間縫式開口隧道緩沖結構氣動特性分析

王英學，常喬磊，任文強，張羅遜

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間縫式開口隧道緩沖結構氣動特性分析

王英學，常喬磊，任文強，張羅遜

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

采用通用CFD工程分析軟件，對高速列車突入有間縫式開口緩沖結構的隧道的空氣動力學特性進行三維數(shù)值模擬。分析間縫式單、雙開口緩沖結構的最優(yōu)結構形式，采用模型試驗和現(xiàn)場測試方法，對數(shù)值分析結果進行比較驗證。研究結果顯示：與常規(guī)既有的緩沖結構相比，間縫式開口緩沖結構對壓力梯度的降低效率更高，經(jīng)濟性更好。從控制隧道出口微氣壓波的需要，提出應綜合考慮單位米長降低率與總降低率，來選擇緩沖結構的形式及參數(shù)。

隧道；緩沖結構；間縫；壓力梯度；緩解效率

高速列車進入隧道時，列車前方空氣受壓，會形成壓縮波。該壓縮波沿列車運行方向以聲速傳播，到達隧道出口，由于傳播空間突然急劇變大，會產(chǎn)生微氣壓波向隧道外擴散，形成音爆現(xiàn)象，對隧道口周圍環(huán)境造成影響[1]。研究表明：微壓波大小與到達隧道出口時的壓縮波梯度大小成正比[2]，降低壓縮波在隧道入口產(chǎn)生的壓力梯度，就可實現(xiàn)控制隧道出口微壓波峰值的目的。本文將以隧道內壓縮波的壓力梯度為參考指標，探討分析一種新型緩沖結構控制微氣壓波的效果。降低壓縮波在隧道入口產(chǎn)生的壓力梯度的措施主要包括:隧道入口處設置緩沖結構、隧道內設置豎井、利用救援通道作為泄壓通道、雙線隧道間聯(lián)絡通道、優(yōu)化列車車頭形狀等。國內外有許多學者對緩沖結構控制微氣壓波的效果及結構參數(shù)設計方法開展研究，得到了很多重要結論。駱建軍等[3]通過數(shù)值模擬得出緩沖結構物能有效地降低壓力波和微氣壓波前的壓力梯度的結論。劉佩斯[4]結合京滬高速鐵路隧道項目研究了豎井對高速鐵路隧道氣動效應的影響，給出了與列車長度,隧道長度和車速有關的豎井最優(yōu)位置選擇公式。駱建軍等[5]研究了高速鐵路并聯(lián)隧道橫通道對隧道內壓力變化的影響，得出在相同條件下，豎井的降壓效果最好，橫通道次之，避洞的降壓效果最差。趙文成[6]通過模型試驗和數(shù)值推導對典型緩沖結構(斷面擴大無開口型緩沖結構、喇叭型緩沖結構和開口型緩沖結構)進行了全面系統(tǒng)的參數(shù)研究。劉善華[7]利用數(shù)值模擬和大比例尺高速列車動模型試驗系統(tǒng)研究了高速鐵路隧道洞口頂部開口緩沖結構在不同運營速度下的最優(yōu)開口率及開口位置。Howe等[8?10]對等截面和變截面隧道多開口緩沖結構參數(shù)進行分析，提出了多開口緩沖結構優(yōu)化參數(shù)，并指出緩解效率是有限的，達到限值后不會隨長度增加而提高。LIU等[10]對喇叭型緩沖結構、斷面擴大型緩沖結構及削竹式洞口的氣動特性進行了分析評價。上述學者對緩沖結構進行研究，主要針對總體緩解效果，并未考慮緩沖結構單位長度的緩解效率，本文將從此角度出發(fā)開展研究工作，為緩沖結構形式的優(yōu)選提供依據(jù)。在隧道入口處設置緩沖結構由于其附加工程量少、控制微氣壓波效果明顯，因此被規(guī)范采用。目前，開口型緩沖結構的開口位置，主要設置在頂部或側部。側部開口緩沖結構開口寬度一般在2 m左右，頂部開口緩沖結構的開口寬度一般在4 m左右[12]。為了達到較好的緩解微氣壓波效果，需要較高的開口率。在增加緩沖結構開口長度的同時，緩沖結構的總體長度也要相應加長，于是就會造成工程投資的增加。國家“863”課題提出了新型間縫式開口緩沖結構，該緩沖結構改變以前以隧道軸向為主要開口尺寸的開口形式，而是采用開口寬度遠大于長度的間縫開口形式，大大減小了緩沖結構的總體長度，提高了緩沖結構的降低效率，繼而提高了緩沖結構的經(jīng)濟性。下面對間縫式開口緩沖結構的氣動特性進行分析。

1 數(shù)值模擬分析

開口型緩沖結構，主要通過優(yōu)化開口面積，實現(xiàn)將首波壓力梯度分解為多個小的次級波釋放的目的，開口面積是設計的關鍵參數(shù)之一。提出緩沖結構沿隧道環(huán)向開口尺寸遠大于隧道軸向開口尺寸的間縫式緩沖結構，對間縫式緩沖結構的氣動參數(shù)進行數(shù)值模擬分析。

