)，以上文獻(xiàn)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，而對(duì)于計(jì)算存在彎曲壁面的管道系統(tǒng)，采用工程中計(jì)算管道內(nèi)流動(dòng)的可實(shí)現(xiàn)k-ε兩方程的湍流模型更適合；由于高速列車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算幾何模型的復(fù)雜性，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格較困難，對(duì)比結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的適應(yīng)性更好。

以某型CRH高速列車為研究對(duì)象，其換氣系統(tǒng)采用大壓頭風(fēng)機(jī)連續(xù)換氣方式，利用CFD數(shù)值計(jì)算軟件Fluent對(duì)高速列車以350 km/h速度級(jí)夏季通過1744，2137，2600，4710m 4種不同長(zhǎng)度隧道時(shí)，計(jì)算分析高速列車空調(diào)系統(tǒng)車外新風(fēng)口壓力變化與客室內(nèi)流場(chǎng)的變化關(guān)系，并對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的工作性能以及客室的舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 高速列車通過隧道的分析方法

1.1 物理模型和網(wǎng)格

以某CRH型高速列車一等硬座客室為研究對(duì)象，建立空調(diào)系統(tǒng)和客室整體模型。由于列車實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)需要對(duì)列車結(jié)構(gòu)作合理的簡(jiǎn)化?？照{(diào)系統(tǒng)包括列車底部?jī)膳_(tái)空調(diào)機(jī)組、換氣裝置及通風(fēng)系統(tǒng)（包括新風(fēng)風(fēng)道、送風(fēng)風(fēng)道、回風(fēng)風(fēng)道、廢排風(fēng)道)構(gòu)成（如圖1所示)；車廂全長(zhǎng)24.5 m、寬3.38 m、高2.4 m，并將座椅、乘客、車廂兩端的乘務(wù)員室、通過臺(tái)、衛(wèi)生間等（如圖2所示)考慮在內(nèi)。一等車座椅采用2+2布置，座椅數(shù)為32。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)模型

圖2 車廂模型

由于幾何模型的復(fù)雜性，網(wǎng)格劃分采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。雖然這種網(wǎng)格的生成過程比較復(fù)雜，但非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以采用任意形狀的單元格，單元邊的數(shù)目也無(wú)限制，因此能夠很好地模擬自然幾何邊界，非常便于進(jìn)行網(wǎng)格的自適應(yīng)。尤其是結(jié)合有限體積法的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格實(shí)施，使得程序在通用性和擴(kuò)展性方面明顯增強(qiáng)，對(duì)具有復(fù)雜邊界的流場(chǎng)計(jì)算問題特別有效[8-9]。經(jīng)多次調(diào)試后模型網(wǎng)格數(shù)量約為760萬(wàn)個(gè)。局部網(wǎng)格如圖3、圖4所示。

圖3 車廂模型網(wǎng)格

圖4 空調(diào)系統(tǒng)模型網(wǎng)格

1.2 數(shù)學(xué)模型

由于高速列車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)的復(fù)雜性，為簡(jiǎn)化問題，對(duì)計(jì)算模型做以下基本假設(shè)：

1)列車空調(diào)系統(tǒng)管道和客室內(nèi)空氣流動(dòng)為低速不可壓縮流動(dòng)，符合Boussinesq假設(shè)；

2)假設(shè)車廂氣密性良好，車體無(wú)漏氣現(xiàn)象；

3)計(jì)算空調(diào)管道斷面的雷諾數(shù)，Re＞＞2300，同時(shí)客室內(nèi)存在自然對(duì)流，空氣流動(dòng)狀態(tài)為紊流；

4)不考慮壁面間的熱輻射，客室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)。

高速列車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中存在彎曲壁面的管路，在計(jì)算中為提高精度，采用三維瞬態(tài)的雷諾時(shí)均N-S方程和工程中計(jì)算管道內(nèi)流動(dòng)的可實(shí)現(xiàn)k-ε兩方程湍流模型對(duì)列車通過隧道時(shí)客室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算?？褪覂?nèi)氣體的流動(dòng)和傳熱可用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒3個(gè)基本物理方程來(lái)控制。

1.3 邊界條件

入口邊界：由線路實(shí)車測(cè)試獲得空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)口壓力數(shù)據(jù)。新風(fēng)口作為計(jì)算入口邊界，將其設(shè)置為壓力入口邊界條件。列車通過隧道時(shí)新風(fēng)口壓力是波動(dòng)的，以函數(shù)形式給出壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系作為壓力入口邊界條件，利用UDF編譯。新風(fēng)入口溫度為夏季35℃。

