高速列車隧道等速交會條件下人體舒適度分析

張運良，張志成，楊偉超，丁銘鴻

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075； 2.高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙 410075)

高速列車隧道等速交會條件下人體舒適度分析

張運良1,2，張志成1，楊偉超1,2，丁銘鴻1

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075； 2.高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙 410075)

基于三維非定常黏性不可壓縮Navier-Stokes方程和標準湍流模型，利用Fluent流體計算軟件，建立高速列車隧道內(nèi)等速交會數(shù)值計算模型.模擬同樣外形的兩輛CRH380HL型高速列車以4種車速在隧道內(nèi)交會時氣動作用力的變化過程，得出列車車體內(nèi)外壓力變化規(guī)律；運用車體內(nèi)部瞬變壓力計算公式計算車廂內(nèi)壓力，根據(jù)車廂內(nèi)壓力大小對乘客乘車舒適性做出評價.

高速列車；人體舒適度；車內(nèi)壓力；隧道等速交會

0 引言

列車高速通過隧道或在隧道內(nèi)交會時會產(chǎn)生劇烈、大幅和復雜的壓力波動，這些壓力波動首先會造成高速運行列車的車廂外表面壓力波動，進而通過車體縫隙向車廂內(nèi)傳遞，造成車廂內(nèi)壓力急劇變化.過大的車廂壓力變化會導致乘客出現(xiàn)耳鳴、耳痛等不良癥狀，嚴重條件下甚至會出現(xiàn)惡心、嘔吐等問題.車體壓力與列車速度直接相關(guān)，列車速度提高和車廂密封性能下降時，這一問題將更加突出.因此對車廂內(nèi)的壓力變化規(guī)律和乘坐環(huán)境的舒適度進行研究，對我國高速鐵路的發(fā)展具有重要意義.

車廂內(nèi)人體舒適度與車體表面壓力、車廂的密封性和個體敏感性等密切相關(guān)，但本質(zhì)是車廂內(nèi)外壓力的傳遞方法，為此國內(nèi)外很多學者就此問題展開研究.文獻[1-5]對列車高速駛?cè)胨淼罆r車體的表面壓力進行了較深入的研究；王建宇等[6]對車廂內(nèi)外壓力的對應關(guān)系進行了現(xiàn)場實測，結(jié)果表明，當列車以200 km/h通過隧道時產(chǎn)生的壓力變化即可對車廂內(nèi)的乘坐舒適性產(chǎn)生不良影響.李玉潔等[7]根據(jù)氣動力學的原理,以德國和法國動車組氣密性評價指標為例,介紹了評價車輛氣密性的時間常數(shù)法和等效泄漏孔面積法的物理模型及數(shù)學模型，并開發(fā)了相關(guān)程序，較好地處理了列車高速通過隧道時車廂內(nèi)壓力的計算問題.但我國高速鐵路大多數(shù)是單洞雙線結(jié)構(gòu)形式，列車在隧道內(nèi)交會時靠近線路中線一側(cè)車體壓力遠遠大于另外一側(cè).

筆者運用Fluent流體計算軟件，對高速列車分別以200、250、300、350 km/h速度在2 800 m隧道內(nèi)等速交會進行了針對性研究，得到了列車在隧道內(nèi)交會條件下車體表面壓力的變化過程；然后采用文獻[8]的壓力計算方法，考慮車體兩側(cè)壓力不相等的特性，進一步推導出了車體左右兩側(cè)壓力不平衡時的車廂內(nèi)壓力變化公式，對高速列車隧道等速交會條件下車廂內(nèi)的壓力進行了計算，得到了車廂內(nèi)壓力的變化規(guī)律和不同速度條件下車廂內(nèi)壓力峰值等影響乘坐舒適性的關(guān)鍵指標，最后以此對不同列車速度下車廂內(nèi)的人體舒適度進行了討論和評價.

