明洞式隧道洞門開口率優(yōu)化

牛紀強， 梁習鋒， 周 丹， 劉堂紅

(1. 中南大學 交通運輸工程學院，長沙 410075；2. 軌道交通安全教育部重點實驗室(中南大學)，長沙 410075)

明洞式隧道洞門開口率優(yōu)化

牛紀強1,2， 梁習鋒1,2， 周 丹1,2， 劉堂紅1,2

(1. 中南大學 交通運輸工程學院，長沙 410075；2. 軌道交通安全教育部重點實驗室(中南大學)，長沙 410075)

為獲得等截面開口型緩沖結構相對最優(yōu)開口率，基于三維非定常可壓縮雷諾時均N-S方程和標準κ-ε雙方程湍流模型，采用滑移網(wǎng)格方法，對3車編組的高速列車分別以250、300、350km/h速度通過開口率在20%～84%之間的等截面開口型緩沖結構進行模擬，并對隧道內(nèi)初始壓縮波和隧道出口氣壓爆波進行研究. 結果表明:數(shù)值計算結果與動模型試驗相比，波形吻合度較好，幅值偏差均不超過6%；開口對初始壓縮波形幅值起到增大作用，并隨開口增大而先增大后減小，在開口率為60%時達到最大；初始壓縮波壓力梯度受開口影響顯著，隨著開口率增大而減小，且在開口率為40%以后變化不大，氣壓爆波隨開口率變化規(guī)律與初始壓縮波壓力梯度基本一致.

隧道工程；緩沖結構；開口率；高速列車；初始壓縮波；氣壓爆波

隨著高速鐵路的快速發(fā)展和高速列車運行速度的不斷提高，列車/隧道耦合空氣動力學效應日益突出. 列車高速進入隧道產(chǎn)生的瞬變壓力波在隧道內(nèi)傳播，到隧道出口處時，會產(chǎn)生強烈的爆破聲，即氣壓爆波. 隧道內(nèi)傳播的交變壓力波作用在車體上，會引起車體結構疲勞，而傳播至車內(nèi)會直接影響旅客乘車舒適度；氣壓爆波會破壞隧道出口的環(huán)境，使隧道出口附近的居民受到噪聲干擾、建筑物受到?jīng)_擊[1-4]. 1975年，日本山陽新干線試運行時，首次發(fā)現(xiàn)隧道氣壓爆波對周圍環(huán)境造成影響的現(xiàn)象，并對其進行了研究[5]. 隨著中國既有線的不斷提速以及高速鐵路的快速、大規(guī)模修建，導致大量隧道工程不斷出現(xiàn). 隧道氣壓爆波危害逐漸增大. 文獻[6]基于一維、可壓縮、非定常、不等熵流動理論與廣義黎曼變量特征線法，研究了開孔緩沖結構不同參數(shù)對初始壓縮波強度和壓力梯度的影響，揭示了開孔緩沖結構的空氣動力學特征，對探討減緩洞口氣壓爆波提供了一種分析方法，但是此方法是建立在隧道內(nèi)空氣流通截面是時間和流動距離的二元函數(shù)假設的基礎上，且是基于一維、可壓縮、非定常、不等熵流動理論與廣義黎曼變量特征線法，其局限性較大，準確度不高；文獻[7]對高速列車突入隧道與緩沖結構時進行了數(shù)值模擬，且數(shù)值算法經(jīng)過試驗驗證，確定了喇叭形緩沖結構側面開口的最佳開口率為0.2，具有一定參考價值. 文獻[8]還利用高速列車空氣動力學模型試驗對高速列車在進入帶有緩沖結構隧道過程中瞬變壓力傳播機理進行研究，但主要是針對無開口緩沖結構提出了隧道內(nèi)最大壓力和最大壓力梯度變化規(guī)律計算公式. 文獻[9]通過對緩沖結構形狀以及各種參數(shù)計算結果進行定性與定量對比，得知具有開孔的緩沖結構也可較大幅度降低隧道出口附近氣壓爆波強度，但是需要綜合比較才能選取最佳結構參數(shù). 文獻[10]利用高速列車模型實驗系統(tǒng)，對列車進入隧道所形成的壓縮波、氣壓爆波進行了測試分析，對不同長度喇叭型緩沖結構削減氣壓爆波效果進行了比較，得到了有關氣壓爆波產(chǎn)生、傳播以及緩沖結構緩構對降低氣壓爆波效果的規(guī)律. 文獻[11]基于動網(wǎng)格技術采用三維數(shù)值模擬方法，研究了100 m2隧道斜切式洞門頂部開口面積大小對壓力峰值、壓力梯度降低效果的影響，得到了不同車速下的開口率建議值，其數(shù)值算法缺少驗證，且開口率局限在20%～30%. 文獻[12]基于經(jīng)典的線性基爾霍夫聲學理論，通過求解氣體動力學瞬態(tài)準一維方程得到初始壓縮波源數(shù)據(jù)，并進行了相關研究. 文獻[13]通過研究不同橫截面積的緩沖結構和隧道與緩沖結構連接處的過渡形式對壓力梯度及其形狀的影響，算法未經(jīng)驗證，且優(yōu)化形狀較復雜，有較大施工難度. 文獻[14]在數(shù)值模擬與實驗結果有很好吻合度的基礎上，研究了列車橫截面與長度和通風井大小對隧道內(nèi)壓力波的影響. 文獻[15]基于三維可壓縮歐拉方程，采用有限元法，對四種形式的隧道洞門形式對壓縮波前的影響進行了研究，給出了不同類型緩沖結構的減緩效果對比. 文獻[16-18]根據(jù)列車馬赫數(shù)確定緩沖結構開口的分布，用格林函數(shù)控制開口尺寸的方法，使壓力波前呈線性增長，來降低隧道出口氣壓爆波，并對初始壓縮波形進行了分析比較，但其推薦的尺寸可能會過小，還需要進行縮比模型試驗進行修正.