出口邊界：將空調(diào)系統(tǒng)的廢排口設(shè)置為計(jì)算出口邊界，以廢排口處的車外壓力作為壓力邊界條件。

傳熱邊界：考慮太陽(yáng)輻射的影響，列車運(yùn)行時(shí)主要傳熱部位為車頂、兩側(cè)壁以及地板，列車以350km/h速度行駛時(shí)，設(shè)置車體綜合傳熱系數(shù)為1.96W/（m2·K)。

人體散熱邊界：客室內(nèi)的主要熱源為乘坐人員的散熱，將乘客的散熱視為定熱流邊界條件，散熱量均勻分布在人體表面。

2 舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

影響乘坐舒適性的因素很多，如座椅結(jié)構(gòu)、氣壓變化、溫度、濕度、噪聲、振動(dòng)、照度以及客室內(nèi)部裝飾環(huán)境等，它們對(duì)乘客的生理和心理均會(huì)產(chǎn)生影響，因此難以用單一標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)。列車高速運(yùn)行時(shí)，由于不同國(guó)家高速列車發(fā)展水平不同，各國(guó)所制定的舒適性標(biāo)準(zhǔn)對(duì)客室內(nèi)流場(chǎng)的要求也不同。

而我國(guó)現(xiàn)在還沒有針對(duì)高速空調(diào)列車乘坐舒適性的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。參考國(guó)內(nèi)最新鐵路行業(yè)和公共交通工具衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)高速列車舒適性從壓力、溫度、風(fēng)速進(jìn)行綜合考慮。

根據(jù) 《鐵路隧道設(shè)計(jì)施工有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充規(guī)定》（鐵建設(shè)[2007]88號(hào))，對(duì)客室內(nèi)壓力采用以下評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)行業(yè)內(nèi)部評(píng)價(jià)：車內(nèi)3s氣壓變化率＜800Pa/（3 s)，車內(nèi)1 s氣壓變化率＜200Pa/s。

根據(jù)GB 9673——1996《公共交通工具衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[10]規(guī)定了旅客列車客室溫度，夏季：24～28℃?？褪覂?nèi)的微風(fēng)速不超過0.5m/s。符合我國(guó)國(guó)情的舒適度標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善和驗(yàn)證尚需進(jìn)行大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，復(fù)合型舒適度標(biāo)準(zhǔn)也有待研究[11]。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 換氣風(fēng)機(jī)特性曲線

對(duì)于所研究的某型CRH高速列車空調(diào)系統(tǒng)采用高靜壓風(fēng)機(jī)換氣裝置，外界的壓力變化受風(fēng)機(jī)產(chǎn)生壓頭的抑制。計(jì)算中采用的新風(fēng)風(fēng)機(jī)靜壓為3.7kPa，風(fēng)機(jī)的特性曲線如圖5所示。進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)流量將隨車外壓力變化而發(fā)生變化。研究對(duì)象某型CRH高速列車以350 km/h運(yùn)行，新風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，頻率為60Hz。

圖5 風(fēng)機(jī)特性曲線

3.2 通過隧道對(duì)客室內(nèi)流場(chǎng)環(huán)境的影響

高速列車以350 km/h速度級(jí)分別通過隧道1（4710m)、隧道2（2600m)、隧道3（2137m)、隧道4（1744m)時(shí)，圖6為高速列車新風(fēng)口的壓力波形圖，圖中標(biāo)識(shí)為通過隧道3時(shí)新風(fēng)口氣壓最大值和最小值，峰峰值計(jì)算公式為：Pmax-Pmin，可得通過隧道1～4時(shí)新風(fēng)口壓力波動(dòng)峰峰值分別為2 392.753 6，2 840.5454，3270.7296，3246.5650Pa?？傻贸鼋Y(jié)論：當(dāng)隧道超過一定長(zhǎng)度時(shí)，隨著隧道長(zhǎng)度的增加，新風(fēng)口壓力波動(dòng)峰峰值呈下降趨勢(shì)。

圖6 新風(fēng)口壓力變化波形圖

圖7 客室內(nèi)壓力變化波形圖

圖7是高速列車以相同速度350km/h通過4條不同長(zhǎng)度隧道時(shí)客室內(nèi)壓力波形圖，可以看出當(dāng)列車通過隧道時(shí)，車內(nèi)壓力變化趨勢(shì)與新風(fēng)口壓力變化趨勢(shì)基本相同。由于換氣系統(tǒng)風(fēng)機(jī)作用，使客室內(nèi)壓力變化減小。圖中標(biāo)識(shí)為通過隧道3時(shí)客室內(nèi)氣壓最大值和最小值，峰峰值計(jì)算公式為：Pmax-Pmin；3 s變化率計(jì)算方法：每3s內(nèi)的氣壓最大值與最小值之差；1s變化率計(jì)算方法：每1s內(nèi)的氣壓最大值與最小值之差。計(jì)算可得通過隧道1時(shí)峰峰值為138.6969Pa，最大3 s變化率為46.810 8Pa/（3 s)，最大1s變化率為28.3718Pa/s；通過隧道2時(shí)峰峰值為165.9149Pa，最大3s變化率為64.5688Pa/（3s)，最大1s變化率為28.4343Pa/s；通過隧道3時(shí)峰峰值為175.0299Pa，最大3s變化率為82.4891Pa/（3s)，最大1s變化率為47.3453Pa/s；通過隧道4時(shí)峰峰值為172.991 6Pa，最大3 s變化率為80.578 6（3 s)，最大1s變化率為38.1352Pa/s?？傻贸鼋Y(jié)論：當(dāng)隧道超過一定長(zhǎng)度時(shí)，隨隧道長(zhǎng)度的增加，客室內(nèi)氣壓最大3s變化率、最大1s變化率以及峰峰值呈小幅下降趨勢(shì)；對(duì)比遠(yuǎn)小于國(guó)內(nèi)行業(yè)內(nèi)部評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，壓力舒適性達(dá)到滿意程度。