1 Fluent計算理論與方法

1.1 控制方程

當列車速度v≤360 km/h時，相應的馬赫數(shù)小于0.3，列車繞流問題可以采用三維黏性不可壓縮非定常流動來進行處理.筆者采用N-S方程和標準湍流流動處理.設φ為流場某一參數(shù)，則對于任一控制容積P，流場控制方程統(tǒng)一寫成[5]

(1)

式中：當φ為1、U、e、k和ε時，式(1)分別表示連續(xù)方程、動量方程、能量方程、湍動能方程和湍動能耗散率ε方程；Γφ和Sφ分別為廣義擴散系數(shù)及廣義源項；ρ為空氣密度.

為了封閉方程組，引入完全氣體狀態(tài)方程

P=ρRT，

(2)

式中：P為壓力；R為氣體熱力學常數(shù)；T為空氣熱力學溫度.

1.2 車內(nèi)壓力計算公式

假設空氣從列車車體外部滲入到車體內(nèi)部的速度與車內(nèi)外壓差成正比，利用Clapeyron方程式得微分方程

(3)

對式(3)積分，引入初始條件t=0，P=P0得車內(nèi)瞬變壓力的計算公式

(4)

式中：J為某一節(jié)車廂某側(cè)第j個測區(qū)；m為一節(jié)車廂某側(cè)測區(qū)個數(shù)，文中頭車與尾車m=1，中間車m=7；k為表征車體密封程度的常數(shù)，是車廂密封指數(shù)τ的倒數(shù)；P1j、P2j分別為車廂外部左右側(cè)第j個測區(qū)的壓強，是時間的函數(shù)；P0為初始時刻車廂內(nèi)壓力.

若在一次試驗中車體表面每個壓力測區(qū)的貼片面積相等，公式(4)可簡化為：

(5)

密封指數(shù)τ物理意義為將車內(nèi)外的壓差降低到初始值的38%所需的時間，用于衡量車輛密封程度，密封性分級見表1[8].筆者取τ=10 s，則k=0.1 s-1.

表1 車輛的密封程度

2 仿真建模

2.1 計算模型

筆者運用Fluent流體計算軟件，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)來模擬列車在隧道內(nèi)等速交會.計算流場劃分區(qū)域如圖1所示.一區(qū)為隧道壁及出入口附近區(qū)域；二區(qū)為觀測列車周圍及行駛方向前后的區(qū)域；三區(qū)為運動列車周圍及行駛方向前后的區(qū)域.

圖1 流場分區(qū)示意圖

列車設置為3節(jié)車廂編組，長度為60 m，車型為CRH380HL .計算流場中A、B、C、D斷面邊界條件均設置為壓力出口邊界，即壓力等于初始大氣壓；兩列車車體表面均設置為無滑移壁面，E、F區(qū)域交界面設置為動態(tài)附著邊界條件；地面設置為無滑移壁面條件；在x方向列車運動速度分別設為200、250、300、350 km/h，y、z方向速度為0.

2.2 測區(qū)布置

圖2為觀測列車右側(cè)(觀測列車與運動列車的交會側(cè))的測區(qū)布置圖，各個斷面左側(cè)的測區(qū)與相對應的右側(cè)測區(qū)處于同一高度.圖中cty為頭車右側(cè)測區(qū)，cxy1、cxy2、cxy3、cxy4、cxy5、cxy6、cxy7為中間車右側(cè)測區(qū)，cwy為尾車右側(cè)測區(qū).

圖2 運動列車測區(qū)布置圖

2.3 網(wǎng)格劃分

應用ANSYS ICEM劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共劃分為10 048 272個單元，9 553 027個節(jié)點，圖3為車身和整體模型的網(wǎng)格劃分示意圖.

圖3 網(wǎng)格劃分圖

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 交會條件下車體表面壓力特性

為研究列車運行過程中車體表面壓力時程變化規(guī)律，筆者以列車350 km/h運行時頭車和尾車交會側(cè)測點(cty，cwy)和非交會側(cè)測點(ctz，cwz)模型計算結(jié)果為例進行分析.列車交會運行時，觀測列車車廂外壓力變化過程如圖4所示.