由于隧道出口地形復雜，在隧道口設置緩沖結構時需考慮到工程實際的施工難度和可行性問題，需根據(jù)實際情況選擇合適類型的緩沖結構，而對于明洞式緩沖結構開口率對初始壓縮波及其壓力梯度和氣壓爆波影響方面的研究涉及較少，而隨著高速列車速度的不斷提高，隧道出口氣壓爆波造成的危害日益顯著. 因此，本文主要研究列車分別以250、300、350 km/h速度通過有效凈空面積為100 m2單洞雙線無砟隧道時，緩沖結構開口率對隧道出口氣壓爆波和隧道內(nèi)初始壓縮波及其壓力梯度的影響.

1 數(shù)學模型

高速列車以不低于250 km/h的車速通過隧道時，列車周圍流場處于強非定常、湍流狀態(tài)，列車馬赫數(shù)雖然小于0.3，但是隧道內(nèi)空氣會受到隧道壁面的限制而無法自由流動，并受到車體擠壓，此時需要考慮空氣的壓縮性；考慮到列車與隧道間的空氣受到摩擦和傳熱等影響，氣流為不等熵流動. 因此，采用非定常、粘性、可壓縮流的N-S方程來求解列車過隧道的流場，κ-ε兩方程湍流模型在模擬列車輛過隧道具有廣泛應用[19-21]，而標準κ-ε兩方程湍流模型在模擬氣壓爆波方面得到了良好的結果[22-23]. 本文亦采用標準κ-ε兩方程湍流模型來模擬列車過隧道的氣動特性.

本文計算采用商用軟件Fluent，其中速度和壓力的耦合方式采用SIMPLEC算法，對流項的離散采用具有二階精度的QUICK格式，擴散項的離散采用二階精度的中心差分格式，考慮到氣壓爆波和初始壓縮波壓力梯度對時間較為敏感，時間項離散采用二階隱式格式.

