鐵路隧道變截面空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)分析

程愛(ài)君，馬偉斌( 1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　100081; 2高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081)

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鐵路隧道變截面空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)分析

程愛(ài)君1，2，馬偉斌1，2
( 1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 2高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

摘要:通過(guò)分析隧道內(nèi)瞬變壓力、洞口微氣壓波與隧道長(zhǎng)度、列車(chē)速度的關(guān)系，結(jié)合相近長(zhǎng)度隧道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，得出了動(dòng)車(chē)組以300和350 km/h速度通過(guò)一長(zhǎng)度800 m隧道時(shí)隧道內(nèi)瞬變壓力界限值與洞口微氣壓波。分析結(jié)果表明，該隧道內(nèi)變截面處斷面面積由100 m2減為93 m2后，瞬變壓力與微氣壓波能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。通過(guò)仿真計(jì)算進(jìn)一步驗(yàn)證了分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞:高速鐵路隧道變截面氣動(dòng)效應(yīng)仿真實(shí)測(cè)

1　工程概況

一時(shí)速350 km高速鐵路隧道全長(zhǎng)800 m，為雙線隧道，隧道凈空面積為100 m2。在距隧道進(jìn)口400 m處增設(shè)長(zhǎng)度為8 m的套襯，其兩端各設(shè)一段0～30 cm的漸變段，總長(zhǎng)約10 m。施工完成后斷面面積由原來(lái)的100 m2減為93 m2。由于隧道凈空面積減小，需要對(duì)動(dòng)車(chē)組通過(guò)變截面隧道的空氣動(dòng)力效應(yīng)尤其是對(duì)隧道內(nèi)瞬變壓力及洞口微氣壓波的影響進(jìn)行分析。

隧道橫斷面如圖1所示。

圖1隧道斷面(單位: cm)

2　氣動(dòng)效應(yīng)影響分析

2. 1洞口微氣壓波

根據(jù)中國(guó)鐵道科學(xué)研究院“高速鐵路氣動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)研究”的研究成果，長(zhǎng)度3 km以下隧道洞外20 m處微氣壓波基本與車(chē)速的3～4次方成正比，如圖2( a)。結(jié)合理論分析，將不同長(zhǎng)度隧道(斷面面積100 m2及阻塞比為0. 11)洞口微氣壓波測(cè)試值均轉(zhuǎn)化為空間立體角為3π/2后的數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做歸一化處理，得出微氣壓波與隧道長(zhǎng)度的關(guān)系，見(jiàn)圖2( b)。

圖2微氣壓波與行車(chē)速度、隧道長(zhǎng)度的關(guān)系曲線

由圖2( b)可知:當(dāng)動(dòng)車(chē)組分別以速度300，350和380 km/h通過(guò)時(shí)，洞口外20 m處微氣壓波＜50 Pa的隧道臨界長(zhǎng)度分別為5. 5，1. 6和1. 0 km，長(zhǎng)度800 m的隧道(無(wú)套襯)，洞口外20 m處微氣壓波分別為20. 30，34. 97和47. 51 Pa。

該隧道長(zhǎng)度與銀嶺頭隧道(武廣高鐵，長(zhǎng)977 m，無(wú)砟軌道)及李家灣隧道(鄭武高鐵，長(zhǎng)822 m，無(wú)砟軌道)接近，隧道凈空斷面面積相同。動(dòng)車(chē)組以速度310，350 km/h通過(guò)長(zhǎng)度相近隧道時(shí)洞口微氣壓波測(cè)試值及換算為無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)后洞口微氣壓波如表1所示。

根據(jù)洞外點(diǎn)微氣壓波壓力與到達(dá)隧道出口的壓縮波的關(guān)系可得距洞口r處的微氣壓波壓力Pr，max為

式中: ( dP /dt)EX，max為出口處壓力隨時(shí)間的變化率; S為隧道的有效面積;Ω為反映出口地形條件的空間立體角; C為標(biāo)準(zhǔn)聲速;ρ0為空氣標(biāo)準(zhǔn)密度; U為列車(chē)進(jìn)洞速度;τ為反應(yīng)壓力上升時(shí)間的參數(shù); d為隧道的水力直徑; R為阻塞比; M為馬赫數(shù)。