根據(jù)圖4分析可知：①列車在進出隧道口及兩車交會時，車體外部壓力均會發(fā)生突變；②列車交會之前，非交會側(cè)測區(qū)壓力大于交會側(cè)，這是由于非交會側(cè)測區(qū)比交會側(cè)測區(qū)與隧道壁面間的距離小;③列車交會過程中，交會側(cè)測區(qū)壓力明顯大于非交會側(cè)，頭車最大差值為1 097.5 Pa，尾車最大差值為1 121.6 Pa；④列車的頭車經(jīng)過測點時，測點壓力會突然增大，這是由于頭車高速運行時，車頭空氣壓縮，產(chǎn)生壓縮波，使得測點附近壓力發(fā)生急劇的升高；⑤列車的尾車經(jīng)過測點時，測點壓力會突然減小.這是由于列車高速運行時，車后空氣來不及填充車體經(jīng)過時所占據(jù)的空間，出現(xiàn)負壓，產(chǎn)生膨脹波，使得測點附近壓力急劇降低；⑥列車的車身經(jīng)過測點時，測點的壓力維持在某一穩(wěn)定值附近；⑦尾車測區(qū)壓力的最大值要大于頭車，但是列車交會時壓力幅值基本相等.

圖4 車廂外壓力時程圖

3.2 列車車內(nèi)瞬變壓力時程變化基本規(guī)律

為驗證計算模型的正確性，筆者將計算結(jié)果與文獻[6]中實測數(shù)據(jù)進行對比分析.車廂內(nèi)部壓力實測值結(jié)果與數(shù)值模型計算結(jié)果均為列車在線間距為5 m的雙線軌道上以350 km/h等速會車時獲得.車廂內(nèi)部壓力計算值與實測數(shù)據(jù)如圖5所示.

從圖5可知：車內(nèi)瞬變壓力計算值與實測值很接近，說明筆者的數(shù)值計算模型比較合理；列車交會時，車內(nèi)瞬變壓力的變化率會發(fā)生突變；車廂內(nèi)部的密封性會緩解和滯后車內(nèi)壓力變化，使得車廂內(nèi)部壓力最大值并不是在車外壓力峰值出現(xiàn)，并且車廂內(nèi)壓力波動幅值明顯小于車外；頭車與尾車車內(nèi)瞬變壓力變化趨勢基本相同，但尾車車內(nèi)瞬變壓力最大值要大于頭車.

3.3 車內(nèi)瞬變壓力與速度關(guān)系

列車在不同速度運行條件下，通過計算得出車體內(nèi)部瞬變壓力幅值如圖6所示.從圖6分析可以得出，隨著列車速度提高，車頭、車尾及車身內(nèi)瞬變壓力幅值均呈非線性增長，壓力幅值與速度接近二次方關(guān)系，如式(6)～式(8)所示.

頭車車內(nèi)壓力：P=-0.044v1.842,R=0.999;

(6)

尾車車內(nèi)壓力：P=-0.030v1.921,R=0.998;

(7)

車身車內(nèi)壓力：P=-0.071v1.721,R=0.999.

(8)

圖5 車內(nèi)壓力計算與實測值

圖6 不同速度車內(nèi)壓力幅值

3.4 人體舒適度評價

目前，人體的舒適性評價有兩種方法，第一種方法是以壓力變化幅值和壓力變化率指標進行評估；第二種方法是考核某個時間段內(nèi)壓力變化幅值，這一段時間是根據(jù)人耳對外界氣壓變化完成自我調(diào)整所需時間來確定.第二種方法不僅考慮了壓力變化幅值和壓力變化率，還考慮了人體的生理需求，所以被大多數(shù)國家采用，并制定了相應標準.我國人體舒適度評價標準為3 s內(nèi)壓力變化幅值不得超過1.25 kPa[8].

