套襯對隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)的影響研究

李紅梅，劉磊，白鑫，孫麗霞，宣言，劉堂紅

(1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081;2.中南大學(xué)，湖南長沙430074)

套襯對隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)的影響研究

李紅梅1，劉磊1，白鑫1，孫麗霞1，宣言1，劉堂紅2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081;2.中南大學(xué)，湖南長沙430074)

基于有限體積法，采用流體動力學(xué)計算軟件建立動車組通過帶有套襯隧道的空氣動力學(xué)模型，運用滑移網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值模擬了動車組通過隧道時的三維非定?？蓧嚎s外流場，分析套襯位置和厚度對車體表面、隧道壁面壓力的影響，并與試驗結(jié)果進行了對比。研究結(jié)果表明:套襯位于隧道入口時，車體表面壓力變化最大，比無套襯時增加6.58%，套襯位于隧道出口時，車體表面的壓力變化最小;套襯位置對隧道內(nèi)壓力分布規(guī)律影響較小，隧道壁面壓力變化最大值均出現(xiàn)在距進口1 492 m附近，套襯位于隧道入口時，大多數(shù)監(jiān)測點的壓力均最大，套襯位于隧道出口時，隧道壁面大多數(shù)監(jiān)測點的壓力相對較小;相對于無套襯時，壓力變化最大值增幅為2.44%，降幅可達2.03%;隨著套襯厚度的增加，隧道壁面、車體表面壓力變化最大值不斷增加，比無套襯時分別增加約4.39%和7.90%。

高速鐵路 隧道 套襯 數(shù)值模擬 壓力變化最大值

鐵路隧道由于地質(zhì)、氣候等原因產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形、開裂、錯臺、滲漏水從而威脅到列車安全運營時，一種處理措施是在隧道內(nèi)增設(shè)套襯［1］。隧道增設(shè)套襯后有效凈空面積減小且突變，會影響動車組高速通過隧道和在隧道內(nèi)交會時的空氣動力學(xué)效應(yīng)，使車體表面和隧道內(nèi)的氣動特性發(fā)生變化，旅客乘坐舒適性和列車運行安全受到影響。不同速度等級、隧道長度、緩沖結(jié)構(gòu)等因素對隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)的影響已有大量研究［2-8］，但是目前尚缺乏隧道增設(shè)套襯后的空氣動力學(xué)效應(yīng)的研究。本文基于有限體積法，采用計算流體動力學(xué)(CFD)軟件，建立了高速列車通過隧道的空氣動力學(xué)模型，運用滑移網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值模擬了高速列車通過套襯后隧道內(nèi)的三維外流場，并結(jié)合實車試驗，獲得了隧道增設(shè)套襯對其空氣動力學(xué)效應(yīng)的影響，研究了高速列車空氣動力學(xué)效應(yīng)隨套襯位置、套襯厚度等因素的變化規(guī)律。

1 計算模型

采用流體動力學(xué)計算軟件FLUENT進行數(shù)值模擬。FLUENT基于有限體積法，有限體積法將計算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個控制體積，將待解的微分方程對每一個控制體積積分，得出一組離散方程［9］。

動車組高速通過隧道的計算過程屬于大區(qū)域變形，對于大區(qū)域變形運動，采用CFD的滑移網(wǎng)格技術(shù)。在動車組運行的過程中，必須根據(jù)動車組的運動對網(wǎng)格不斷地作相應(yīng)的調(diào)整。在每一時間步，需要及時給CFD計算提供信息，使用滑移網(wǎng)格來適應(yīng)列車運動的物面。因此將計算域分為5部分，分別為車體、車前部分、車后部分、隧道部分、隧道外延部分。

計算介質(zhì)選用可壓縮空氣，其常態(tài)下的密度取為1.185 kg/m3，熱膨脹系數(shù)取為0.003 356 m/K，比熱容取為1.004 4 kJ/(kg·K)。

1.1 計算模型

建模選用CRH2型動車組，采用8輛編組，總長度、寬度、高度分別為201，3.38和3.70 m。在不改變列車橫截面面積、車頭縱向長度的情況下，對車頭形狀、受電弓等進行了簡化。

隧道長度為1 907 m，進口為普通結(jié)構(gòu)，出口為斜切帽檐式結(jié)構(gòu)，進出口均設(shè)置封閉開孔段(長度為3 m，距端頭15 m)，出口設(shè)置長度為10 m的斜切段緩沖結(jié)構(gòu)。隧道內(nèi)輪廓均采用單洞雙線斷面，凈空有效面積100 m2，雙線隧道左右線間距5.0 m。套襯段增設(shè)鋼筋混凝土套拱，設(shè)于隧道既有內(nèi)輪廓內(nèi)緣。增設(shè)套拱段兩端采用漸變方式過渡，與未設(shè)套拱段連接，厚度30 cm，長度89 m，距離隧道進口675 m。增設(shè)套襯段隧道有效凈空面積由原來的100 m2變?yōu)?2.87 m2。隧道進出口模型如圖1所示。