該隧道增設(shè)套襯后，按隧道全長(zhǎng)范圍內(nèi)凈空面積均變?yōu)?3 m2的最不利情況考慮，由公式( 1)換算得到洞口微氣壓波，見(jiàn)表2。

表2隧道凈空斷面積變小后各隧道洞外20 m處微氣壓波換算值

綜上分析可知，該隧道內(nèi)加10 m套襯后，動(dòng)車(chē)組以速度310，350，380 km/h通過(guò)時(shí)洞口微氣壓波小于標(biāo)準(zhǔn)值( 50 Pa，20 m處)。

2. 2瞬變壓力影響分析

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，不同隧道瞬變壓力臨界值(車(chē)內(nèi)壓力3 s變化極值達(dá)到1. 25 kPa對(duì)應(yīng)的瞬變壓力)與隧道長(zhǎng)度關(guān)系包絡(luò)曲線如圖3所示?？芍?隧道內(nèi)瞬變壓力臨界值隨隧道長(zhǎng)度的增加而減小;對(duì)于CRH2動(dòng)車(chē)組，當(dāng)隧道長(zhǎng)度為0. 5，1. 0 km時(shí)瞬變壓力臨界值分別超過(guò)6. 80，5. 90 kPa。對(duì)于800 m長(zhǎng)隧道(無(wú)套襯)，隧道內(nèi)瞬變壓力臨界值為6. 25 kPa。

圖3隧道內(nèi)瞬變壓力臨界值與隧道長(zhǎng)度的關(guān)系包絡(luò)曲線

不同動(dòng)車(chē)組速度下隧道內(nèi)瞬變壓力( 3 s變化極值)隨隧道長(zhǎng)度變化曲線如圖4所示。

圖4不同速度下瞬變壓力隨隧道長(zhǎng)度變化曲線

由圖4可知，動(dòng)車(chē)組分別以250，300和350 km/h速度通過(guò)時(shí)，長(zhǎng)度800 m的隧道內(nèi)瞬變壓力分別為2. 63，3. 77和5. 11 kPa，瞬變壓力均＜6. 25 kPa，能夠滿足要求。

已有研究表明，列車(chē)進(jìn)洞時(shí)產(chǎn)生的壓縮波波形P如下

根據(jù)式( 2)可知列車(chē)進(jìn)洞時(shí)產(chǎn)生的壓縮波最大值Pmax為

根據(jù)式( 3)計(jì)算出動(dòng)車(chē)組通過(guò)時(shí)，截面凈空面積93 m2隧道內(nèi)瞬變壓力為截面凈空面積100 m2的1. 037倍，由此計(jì)算出動(dòng)車(chē)組通過(guò)長(zhǎng)度相近隧道時(shí)洞內(nèi)瞬變壓力值，見(jiàn)表3。

表3動(dòng)車(chē)組通過(guò)時(shí)長(zhǎng)度相近隧道瞬變壓力值

由表3可知，當(dāng)隧道凈空面積由100 m2減為93 m2后，動(dòng)車(chē)以300，350 km/h通過(guò)本隧道時(shí)，瞬變壓力值分別為3. 91，5. 30 kPa，均低于隧道內(nèi)瞬變壓力臨界值( 6. 25 kPa)，滿足要求。

3　仿真分析

采用三維模型對(duì)CRH2動(dòng)車(chē)組以不同速度通過(guò)時(shí)隧道內(nèi)瞬變壓力進(jìn)行計(jì)算。所建模型的隧道橫斷面面積均為100 m2，與現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)隧道實(shí)際橫斷面面積相同。隧道氣動(dòng)效應(yīng)仿真計(jì)算模型如圖5所示。圖6為車(chē)頭剛駛?cè)胨淼?、?chē)頭剛駛出隧道時(shí)隧道內(nèi)瞬變壓力云圖。