1.1 流體數(shù)值分析控制方程

流體流動要受到物理守恒定律的支配，這些定律即對應流場控制方程，包括：連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。如式(1)~式(3)所示[13]。

1.2 紊流模型的選取

在流體分析時，紊流模型的選取對計算結果有很大影響，而可選的紊流模式又較多。許多學者在車隧氣動分析中，所選取的紊流模型也略有差別，比較常用的有模型[5]及LES模型[14]等。為完善該方法李雪松等[15?16]對大渦模型(LES)開展了一些研究工作。為模擬車體與隧道邊界的相對運動，Shin等[17]采用滑移區(qū)塊法進行了模擬分析。張來平等[18]采用動網(wǎng)格法對非定常流問題進行了分析。本文利用商用工程軟件Ansys中的Fluent模塊，綜合應用動網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格法，模擬分析列車進入隧道氣動過程，紊流模型選用大渦模型(LES)，計算中介質采用理想氣體。

1.3 數(shù)值模擬參數(shù)

數(shù)值模擬中，隧道凈空面積T=100 m2，隧道長度=500 m，隧道出入口取300 m，列車啟動時刻距離隧道入口100 m。假設傳播介質為理想氣體，隧道出入口周圍邊界設置為無限遠域(pressure far field)。列車模型采用CRH3型列車，列車截面積S=11.62 m2，隧道阻塞比(=S/T)=0.116，列車速度取=350 km/h。計算中，在隧道內距入口200 m處設置壓力監(jiān)測點，對比壓縮波首波壓力梯度變化情況，分析緩沖結構緩解微氣壓波的效果。

隧道及隧道出入口空氣域選取如圖1所示。間縫式單開口緩沖結構網(wǎng)格劃分及結構尺寸標記如圖2所示，間縫式雙開口緩沖結構網(wǎng)格劃分及結構尺寸標記如圖3所示。

單位：m

圖2 單間縫緩沖結構網(wǎng)格劃分

影響間縫式緩沖結構氣動降低效果的主要因素為開口率和開口距離(開口率=緩沖結構開口面積/隧道橫斷面面積)，不同開口距離對應不同的開口寬度。計算中間縫式開口環(huán)向弧段長度為17.6 m，開口距緩沖結構入口距離=6 m。對于單間縫緩沖結構，通過改變開口縱向長度，研究開口率對緩沖結構降低效果的影響。具體計算工況參數(shù)如表1所示。雙間縫緩沖結構，保持開口距離=6 m、開口間距=12 m不變，通過改變開口縱向長度參數(shù)和來分析開口率對緩沖結構氣動降低效果的影響。具體計算工況參數(shù)如表2所示。

圖3 雙間縫緩沖結構網(wǎng)格劃分

表1 單間縫緩沖結構數(shù)值計算參數(shù)

表2 雙間縫緩沖結構數(shù)值計算參數(shù)

1.4 間縫式單開口緩沖結構參數(shù)研究

單間縫緩沖結構計算得到的壓力梯度曲線如圖4所示，具體計算結果如表3所示。

從計算結果可以看出，在開口距離=6 m時：

1) 單間縫緩沖結構的壓力梯度曲線顯示2個波峰，首波及二次波波峰。

2) 隨著開口率的增大，首波壓力梯度波峰不斷降低，二次波波峰不斷上升。

3) 開口長度為1.28 m時(開口率為22.53%)，首波和二次波波峰相等，壓力梯度降低率最高。工況2為單間縫緩沖結構的最優(yōu)形式。

圖4 壓力梯度曲線

表3 數(shù)值模擬計算結果

注：無緩沖結構時，壓力梯度曲線為單峰曲線，峰值為13.7 kPa/s

1.5 間縫式雙開口緩沖結構參數(shù)研究

雙間縫緩沖結構各工況計算得到的壓力梯度曲線如圖5所示，具體計算結果如表4所示。

從計算結果可以看出，在開口距離=6 m，開口間距=12 m時：

1) 雙間縫緩沖結構的壓力梯度曲線顯示出3個波峰，首波及2個次級波波峰。

2) 隨著總開口率增大，首波壓力梯度波峰不斷降低，而次級壓力梯度峰值會有所升高。

3) 第一開口寬度為1.0 m，第二開口寬度為0.4 m時，首波和二次波波峰接近，壓力梯度降低率最高。工況5為雙間縫緩沖結構的最優(yōu)形式。

圖5 壓力梯度曲線

表4 數(shù)值模擬計算結果

1.6 間縫式開口緩沖結構與常規(guī)頂部開口型緩沖結構對比

由于間縫式開口緩沖結構環(huán)向長度遠大于縱向長度，使緩沖的長度大大減小，從而提高了緩沖結構的降低效率。下邊將間縫式開口緩沖結構與常規(guī)頂部開口型緩沖結構進行對比，常規(guī)頂部單開口和雙開口緩沖結構最優(yōu)形式如圖6和圖7所示，具體參數(shù)如表5所示。