2 計算模型及區(qū)域

2.1 計算模型

本文計算模型采用3車編組高速列車，定義H為車高，列車總長20.65H，頭、中、尾車分別長6.88H、6.6H和 6.88H，如圖1所示. 根據(jù)文獻[24]中的規(guī)定，對車體表面進行了必要且合理的簡化，考慮到本文研究對象為列車進入緩沖結構產(chǎn)生的壓縮波以及其通過隧道傳播至隧道出口處形成的氣壓爆波. 因此，列車表面采用三角形網(wǎng)格離散，在靠近列車附近區(qū)域采用四面體網(wǎng)格劃分，其他區(qū)域采用結構網(wǎng)格劃分. 為了能夠準確捕捉列車突入隧道緩沖結構時在隧道內(nèi)產(chǎn)生的壓力變化，在車身表面附近和隧道入口處進行了加密處理，考慮到遠離列車、隧道及緩沖結構處的網(wǎng)格對隧道內(nèi)壓力波的產(chǎn)生和傳播影響很小，故網(wǎng)格較為稀疏. 與動模型試驗結果對比后，確定此次數(shù)值計算中車體表面最小網(wǎng)格為0.01m，隧道入口緩沖結構處最小網(wǎng)格為0.05m，列車運行方向緩沖結構附近處相鄰網(wǎng)格間距為0.1m，隧道上網(wǎng)格間距為0.5m. 空間體網(wǎng)格約700萬左右. 采用雙時間步長控制時間推進，物理步長在[0.1ms, 0.15ms]，步內(nèi)迭代50次. 本文模擬的列車速度分別為250、300、350km/h，隧道為有效凈空面積為100m2、線間距為5m的單洞雙線隧道，長1km，且不考慮隧道長度對于壓縮波的非線性效應. 根據(jù)文獻[25]中建議對緩沖結構開口面積為隧道斷面有效面積的0.2～0.3倍，為了尋找相對最優(yōu)開口率，本文明洞式(等截面)緩沖結構開口率設置在20%～84%之間. 開口Y方向(垂直于列車運行方向)寬度為4m不變，只改變X方向(列車運行方向)長度. 定義開口率為開口面積與隧道有效凈空積之比. 圖2為隧道高速列車和緩沖結構及附近表面網(wǎng)格圖.

圖1高速列車模型

(a)隧道洞門

(b)高速列車

2.2 計算區(qū)域

為模擬高速列車通過緩沖結構進入隧道時，產(chǎn)生的初始壓縮波沿隧道方向傳播過程. 本文采用滑移網(wǎng)格方法，更真實、直接的模擬高速列車在線路上運行過程. 為保證了流場的充分發(fā)展，避免邊界條件對流場結構的影響，隧道前后計算域X方向長度為81H，Y方向寬度為38H，Z方向高度為19H，列車頭部距隧道入口為20H，H為車高. 高速列車過隧道計算區(qū)域如圖3所示.

2.3 邊界條件

給定高速列車運動邊界條件，其速度為：X方向速度分量為列車運行速度v，Y、Z方向速度分量等于0. 計算流域邊界設置如圖3所示，隧道出口流域兩側面、頂面及遠處端面均為基于黎曼不變量無反射的遠場邊界條件，隧道及流域地面給定無滑移邊界條件. 壁面區(qū)域流場采用標準壁面函數(shù)控制求解.

圖3 計算區(qū)域

3 算法驗證

為驗證本文所采用計算方法的正確性，提高計算結果的可信度. 在中南大學列車空氣動力特性動模型試驗系統(tǒng)上進行試驗. 該試驗系統(tǒng)是基于流動相似原理，將高速列車、隧道和線路等制作成縮比模型，通過彈射系統(tǒng)使高速列車縮比模型在縮比線路上無動力高速運行，可模擬高速列車交會，與地面、周圍環(huán)境的相對運動，真實再現(xiàn)高速列車過隧道等三維非定?？蓧嚎s流動過程，并獲得高速運行中的列車空氣動力特性.

試驗中采用的列車模型與數(shù)值計算中一致，為進行動模型試驗，對列車模型進行了1∶20縮比制作. 模型列車試驗速度為300km/h. 隧道模型長50m(可模擬實際長為1km，有效凈空面積100m2的單洞雙線隧道)，高速列車/隧道試驗模型如圖4所示.

