高速鐵路線間距對列車交會壓力波的影響研究

喬英俊 何德華 陳厚嫦 張 超

(中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所, 北京 100081)

高速鐵路線間距對列車交會壓力波的影響研究

喬英俊 何德華 陳厚嫦 張 超

(中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所, 北京 100081)

文章對高速鐵路固定設(shè)施的線間距與列車交會壓力波之間關(guān)系理論進(jìn)行了闡述，并以線間距和列車交會壓力波關(guān)系為理論依據(jù)，實(shí)際測試不同線間距下列車交會壓力波數(shù)據(jù)，另外采用仿真計(jì)算的方法對典型動車組不同線間距下列車交會壓力波進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)實(shí)測和數(shù)值仿真數(shù)據(jù)分析了線間距對列車交會壓力波的影響關(guān)系，得出交會壓力波與線間距關(guān)系擬合曲線。研究表明，交會壓力波與線間距近似呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。最后分別對250km/h和350km/h速度等級線路下列車交會壓力波進(jìn)行了預(yù)測分析，在實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上獲得列車更高速度級下交會壓力波變化情況。結(jié)果表明，現(xiàn)有線間距滿足列車以更高速度運(yùn)行的交會壓力波要求，且有較大的安全裕度。

高速鐵路； 線間距； 交會壓力波

高速鐵路固定設(shè)施是承載高速鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，正確選擇線橋隧等設(shè)計(jì)參數(shù)，是保證高速鐵路取得良好經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益的關(guān)鍵。當(dāng)前世界高速鐵路固定設(shè)施在諸多方面已取得了顯著的進(jìn)步，設(shè)計(jì)施工水平的提高助推了高速鐵路向更高速度、更高安全和舒適性、更高標(biāo)準(zhǔn)方向發(fā)展，相應(yīng)地開展更高速度鐵路固定設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究顯得必要而意義深遠(yuǎn)。線間距是指復(fù)線鐵路相鄰兩股道線路中心線之間的最短距離，是高速鐵路固定設(shè)施最核心的參數(shù)之一，其參數(shù)確定直接影響到鐵路建設(shè)的成本。在動車組運(yùn)行性能方面，線間距與復(fù)線運(yùn)行的高速列車(車速達(dá)200km/h及以上時(shí))空氣動力學(xué)性能直接相關(guān)，動車組交會時(shí)引起交會列車之間氣流的劇烈擾動，繼而影響車輛行駛安全性和舒適性。所以，研究并確定合理的線間距既能保證列車高速運(yùn)行交會時(shí)的安全性，又可以節(jié)約工程用地，對減少線路的建設(shè)成本具有重要意義。

1 國內(nèi)外線間距及氣動載荷參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

理論上，高速鐵路線間距越大，列車交會時(shí)相互之間的空氣動力學(xué)性能影響越小，會車壓力波則越小，相應(yīng)的高速列車運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、舒適性等指標(biāo)隨之提高。但是由于高速鐵路線間距與高速鐵路建設(shè)成本直接相關(guān)，在很多時(shí)候還與地理環(huán)境直接相關(guān)。確定合理的高速鐵路固定設(shè)施線間距，是高速鐵路系統(tǒng)整體性能提升的重要一方面。從1964年日本建設(shè)世界第一條高速鐵路——日本新干線以來，高速鐵路發(fā)展的50年中，高速鐵路在世界各國不斷出現(xiàn)，各國高速鐵路線間距均使用不同的線間距參數(shù)。世界各國典型已建及在建的高速鐵路線間距參數(shù)，如表1所示。

表1 世界各國典型級高速鐵路線間距與運(yùn)營速度關(guān)系

我國鐵路部門在《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》對高速鐵路固定設(shè)施中雙線線間距也做了規(guī)定如表2所示。其中新建高速鐵路線間距主要采用的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用較多的有兩種，一種是用于250 km/h速度級的線路的4.6 m線間距，另一種是用于350 km/h速度級的5 m線間距。另外還有4.4 m對應(yīng)200 km/h以及4.8 m對應(yīng)300 km/h線路，在目前已建成的高速線路中較少應(yīng)用。

表2 客運(yùn)專線線間距(摘取)