高速列車進(jìn)入隧道時(shí)由于外界環(huán)境的突變，新風(fēng)口的壓力產(chǎn)生復(fù)雜變化，從而導(dǎo)致進(jìn)入客室新風(fēng)量的變化，同時(shí)車內(nèi)風(fēng)速和溫度也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。高速列車通過4條隧道時(shí)，車內(nèi)溫度變化如圖8所示，可得客室內(nèi)溫度變化在298～298.8K之間，溫差＜2℃，溫度范圍在24～26℃之間，滿足溫度舒適性標(biāo)準(zhǔn)。高速列車通過4條隧道時(shí)，客室內(nèi)風(fēng)速變化如圖9所示，風(fēng)速均小于0.25m/s，其中通過隧道1時(shí)客室內(nèi)風(fēng)速變化幅度較大，但變化范圍滿足舒適性要求。

圖8 客室內(nèi)溫度變化波形圖

圖9 客室內(nèi)風(fēng)速變化波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)高速空調(diào)列車通過4條不同長(zhǎng)度隧道過程中的客室內(nèi)的流場(chǎng)情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，得出以下結(jié)論：

1)高速列車通過隧道時(shí)，客室內(nèi)部氣壓變化與新風(fēng)口壓力變化趨勢(shì)一致。

2)列車以車速350 km/h通過不同長(zhǎng)度隧道時(shí)，當(dāng)隧道超過一定長(zhǎng)度時(shí)，新風(fēng)口壓力波動(dòng)峰峰值隨隧道長(zhǎng)度增加而呈明顯下降趨勢(shì)；客室內(nèi)壓力最大3s變化率、最大1s變化率以及峰峰值隨隧道長(zhǎng)度增加呈小幅下降趨勢(shì)。

3)換氣系統(tǒng)大壓頭風(fēng)機(jī)能夠有效抑制客室內(nèi)的壓力波動(dòng)，空調(diào)系統(tǒng)的加熱/制冷裝置使車內(nèi)溫度在一定范圍內(nèi)，不會(huì)引起客室內(nèi)司乘人員的不適。

4)本研究?jī)?nèi)容是在線路實(shí)車試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算，新風(fēng)口的壓力波動(dòng)數(shù)據(jù)通過實(shí)測(cè)獲取，驗(yàn)證了空調(diào)系統(tǒng)的工作性能。研究結(jié)果可以為高速列車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。

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圖7 試驗(yàn)箱實(shí)時(shí)運(yùn)行效果

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Study on air flow field of 350km/h high-speed train crossing through tunnels

CHEN Chunjun，JIANG Chuandong，LIU Yi
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The transient and incompressible 3D Navier-Stokes equation and realizable turbulent model were used for numerical calculation of the changes in air flow field as 350km/h high-speed trainspassed through different-length tunnels.An entire geometry modelwasbuiltforthe compartment and air-conditioning system of high-speed train in accordance with the effect of solar radiation and the heat caused by passengers upon the air flow field in the compartment.The results indicate that，when the tunnel exceeds a certain length，the peak to peak value of fresh air inlet pressure fluctuations show a clear downward trend as the tunnel is lengthened.The maximum change rate of the air pressure in the compartment in 3s and 1s and the peak to peak value were slightly reduced.The air fan of the ventilation system can inhibit the external pressure wave to reduce the pressure change in the compartment.The range of temperature in the compartment is from 298 K to 298.8 K，which is comfortable.The fluctuation in fresh air inlet may change the wind speed inside the compartment and the magnitudes of change are less than0.5m/s，meeting the requirement for comfort.

high-speed train；tunnel length；CFD；air-conditioning system；comfort

A

：1674-5124（2015）10-0085-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.019

2015-03-27；

：2015-05-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51475387)

陳春?。?967-)，男，四川蒲江縣人，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)、列車空氣動(dòng)力學(xué)方向的研究。