圖4 高速列車/隧道模型

數(shù)值計算與模型試驗對比中，主要關注初始壓縮波和隧道出口氣壓爆波，而初始壓縮波為取距模型隧道入口20 m處測點監(jiān)測所得，氣壓爆波為距模型隧道出口洞門1 m處測點監(jiān)測所得，來研究隧道內(nèi)初始壓縮波和氣壓爆波的影響. 圖5為隧道內(nèi)壓力測點和隧道出口氣壓爆波測點布置圖.

(a)橫截面

(b)縱截面

圖6為高速列車模型以300 km/h車速通過隧道時，相應測點所得初始壓縮波壓力pin及其壓力梯度dpin/dt)的動模型試驗與數(shù)值模擬計算結果對比. 從圖6可知，初始壓縮波的計算波形與試驗所得數(shù)據(jù)的波形吻合度高，但是在初始壓縮波的峰值區(qū)域差異較大，這是由于數(shù)值計算中對于列車、隧道間空氣的摩擦模擬不準確造成的，但是這不影響對氣壓爆波起主要評價作用的初始壓縮波波前壓力梯度. 初始壓縮波波前壓力梯度幅值偏差均不超過6%，滿足工程應用要求.

(a)初始壓縮波

(b)初始壓縮波梯度

4 計算結果及分析

圖7為單列高速列車通過隧道時，隧道壁面壓力變化典型波形. 對隧道出口氣壓爆波起主要作用的是隧道內(nèi)初始壓縮波，初始壓縮波峰值增大主要是由于車體表面摩擦效應引起Δpfr增大造成的，初始壓縮波壓力梯度增大主要是列車頭部進入緩沖結構和隧道時導致圖7中列車頭部進入隧道時產(chǎn)生的壓力變化ΔpN增大的緣故；從圖6中單列高速列車過隧道的壓力變化曲線也可反映出這一點，由于列車編組短，效果不顯著.

4.1 開口率對初始壓縮波影響

圖8為高速列車以不同車速通過不同開口率明洞型緩沖結構時，測點監(jiān)測得到的初始壓縮波幅值隨開口率變化曲線. 從圖8中可知，不同速度等級下，初始壓縮波幅值隨開口率變化規(guī)律一致，均隨著開口率增大而先增大后減小，在開口率為60%附近出現(xiàn)拐點.

圖7 列車通過隧道壁面壓力變化典型波形

Fig.7 Typical waveforms caused by the train passing through the tunnel

圖9為初始壓縮波幅值增大率隨開口率變化曲線. 由圖9可知，不同速度等級下，初始壓縮波幅值均在開口率為60%時增幅達到最大，車速為250 km/h時，增幅達6.4%；車速為300 km/h時，增幅達5.2%；車速為350 km/h時，增幅達5.1%. 因此，可知明洞型緩沖結構開口對降低初始壓縮波幅值沒有效果，反而導致初始壓縮波幅值略微增大. 從圖9中還可以看出，隨著車速的增大，初始壓縮波幅值增幅降低，即開口對初始壓縮波幅值增大貢獻減小.

圖8 初始壓縮波隨開口率變化

圖9 初始壓縮波增大率隨開口率變化

Fig.9 Variation of the increasing rate of the initial compression wave with the opening rate

圖10為對應圖9的初始壓縮波壓力梯度. 從圖中可知，不同速度下，隨開口率增大，初始壓縮波壓力梯度先減小后增大. 開口率40%以上，初始壓縮波壓力梯度變化不顯著.

圖11為初始壓縮波壓力梯度減低率隨開口率變化曲線. 由圖11可知，車速為250、300 km/h時，初始壓縮波壓力梯度降低率在開口率為48%時降幅達到最大，分別為48.3%和41.3%；車速為350 km/h時，在開口率為40%時降幅達到最大，為42.1%. 開口率大于60%后，壓力梯度降低率基本在40%左右. 4.2 開口率對氣壓爆波影響

圖12為隧道出口處氣壓爆波pm隨開口率變化曲線. 從圖12中可知，緩沖結構開口對降低氣壓爆波有顯著效果. 氣壓爆波強度與壓縮波到達隧道內(nèi)初始壓縮波壓力梯度大致呈正比. 不同速度等級下，氣壓爆波隨開口率變化與初始壓縮波壓力梯度變化規(guī)律一致. 在開口率大于40%以后，隨著開口率繼續(xù)增大，氣壓爆波降低率變化不大.