我國在高速鐵路發(fā)展過程中，制定了適用于我國動車組運(yùn)用的一系列標(biāo)準(zhǔn)，并在這些標(biāo)準(zhǔn)中對列車空氣動力學(xué)性能做出了具體的規(guī)定，根據(jù)TB10761-2013《高速鐵路工程動態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》第7.0.2條款規(guī)定，參考鐵運(yùn)〔2008〕28號《高速動車組整車試驗(yàn)規(guī)范》第24.1.4條款，以及運(yùn)裝客車〔2010〕253號《時(shí)速350公里新一代動車組技術(shù)條件》中第5.12.1及5.12.5條款中對列車車體承受的氣動載荷做出規(guī)定：對于350 km/h以下速度級高速列車，車窗玻璃外表面的壓力波幅值應(yīng)小于4 000 Pa；對于350 km/h及以上速度級高速列車，車窗玻璃外表面的壓力波幅值應(yīng)小于6 000 Pa。

2 理論基礎(chǔ)

高速行駛的列車會使周圍的空氣(流場)受到強(qiáng)烈擾動，當(dāng)兩列相對行駛的列車交會時(shí)，這一擾動將會加劇，尤其是一列車的頭部或者尾部通過另一列車的瞬間，將引起另一列車交會一側(cè)表面的空氣壓力發(fā)生突變，形成瞬態(tài)壓力沖擊，在約幾十毫秒之間相繼出現(xiàn)正、負(fù)壓力峰值，這一瞬態(tài)壓力沖擊即為列車交會瞬態(tài)壓力波。

描述列車交會空氣壓力波大小的量是列車交會空氣壓力波幅值，也稱為全波，用ΔP表示，其值等于空氣壓力波正波幅值ΔP+和ΔP-的絕對值之和，即：

ΔP=|ΔP+|+|ΔP-|

(1)

式中：ΔP——列車交會壓力波幅值(Pa)； ΔP+——列車交會壓力波正波幅值(Pa)； ΔP-——列車交會壓力波負(fù)波幅值(Pa)。

等速交會時(shí)，列車交會速度與壓力波幅值之間服從如下關(guān)系：

(2)

式中:a——壓力波、等速交會時(shí)列車速度有關(guān)的系數(shù)；V——交會列車相對速度。

列車交會壓力波大小與交會時(shí)兩車之間的車間距有直接的關(guān)系，線間距D1和車間距Dt差一個(gè)車輛寬度B，即

D1=Dt+B

(3)

我國線路上運(yùn)行的各型號動車組車體寬度均不相同，但受鐵路限界所限，車體寬度均相差不大，目前我國高速鐵路運(yùn)行的主力高速動車組車體寬度如表3所示。由表可以看出，車間距相差最大的為CRH2和CRH5型車，兩者車體寬度最大相差為180 mm。

表3 我國各型高速動車組的車體寬度(部分)

為研究線間距對交會壓力波的影響，本文取交會列車車體寬度一致，忽略車體寬度不同對交會壓力波帶來的影響，現(xiàn)有文獻(xiàn)研究有列車交會壓力波與線間距服從以下關(guān)系式：

(4)

式中：a、b、c——分別是與壓力波、線間距、車體寬度有關(guān)的系數(shù)；

D——線間距(m)。

目前復(fù)線上運(yùn)行的列車全部是相向而行，在區(qū)間影響線間距的主要因素是列車交會時(shí)產(chǎn)生的會車壓力波。高速列車的交會工況通常有明線上交會和隧道內(nèi)交會兩種情況，對線間距列車在隧道內(nèi)交會，由于兩列車分別從隧道兩端進(jìn)出隧道的瞬間，都會產(chǎn)生壓縮波和膨脹波，再加上列車交會引發(fā)的空氣壓力沖擊波，各種波在隧道內(nèi)的傳播過程中不斷發(fā)射并相互疊加，其空氣動力壓力變化形成的波系比單列車過隧道更為復(fù)雜，對列車整體空氣動力學(xué)性能造成更復(fù)雜的影響，不能直觀的反映列車在不同線間距下交會壓力波的變化規(guī)律，本文僅討論明線交會下的交會壓力波和線間距之間的關(guān)系。

3 交會壓力波實(shí)車測試及分析

本節(jié)通過線路實(shí)測的空氣動力學(xué)交會壓力波數(shù)據(jù)來研究線間距對交會壓力波的影響。選取了最具有代表性的實(shí)測明線交會列車空氣動力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 不同線間距下列車交會壓力波波形

