高速列車過隧道時(shí)的底板壓力分析

徐世南+張繼業(yè)+李田+張亮

摘要： 基于空氣動(dòng)力學(xué)理論，建立列車通過隧道的模型，分析高速列車通過隧道時(shí)底板的壓力.采用FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，得到列車底板各個(gè)監(jiān)測面的壓力時(shí)程曲線，提取底板的最大正壓、最大負(fù)壓和壓力幅值，研究其變化規(guī)律.結(jié)果表明：底板壓力沿橫向變化較??；底板壓力梯度和壓力幅值較大區(qū)域均位于底板靠近一位端轉(zhuǎn)向架位置；在相同速度下頭車底板最前端的壓力幅值最大；列車頭車、中間車與尾車底板壓力最大幅值近似與列車速度的平方成正比.

關(guān)鍵詞： 高速列車； 底板； 隧道； 空氣動(dòng)力學(xué)； 壓力時(shí)程曲線； 壓力幅值

中圖分類號(hào)： U266文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： Based on the theory of aerodynamics， the model of a highspeed train passing through tunnel is built and the pressure of bottom panel of the high speedtrain passing through tunnel is analyzed. The numerical simulation is performed by FLUENT and the pressure time history curves of the bottom panel on every monitoring surface are obtained， by which the maximum positive pressure， maximum negative pressure and pressure amplitude are extracted and the change law is studied. The results show that， the change of bottom panel pressure at transverse position is small； the area with larger pressure gradient and amplitude locates at the position of bottom panel which is close to the “A” end bogie； the maximum pressure amplitude is located at the forefront of head train bottom panel at the same velocity of the train； the maximum pressure amplitude on the bottom panels of head， middle and tail trains is approximately proportional to the square of train velocity.

Key words： highspeed train； bottom panel； tunnel； aerodynamics； pressure time history curve； pressure amplitude

收稿日期： 2014[KG*9〗03[KG*9〗05修回日期： 2014[KG*9〗04[KG*9〗12

基金項(xiàng)目： 高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金（U1234208）

作者簡介： 徐世南（1988—），男，浙江寧波人，碩士研究生，研究方向?yàn)榭諝鈩?dòng)力學(xué)，（Email）892092166@qq.com；

張繼業(yè)（1965—），男，四川夾江人，教授，博士，研究方向?yàn)楦咚倭熊嚵鞴恬詈蟿?dòng)力學(xué)，（Email）jyzhang@home.swjtu.edu.cn0引言

列車運(yùn)行速度已成為衡量一個(gè)國家鐵路現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志.隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，一系列的列車空氣動(dòng)力學(xué)問題迎面而來：列車高速交會(huì)時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力沖擊對(duì)行車安全、旅客乘坐舒適性和列車結(jié)構(gòu)安全等均產(chǎn)生嚴(yán)重影響；列車高速通過隧道時(shí)產(chǎn)生的壓力對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)、隧道工作人員和乘客產(chǎn)生不利影響.因此，對(duì)高速列車氣動(dòng)壓力的研究尤為重要.[1]

田紅旗等[2]研究列車壓力波與速度的關(guān)系，認(rèn)為列車壓力幅值與列車運(yùn)行速度平方成正比；王一偉等[3]和王建宇等[4]通過理論分析研究隧道壓力波的形成和峰值的影響因素，分析壓力波傳播、反射和疊加規(guī)律；李人憲[5]研究列車會(huì)車時(shí)產(chǎn)生的壓力波對(duì)列車側(cè)窗的影響，得出車窗在隧道內(nèi)受到的沖擊明顯大于明線的結(jié)論.

在列車氣動(dòng)壓力研究領(lǐng)域中，對(duì)列車受電弓、風(fēng)擋和裙板等也有較多的研究[69]；但是，對(duì)列車通過隧道時(shí)車底板氣動(dòng)性能的研究還未見文獻(xiàn)報(bào)道.當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，特別是在高速通過隧道時(shí)，列車運(yùn)行環(huán)境急劇惡化，列車底板因此會(huì)發(fā)生開裂、損壞等事故，危及列車的行駛安全.因此，對(duì)高速列車通過隧道時(shí)的車底板進(jìn)行氣動(dòng)性能研究具有重要意義.以國產(chǎn)某高速列車為研究對(duì)象，對(duì)列車通過隧道時(shí)車底板的壓力進(jìn)行研究，分析底板壓力沿列車橫向和縱向的變化以及壓力幅值與列車速度的關(guān)系.

1計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

1.1數(shù)學(xué)模型

高速列車通過隧道時(shí)引起周圍空氣的流動(dòng)是黏性、可壓縮、非定常的三維湍流流動(dòng)，其遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律這三大定律.[10]通過求解三維瞬態(tài)可壓縮的雷諾時(shí)均NS方程和kε兩方程湍流模型獲得列車通過隧道時(shí)底板的氣動(dòng)壓力，其控制方程的運(yùn)輸方程[11]為（ρφ）t+div（ρ（u-ut）φ）=div（Γgrad φ）+S式中：t為時(shí)間；ρ為空氣密度；φ為流場通量；u為流場速度矢量；ut為列車運(yùn)動(dòng)速度矢量；S為擴(kuò)散系數(shù)；Γ為源項(xiàng).

1.2幾何模型

列車編組形式為頭車、1節(jié)中間車和尾車3車編組，其中頭車和尾車的長度均為25.3 m，中間車長度為25 m，列車總長為75.6 m.忽略車體外部復(fù)雜結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如受電弓和門把手等，保留轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu).列車頭車和尾車底板長12.5 m，中間車底板長13.7 m，底板寬均為2.8 m.對(duì)列車的底板進(jìn)行分塊，其中：頭車和尾車底板各沿列車長度方向3等分，寬度方向25等分，共計(jì)各分成75塊；中間車底板沿列車長度方向3等分，寬度方向27等分，共計(jì)分成81塊.列車模型示意見圖1.