圖6 頂部單開口緩沖結構示意圖

綜合對比間縫式單開口緩沖結構兩種最優(yōu)工況和頂部單開口緩沖結構的最優(yōu)工況，其中延米降低率=壓力梯度降低率/有效長度，具體情況如表6所示。

從上述對比可以看出：總壓力梯度降低率方面，間縫式開口緩沖結構和頂部開口緩沖結構效果相當，但延米降低率，間縫式緩沖結構優(yōu)勢明顯，間縫式開口緩沖結構降低效率更高、經(jīng)濟性更好。

圖7 頂部雙開口緩沖結構示意圖

表5 頂部開口型緩沖結構最優(yōu)工況參數(shù)表

注：其中為緩沖結構有效長度，單開口=+，雙開口=+++

表6 間縫式開口與頂部開口型緩沖結構對比

2 間縫式雙開口緩沖結構模型實驗和現(xiàn)場測試

2.1 間縫式緩沖結構模型試驗

模型實驗采用西南交通大學新建成的滑軌式高速列車氣動發(fā)射裝置。氣動壓力波發(fā)生裝置采用以壓縮空氣為動力的空氣炮，將列車模型在炮管內加速到實驗需要的速度后發(fā)射，列車模型依靠慣性在導軌上滑行通過模型隧道，模擬列車進出隧道的過程，從而實現(xiàn)車隧氣動壓力波的發(fā)生。

模型試驗中選取相似比為1/18的列車模型，列車采用輕質鋁材加工。隧道模型采用有PC(聚碳酸酯)圓管加工。模型實中列車、隧道的參數(shù)選取如表7所示。

2.2 間縫式緩沖結構現(xiàn)場測試

在滬昆客運專線實際工程中應用了間縫式雙開口緩沖結構，在聯(lián)調聯(lián)試期間對其緩沖效果進行現(xiàn)場測試，洞內壓力測點位于距隧道洞口200 m處。

表7 列車實體和模型參數(shù)表

2.3 數(shù)值計算、模型試驗、現(xiàn)場測試結果對比分析

數(shù)值計算、模型試驗和現(xiàn)場測試3種情況下，最優(yōu)形式的間縫式雙開口緩沖結構壓力梯度峰值和速度的關系如圖8所示。

圖8 雙間縫緩沖結構壓力梯度峰值對比

從圖8可以看出，現(xiàn)場測試得到的壓力梯度峰值曲線和數(shù)值計算、模型實驗的曲線基本一致?，F(xiàn)場測試的壓力梯度降低率和模型實驗非常接近，略低于數(shù)值計算得到的降低率，但相差不大，在誤差允許的范圍內。

3 結論

1) 列車經(jīng)過單間縫緩沖結構壓力梯度曲線有2個波峰，在開口距離確定的條件下，隨著開口率的增大，壓力梯度峰值曲線首波波峰不斷下降，二次波波峰不斷上升。通過分析，確定出優(yōu)選開口參數(shù)，壓力梯度降低率達到30%以上。

2) 列車經(jīng)過雙間縫緩沖結構壓力梯度曲線有3個波峰，隨著總開口率增大，首波壓力梯度波峰不斷降低，而次級壓力梯度峰值會有所升高。通過分析，確定出優(yōu)選開口參數(shù)，壓力梯度降低率達到45%以上。

3) 與常規(guī)的頂部開口型緩沖結構相比，間縫式緩沖結構延米降低率的優(yōu)勢明顯，說明間縫式緩沖結構降低效率更高、經(jīng)濟性更好。

4) 通過模型試驗和現(xiàn)場測試，對數(shù)值計算結果進行了印證。該新型緩沖結構形式已經(jīng)應用于工程實際，由于其簡便的設計形式，將有很廣闊的應用前景。

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Seam opening tunnel buffer structure aerodynamic characteristic research

WANG Yingxue, CHANG Qiaolei, REN Wenqiang, ZHANG Luoxun

(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Using CFD numeral simulation software，the efficiency of new type of tunnel hood, seam opening buffer structure, relieving train-tunnel aerodynamic effect was analyzed in 3-dimension model. The best structure parameter of single and double seam opening tunnel buffer structure was obtained. The calculation results were compared with experiment and field test results. The research results showed that comparing with other kind of hood structures, seam opening buffer structure has higher reduction efficiency of relief pressure gradient and better economy. It is proposed that both total reduction and reduction efficiency should be considered when selecting the form of the buffer structure.

tunnel; buffer structure; seam; pressure gradient; relief efficiency

U451.3

A

1672 ? 7029(2018)01 ? 0017 ? 07

2016?12?01

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)資助項目(2011AA11A103-3-3-2)

王英學(1972?)，男，吉林東遼人，教授，從事隧道施工力學和車隧空氣動力學研究；E?mail：wangyingxue@swjtu.edu.cn