實(shí)車測試在頭車中部位置布置測點(diǎn)，試驗(yàn)線路線間距分別為4.3 m、4.4 m、4.6 m、4.8 m和5.0 m，測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集動車組交會壓力波數(shù)據(jù)，圖1為不同線間距下動車組以250 km/h進(jìn)行交會試驗(yàn)的實(shí)測交會壓力波形，圖2為實(shí)測列車交會壓力波幅值隨線間距變化情況。

圖2 實(shí)測交會壓力波隨線間距變化關(guān)系

由實(shí)測交會壓力波最大幅值變化趨勢，可以明顯看出列車空氣壓力波幅值隨線間距增加而減小。對各線間距下的空氣壓力波變化進(jìn)行指數(shù)擬合，得到擬合公式如下:

P=64 556e-0.94D，R2=0.923

(5)

式中：P——交會壓力波幅值(Pa)；D——線間距(m)；R——相關(guān)系數(shù)。

由交會壓力波幅值的指數(shù)擬合曲線，可以看出列車交會壓力波與線間距呈較高置信度的負(fù)指數(shù)關(guān)系。

4 交會壓力波仿真計(jì)算及分析

為了深入探究交會壓力波隨線間距的變化規(guī)律，采用仿真計(jì)算的方式進(jìn)行不同線間距下列車交會壓力波的研究計(jì)算。采用簡化的3輛車計(jì)算模型，交會計(jì)算采用地面不動，兩動車組以真實(shí)速度相對運(yùn)行的方式設(shè)定計(jì)算條件。動車組為無滑移壁面，并以車速相向運(yùn)行，地面為固定無滑移壁面，明線交會外場為壓力出口。計(jì)算網(wǎng)格均采用ICEM劃分，除動車組周圍小部分區(qū)域由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格外，其他空間全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以提高網(wǎng)格質(zhì)量和效率。建立明線交會動車組網(wǎng)格如圖3所示，頭車附近網(wǎng)格如圖4所示。

圖3 明線交會動車組附近網(wǎng)格

圖4 頭車附近網(wǎng)格

本文為驗(yàn)證交會壓力波隨線間距變化關(guān)系，對建立的三輛動車組計(jì)算模型進(jìn)行明線交會下的空氣動力學(xué)性能仿真計(jì)算，計(jì)算選取交會側(cè)的頭、中、尾車窗中部三個(gè)位置作為監(jiān)控點(diǎn)如圖5所示。

圖5 動車組明線交會監(jiān)控點(diǎn)位置示意圖

監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行壓力時(shí)域變化數(shù)據(jù)的輸出，計(jì)算線間距分別為4.4 m、4.6 m、4.8 m和5.0 m。圖6為計(jì)算中間過程的壓力云圖。

通過計(jì)算得到各監(jiān)控點(diǎn)的交會壓力波數(shù)據(jù)，選取頭車中間位置監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖7繪出了該監(jiān)控點(diǎn)在不同線間距明線交會時(shí)的氣壓變化情況。圖8為壓力波變化幅值隨線間距變化曲線，圖中給出了壓力波幅值隨線間距變化的負(fù)指數(shù)擬合曲線。

圖6 動車組云線交會仿真計(jì)算壓力云圖

圖7 不同線間距下列車交會壓力波波形圖(仿真)

圖8 計(jì)算交會壓力波幅值隨線間距變化關(guān)系

由圖7可見，在仿真計(jì)算中，監(jiān)控點(diǎn)的交會壓力波形狀基本相同，隨著線間距的增加，壓力最大值隨之減小。

對仿真計(jì)算的交會壓力波幅值與線間距進(jìn)行負(fù)指數(shù)擬合，得到仿真計(jì)算下的交會壓力波幅值與線間距擬合曲線如下：

P2=49 998e-0.87D，R2=0.982

(6)

式中：P2——交會壓力波幅值(Pa)；D——線間距(m)；R——相關(guān)系數(shù)。

圖8可以看出：隨著線間距的增加，壓力波幅值隨之減小，變化趨勢明顯，且整體變化趨勢呈較高置信度的負(fù)指數(shù)變化。仿真計(jì)算的交會壓力波與實(shí)際測試的壓力波幅值大小相接近，仿真效果良好。