筆者將計算出的車內(nèi)瞬變壓力時程值進行處理，找出任意3 s時間段內(nèi)最大的壓力差值，即為3 s內(nèi)壓力幅值.對不同速度條件下，頭車、尾車及車身內(nèi)3 s內(nèi)壓力幅值進行計算，并對乘客乘車舒適性做出評價，結(jié)果如表2所示.

表2 不同列車速度舒適性評價

分析表2可以得出，列車速度為200、250 km/h時，3 s內(nèi)壓力幅值較小，車內(nèi)瞬變壓力對乘客乘車舒適性影響不大；當速度為300 km/h時，頭車和車身3 s內(nèi)壓力幅值已經(jīng)很接近人體舒適度臨界值，尾車超過人體舒適度臨界值，開始影響乘客的乘車舒適性；當列車速度為350 km/h時，整個列車內(nèi)部3 s內(nèi)壓力幅值都超過人體的舒適度臨界值，旅客會出現(xiàn)耳鳴現(xiàn)象，明顯影響乘車舒適性.

4 結(jié)論

(1)車廂內(nèi)部的密封性會緩解和滯后車內(nèi)壓力變化，使得車廂內(nèi)部壓力最大值并不是在車外壓力峰值出現(xiàn)，并且車廂內(nèi)壓力波動幅值明顯小于車外.

(2)車內(nèi)壓力增長幅值與列車運行速度均接近二次方關(guān)系，車內(nèi)壓力幅值最大值出現(xiàn)在尾車.

(3)當列車速度為300 km/h時，頭車、車身3 s內(nèi)壓力幅值接近人體舒適度臨界值，尾車超過人體舒適度臨界值，開始影響乘客的乘車舒適性；當列車速度為350 km/h時，3 s內(nèi)壓力幅值已經(jīng)超過人體的舒適度臨界值，明顯影響乘車舒適性.

[1] 費瑞振，彭立敏，施成華，等.高速鐵路雙隧道列車風特性與人員安全分析[J].鄭州大學學報(工學版)，2013，34(4)：5-9.

[2] 施成華，楊偉超，彭立敏，等.高速鐵路隧道列車風作用下接觸網(wǎng)安全性分析[J].中南大學學報(自然科學版)，2012，43(9)：3652-3658.

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[6] 王建宇，吳劍，萬曉燕.車輛的密封性及瞬變壓力向列車內(nèi)傳遞規(guī)律[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46(3)：17-21.

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[8] 趙有明，馬偉斌，程愛君，等.高速鐵路隧道氣動效應[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

The Human Comfort Degree Analysis of High Speed Trains Intersection at the Same Speed in the Tunnel

ZHANG Yunliang1,2, ZHANG Zhicheng1, YANG Weichao1,2, DING Minghong1

(1.School of Civil Engineering, Center South University, Changsha 410075, China; 2.National Engineering Laboratory of High Speed Railway Construction Technology, Changsha 410075, China)

Based on the three-dimensional unsteady viscous incompressible Navier-Stokes equations and the standard turbulence model，using the Fluent computational fluid dynamics software, the situation that the high-speed train intersected in tunnel by the same speed was simulated. Two CRH380HL of same shape were arranged to intersect in the tunnel at four kinds of speed to simulate the changing process of aerodynamic forces, and the data of internal and external pressures of train body was collected. Using the formula to calculate the interior pressure of train body, this paper presented the passenger comfort evaluation of different train speeds.

high speed trains; human comfort degree; the internal pressure; intersection in the tunnel

2016-10-28；

2016-12-19

國家自然科學基金資助項目(51478474)

張運良(1963— )，男，湖南湘潭人，中南大學副教授，碩士，主要從事隧道與地下工程研究，E-mail：296450764@qq.com.

1671-6833(2017)02-0026-04

U25

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2017.02.007