圖10 壓力梯度隨開口率變化

圖11 壓力梯度降低率隨開口率變化

Fig.11 Variation of the decreasing rate of the pressure gradient with the opening rate

圖12 氣壓爆波隨開口率變化

圖13 氣壓爆波降低率隨開口率變化

Fig.13 Variation of the decreasing rate of the micro pressure wave with the opening rate

結合圖10～13可以得知，初始壓縮波壓力梯度隨開口率變化與氣壓爆波隨開口率變化規(guī)律及變化率基本一致. 因此，隧道內(nèi)初始壓縮波的壓力梯度可以有效的反映隧道出口處氣壓爆波.

5 結 論

1)緩沖結構開口導致初始壓縮波增大，大致隨開口率增大而略微增大后又減小；不同速度等級下，初始壓縮波幅值均在開口率為60%時增幅達到最大，增幅在6%左右.

2)開口對降低初始壓縮波壓力梯度影響顯著，隨開口率增大，壓力梯度的降低率先增大后減?。卉囁贋?50、300 km/h，開口率為48%時，最優(yōu)；車速為350 km/h時，開口率為40%時最優(yōu).

3)隧道出口氣壓爆波變化規(guī)律同初始壓縮波梯度一致. 開口率在40%以上，隧道出口氣壓爆波降低效果不顯著. 車速為250、300、350 km/h時，開口率分別在60%、72%和40%時氣壓爆波降幅達到最大.

4)所確定的相對較優(yōu)的開口率對于其他類型的緩沖結構適應性有待研究，沒有考慮開口形狀和位置的影響，這將是下一步研究的內(nèi)容.

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(編輯 魏希柱)

Optimization on the opening rate of the open-cut tunnel portal

NIU Jiqiang1,2，LIANG Xifeng1,2，ZHOU Dan1,2，LIU Tanghong1,2

(1.School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2.Key Laboratory of Traffic Safety on Track (Central South University), Ministry of Education, Changsha 410075, China)

In order to obtain the relative optimal opening rate of the open-cut tunnel portal, the three-carriage high-speed train running through the hood with different opening ratios (20%-84%) at different speeds (250, 300 and 350 km/h) was modeled by using sliding mesh method, and the three-dimensional unsteady compressible Reynolds-averagedN-Sequationandstandardκ-εequationturbulenceformulawereemployedinthisnumericalmodel.Thentheinitialcompressionwaveandmicropressurewaveweresimulatedandanalyzed.Theresultsindicatethatthenumericalresultsshowawellagreementwiththedynamicmodeltest,andthedeviationbetweenthemisnomorethan6%.Theamplitudeofinitialcompressionwaveincreaseswhenthehoodwithholes,anditincreasesatfirststageandthendecreaseswiththeincreasingofopeningratios,andreachesthemaximumvaluewhentheopeningratiosis60%.Thepressuregradientofinitialcompressionwaveissignificantlyaffectedbytheopeningrate.Itdecreaseswithincreasingoftheopeningrate,andtheamplitudeshowsasmallchangewhenopeningrateisgreaterthan40%.Similarly,theeffectsofopeningratemicropressurewaveshowthesamerulesasthepressuregradient.

tunnel engineering; hood; opening rate; high-speed train; initial compression wave; micro pressure wave

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.03.028

2015-09-01

高鐵聯(lián)合基金(U1134203，U1334205);國家自然科學基金 (51575538);湖南省自然基金(14JJ3028);湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2015B046);中南大學教師研究基金(2013JSJJ014)

牛紀強(1988—)，男，博士研究生; 梁習鋒(1963—)，男，教授，博士生導師

梁習鋒，gszxlxf@163.com

U451.3；U

A

0367-6234(2017)03-0175-06