5 更高速度下交會壓力波適應(yīng)性分析

為分析當(dāng)前線間距對高速列車運(yùn)行的適應(yīng)性，分別對250 km/h(4.6 m線間距)和350 km/h(5.0 m線間距)兩種等級線路下的動車組交會數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果采用適合列車空氣動力學(xué)與速度關(guān)系的二項(xiàng)式擬合，得出更高速度時(shí)交會壓力波的理論幅值，繪制其隨速度變化趨勢。

(1)250 km/h等級線路(4.6 m線間距)下列車分別以不同速度進(jìn)行交會時(shí)計(jì)算。得到在250 km/h等級線路下列車交會壓力波隨速度變化關(guān)系如圖9所示。其中250 km/h及以下速度級為實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果，250 km/h以上為根據(jù)變化趨勢而得到的理論結(jié)果。

圖9 250 km/h等級線路下(4.6 m線間距)列車交會壓力波隨速度變化關(guān)系(預(yù)測)

(2)350 km/h等級線路下5.0 m線間距列車分別以不同速度進(jìn)行交會時(shí)計(jì)算。得到在350 km/h等級線路下列車交會壓力波隨速度變化關(guān)系如圖10所示。其中350 km/h及以下為實(shí)際測試結(jié)果，350 km/h以上為根據(jù)變化趨勢預(yù)測結(jié)果。

圖10 350 km/h等級線路下(5.0 m線間距)列車交會壓力波隨速度變化關(guān)系(預(yù)測)

由預(yù)測數(shù)據(jù)可以看出，在250 km/h和350 km/h等級線路條件下，列車交會壓力波最大幅值滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)要求，且有較大的安全裕度。由此也可以看出，目前兩種速度等級的高速鐵路僅從交會壓力波影響方面來看，具備列車以更高速度運(yùn)行的條件。

6 結(jié)論和建議

本文從列車空氣動力學(xué)的角度，對高速鐵路線間距對列車交會壓力波的影響進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

(1)列車交會壓力波幅值隨線間距變化明顯，壓力波幅值隨著線間距增大而減小，近似呈高置信度的負(fù)指數(shù)關(guān)系。

(2)在線路實(shí)測和仿真計(jì)算兩種情況下進(jìn)行交會壓力波幅值與線間距關(guān)系的分析研究，仿真與實(shí)測結(jié)果趨勢一致。

(3)目前250 km/h和350 km/h速度等級線路下列車產(chǎn)生的交會壓力波幅值能夠滿足列車高速運(yùn)行時(shí)氣動安全性要求，且有較大的裕度。單純從明線交會工況來看，現(xiàn)有線間距滿足以更高速度運(yùn)行的交會壓力波要求。

隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展和完善，深入探究列車高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的空氣動力學(xué)效應(yīng)對提升現(xiàn)有高速鐵路技術(shù)水平具有深遠(yuǎn)的意義。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展對復(fù)雜路況下，如隧道、明洞、擋風(fēng)結(jié)構(gòu)下列車運(yùn)行及交會壓力波的研究十分必要。

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(編輯：趙立紅 張紅英)

Study on Influence of Line Spacing of High Speed Railway on Pressure Wave Due to Meeting of Two Oncoming trains

QIAO Yingjun HE Dehua CHEN Houchang ZHANG Chao

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences，Beijing 10081,China)

The theory of relationship between line spacing of fixed facilities and pressure wave due to meeting of two oncoming trains is expounded in this paper and based on it, the pressure wave data due to meeting of two oncoming trains under the conditions of different line spacing is practically tested, moreover, the pressure wave due to meeting of two typical oncoming EMUs under the conditions of different line spacing is calculated by simulation calculation method. The fitted curve of relationship between pressure wave and line spacing is got by analyzing the influence of line spacing on pressure wave according to actual measurement and numerical simulation data. The research result shows that it is negative exponent relationship between pressure wave and line spacing. Finally, the regression analysis is made respectively on pressure waves due to meeting of two oncoming trains at a speed of 250 km/h and 350 km/h. On the basis of the measured data, the change of the pressure wave under higher speed level is got. The result shows that the existing line spacing meets meeting pressure wave requirements under higher running speed and it has a large safety margin.

high speed railway; line spacing; meeting pressure wave

2016-08-04

喬英俊(1986-)，男，工程師。

1674—8247(2016)06—0007—05

U

A