圖6隧道內(nèi)瞬變壓力云圖

通過(guò)CFX數(shù)值仿真計(jì)算，動(dòng)車(chē)組從駛?cè)胨淼赖今偝鏊淼榔陂g壓力波在隧道內(nèi)傳播的整個(gè)過(guò)程如圖7所示。

圖7動(dòng)車(chē)組駛?cè)腭偝鏊淼榔陂g壓力波在隧道內(nèi)的傳播過(guò)程(隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)值)

動(dòng)車(chē)組通過(guò)隧道時(shí)瞬變壓力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比如圖8所示。

圖8動(dòng)車(chē)組通過(guò)隧道時(shí)瞬變壓力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

由圖8可看出，該隧道內(nèi)瞬變壓力計(jì)算最大值與實(shí)測(cè)值誤差在10%以內(nèi)，且計(jì)算波形與實(shí)測(cè)波形基本相同，表明模型計(jì)算結(jié)果合理，精度能滿足瞬變壓力計(jì)算精度要求。計(jì)算結(jié)果表明，距洞口400 m處10 m長(zhǎng)隧道凈空面積由100 m2變?yōu)?3 m2后，動(dòng)車(chē)組以300，350 km/h通過(guò)隧道時(shí)，瞬變壓力值分別由3. 28，4. 54變?yōu)?. 43，4. 68 kPa，均低于隧道內(nèi)瞬變壓力臨界值，滿足要求。

4　結(jié)論

依據(jù)相近長(zhǎng)度隧道的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真計(jì)算，從隧道內(nèi)瞬變壓力和洞口微氣壓波兩個(gè)角度分析，該隧道內(nèi)400 m處存在10 m長(zhǎng)的變截面區(qū)段時(shí)，隧道氣動(dòng)效應(yīng)能滿足要求。

參考文獻(xiàn)

［1］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院．京滬高速鐵路綜合試驗(yàn)研究分報(bào)告之八——高速鐵路氣動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)研究［R］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2011．

［2］OZAWA S，MAEDA T，MATSUMURA T，et al．On the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels［C］/ /Haerter A．Proceeding of 7th Symp．Amsterdam: Elsevier Science Publishers Ltd．，1991: 253-256．

［3］OZAWA S，TANEMOTO K，MAEDA T．Model Experiments on Devices to Reduce Perssure Wave［R］．Japan: Railway Technical Research Institute，1976．

［4］SATORUO，TATSUOM．Tunnel Entrance Hoods for Reduction of Micro-pressure Wave［J］．Quarterly Report of Railway Technical Research Institute of Japanese National Railways，1988，29( 3) : 134-139．

［5］馬偉斌，張千里，劉艷青．中國(guó)高速鐵路隧道氣動(dòng)效應(yīng)研究進(jìn)展［J］．交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2012，12( 4) : 25-32．

(責(zé)任審編李付軍)

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本刊編輯部

Analysis of aerodynamics effect in changeable cross-section tunnel

CHENG Aijun1，2，MA Weibin1，2
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:T hrough analyzing the relationship between the transient pressure inside tunnel，the tunnel entrance micropressure wave and the tunnel length，the train speed，the transient pressure limit value inside tunnel and entrance micro pressure wave was obtained by combining with the field test results of the tunnels with similar length when EM U passed through 800 m tunnel with running speed of 300 km /h and 350 km /h．T he results show that transient pressure and micro-pressure wave can meet the requirements of design standards when the variable section area inside tunnel was reduced from 100 m2to 93 m2．T he analysis results were verified by the simulation calculation．

Key words:High speed railway; T unnel; Variable section; Aerodynamic effect; Simulation; M easurement

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 01-0033-05

中圖分類號(hào):TU375．4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．07

作者簡(jiǎn)介:程愛(ài)君( 1974—)，男，副研究員，碩士。

收稿日期:2015-11-28;修回日期: 2015-12-10