圖1 隧道進出口模型示意

1．2計算網(wǎng)格

列車通過隧道引起的流場變化屬于非定常問題，為模擬列車與隧道、列車與列車之間的相對運動，計算區(qū)域采用分區(qū)對接網(wǎng)格技術(shù)。隧道和地面用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散;列車因具有三維自由曲面外形，用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散。各分區(qū)之間的數(shù)據(jù)交換通過公共滑移界面進行。

1．3邊界條件

在隧道空氣動力學(xué)計算模型中需要指定的邊界條件包括速度邊界、開放出口邊界和壁面邊界。邊界的設(shè)置如下:根據(jù)列車速度設(shè)置不同的速度邊界;開放出口邊界選擇壓力出口邊界，出口和大氣相通;列車壁面、軌道壁面、隧道壁面、套襯壁面等設(shè)置為固定壁面，無滑移，靠近壁面處的流體速度為0。

2 計算結(jié)果驗證

由于隧道內(nèi)波系非常復(fù)雜，而仿真計算的結(jié)果與計算網(wǎng)格的質(zhì)量、選擇格式的精度、湍流模型等因素緊密相關(guān)，因此，在進行仿真計算前，需要驗證所采用計算方法的準(zhǔn)確性。

相同工況條件下，將仿真計算的結(jié)果和實車試驗結(jié)果進行了對比分析，如表1所示。可知，仿真計算和實車試驗的車外壓力變化最大值、套襯測點壓力變化最大值吻合得比較好，大部分誤差在5%以內(nèi)，少數(shù)測點誤差稍大一些，但不超過10%。

表1CRH2C重聯(lián)動車組仿真計算和實車試驗結(jié)果比較

3 計算結(jié)果分析

在隧道凈空面積、隧道長度、動車組車速(300 km/h)不變的情況下，交會位置在隧道中心，無套襯、套襯分別位于隧道入口、1/4處、1/2處、2/3處、出口，套襯厚度分別為200，250，300，350，400，500 mm時，總共計算12種工況，分析如下。

1)套襯位置的影響分析

當(dāng)套襯(厚度300 mm，長度89 m)位于隧道不同部位時車體表面所受壓力變化最大值如圖2所示。圖中以列車鼻尖為起點，高度不變，沿著車體表面縱向均布12個監(jiān)測點。

圖2 車體表面部分監(jiān)測點壓力變化最大值

由圖2可知，車體表面的壓力變化最大值在套襯位于隧道入口時最大，在套襯位于隧道出口時最小。

套襯位于隧道不同部位時動車組鼻尖處壓力變化最大值如表2所示，表中相對增幅是對無套襯而言。

表2 動車組鼻尖表面壓力變化最大值

由表2可知，套襯位于隧道入口時，車體表面壓力變化最大，最大值比無套襯時增加6.58%;套襯位于其他部位時，最大壓力變化最大值相差不超過3%，規(guī)律性不強。這與列車運行速度、隧道長度等因素引起的壓力傳播及反射復(fù)雜波系有關(guān)。

套襯位于隧道不同部位時隧道壁面所受的壓力變化最大值如圖3所示。圖中以隧道入口為起點，高度1.2 m，沿著隧道縱向不同距離處設(shè)置監(jiān)測點。

圖3 隧道壁面壓力變化最大值

由圖3可知:隧道壁面壓力變化最大值均出現(xiàn)在距進口1 492 m附近;套襯位置并沒有影響隧道內(nèi)壓力分布規(guī)律，套襯位于隧道入口時，大多數(shù)監(jiān)測點的壓力均最大，套襯位于隧道出口時，隧道壁面大多數(shù)監(jiān)測點壓力相對較小。

距隧道入口1 492 m處隧道壁面壓力變化最大值如表3所示。

表3 距隧道入口1 492 m處壁面壓力變化最大值

由表3可知，隧道內(nèi)壓力變化差異比較明顯，最大增幅為2.44%，降幅可達2.03%。

2)套襯厚度的影響分析

當(dāng)套襯位于隧道入口，長度為89 m，厚度分別為200，300，400，500 mm時，車體表面監(jiān)測點壓力變化最大值如圖4所示。

圖4 車體表面監(jiān)測點壓力變化最大值

由圖4可知，車體表面壓力變化最大值隨著套襯厚度的增加不斷增加，套襯厚度500 mm時車體表面壓力變化最大。

動車組鼻尖處壓力變化最大值如表4所示。

表4 動車組鼻尖表面壓力變化最大值隨套襯厚度的變化

由表4可知，車體表面監(jiān)測點壓力變化最大值相對于無套襯時最大增加約7.90%。

套襯厚度分別為200，300，400，500 mm時，隧道壁面監(jiān)控點壓力變化最大值計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 隧道壁面壓力變化最大值

由圖5可知，隧道壁面壓力變化最大值隨著套襯厚度的增加不斷增加，套襯厚度500 mm時隧道壁面壓力變化最大。

當(dāng)套襯位于隧道入口，距入口1 492 m處隧道壁面壓力變化最大值如表5所示。

表5 距入口1 492 m處隧道壁面壓力變化最大值隨套襯厚度的變化

由表5可知，套襯位于隧道入口，套襯厚度分別為200，300，400，500 mm時，隨著套襯厚度的增加，隧道壁面壓力變化最大值不斷增大，相對于無套襯時，最大增加約4.39%。

4 結(jié)論

本文采用流體動力學(xué)計算軟件建立了CRH2型動車組通過增設(shè)套襯隧道的空氣動力學(xué)模型，研究分析了套襯位置和厚度對列車車體表面及隧道壁面壓力變化最大值的影響，主要結(jié)論如下:

1)仿真計算與試驗結(jié)果兩者偏差在10%以內(nèi)，表明本次計算采用參數(shù)合理、模型正確。該模型能精確模擬動車組通過隧道時的三維外流場。

2)套襯位于隧道入口時動車組車體表面的壓力變化最大，套襯位于隧道出口時車體表面的壓力變化最小。

3)套襯位于隧道入口時車體表面壓力變化最大值比無套襯時增加6.58%;套襯位于其他位置時，壓力變化最大值相差不超過3%。

4)套襯位置對隧道內(nèi)壓力分布規(guī)律影響較小，隧道壁面壓力最大值均出現(xiàn)在距進口1 492 m附近，套襯位于隧道入口時，隧道壁面大多數(shù)監(jiān)測點的壓力均最大，套襯位于隧道出口時，大多數(shù)監(jiān)測點壓力相對較小。相對于無套襯時，壓力變化最大值增幅為2.44%，降幅可達2.03%。

5)隨著套襯厚度的增加，隧道壁面、車體表面監(jiān)測點壓力變化最大值不斷增大，相對于無套襯時，分別增加4.39%和7.90%。

［1］吳治家.套襯技術(shù)在隧道病害整治工程中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑技術(shù)，2011(11):31-33.

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［8］王英學(xué)，高波.高速列車進出隧道空氣動力學(xué)研究的新進展［J］.中國鐵道科學(xué)，2003，24(2):83-88.

［9］傅德薰，馬延文.計算流體力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

Research on influence of added lining on aerodynamics effect in tunnel

LI Hongmei1，LIU Lei1，BAI Xin1，SUN Lixia1，XUAN Yan1，LIU Tanghong2
(1.Research＆Development Center of Railway Sciences and Technologies，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Central South University，Changsha Hunan 430074，China)

T he aerodynamic model of EM U(Electric M utiple Units)passing tunnel with added lining was established based on the finite volume method by computational fluid dynamics software.T he 3D unsteady compressible flow field of the model was simulated by applying dynamic mesh technology.Influence of location and thickness of added lining on pressure on train body and lining surface was analyzed，and was compared with test results.T he research results show that when added lining is located at tunnel entrance，pressure on train body is maximum，and is increased by 6.58%relative to tunnel without added lining.W hen added lining is located at tunnel exit，pressure on train body is minimum.T he location of added lining has a little influence on the distribution law of pressure in tunnel.T he maximum pressure fluctuation on lining is appeared at the location 1 492 m from tunnel entrance. Pressures on most monitory points are maximum while added lining is located at tunnel entrance，and are smaller while added lining is located at tunnel exit.T he maximum pressure fluctuation is increased by 2.44%or decreased by 2.03%.M aximum pressure fluctuations on train body and lining surface increase with the increasing of added lining thickness.M aximum pressure fluctuation on train body is increased by 4.39%，and that on lining surfuce is increased by 7.90%relate to tunnel without added lining.

High speed railway;T unnel;Added lining;Numerical simulation;M aximum pressure fluctuation

U451+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.18

1003-1995(2015)12-0066-04

(責(zé)任審編李付軍)

2015-06-17;

2015-11-02

中國鐵路總公司科研試驗專項(Z2013-040);國家鐵路局科技研究計劃項目(KF2014-042)

李紅梅(1984—)，女，助理研究員，博士。