不同運行方式對高速地鐵氣動效應的影響

冉騰飛，梁習鋒，熊小慧

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不同運行方式對高速地鐵氣動效應的影響

冉騰飛1, 2, 3，梁習鋒1, 2, 3，熊小慧1, 2, 3

(1. 中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075；2. 中南大學 軌道交通安全關鍵技術國際合作聯(lián)合實驗室，湖南 長沙 410075； 3. 中南大學 軌道交通列車安全保障技術國家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南 長沙 410075)

為了研究時速140 km/h高速地鐵列車以不同運行方式在隧道中運行時的氣動效應，采用三維、可壓、非定常N-S方程的數(shù)值計算方法，對地鐵列車由明線駛入隧道及站間運行時產(chǎn)生的氣動效應進行數(shù)值模擬，分析不同運行方式對高速地鐵隧道氣動效應的影響。研究結果表明：列車站間運行時，車體表面測點壓力峰峰值沿車長方向基本不變；而列車由明線駛入隧道時，車體表面測點壓力峰峰值從頭車向尾車逐漸降低。2種運行方式下的隧道壁面測點壓力峰峰值均在中間風井處達到最小值。并且列車由明線駛入隧道時的最大車體表面和隧道壁面壓力峰峰值分別為列車站間運行時的1.37倍與1.49倍。不同列車密封指數(shù)下，列車由明線駛入隧道時的車內(nèi)壓力變化均大于列車站間運行時的車內(nèi)壓力變化。因此，地鐵列車由明線駛入隧道時的空氣動力學效應比站間運行時更加不利。

高速地鐵；運行方式；氣動效應；站間運行；中間風井；壓力波；數(shù)值模擬；密封指數(shù)

地鐵隧道的運行環(huán)境十分復雜，在運行過程中，地鐵列車需要不斷地在車站間啟動加速與制動停車，并多次駛入與駛出隧道，以便在地下線路與高架線路間轉換。列車運行速度的改變會引起隧道內(nèi)壓力變化，隧道入口及中間風井處隧道截面的突變會引起隧道內(nèi)壓力劇烈波動。由于隧道內(nèi)壓力波動幅值和列車運行速度的平方近似成正比[1]，因此列車運行速度的提高也會引起隧道內(nèi)壓力劇烈變化。當劇烈的壓力波動傳入車內(nèi)時，會引起乘客耳膜壓痛，甚至嘔吐，產(chǎn)生乘坐舒適性等問題[2]。因此有必要研究高速地鐵列車以不同方式在隧道中運行時的氣動效應。本文依托于下一代高速地鐵項目的研究，分別對時速140 km/h的下一代高速地鐵列車由明線駛入隧道與站間運行時引起的空氣動力學效應進行研究。數(shù)值計算和試驗是國內(nèi)外學者研究地鐵隧道空氣動力學問題的主要手段。試驗主要分為實車試驗和模型試驗2類，模型試驗分為風洞試驗、水槽試驗和動模型試驗等。但是，由于試驗具有經(jīng)濟成本高、操作不便、容易受客觀環(huán)境影響等特點，大部分研究人員采用數(shù)值計算的方法研究地鐵隧道空氣動力學。王秀珍[3]采用三維數(shù)值模擬方法，研究了車速、隧道截面形狀和隧道長度等因素對地鐵列車氣動效應的影響，沒有考慮列車站間運行方式對隧道內(nèi)壓力的影響，也沒有考慮地鐵隧道結構的復雜性和特殊性。祝嵐等[4]等利用三維、可壓縮和非定常的湍流模型，對S型地鐵列車勻速進、出隧道以及在隧道中加減速行駛進行數(shù)值計算。車輪飛[5]利用動網(wǎng)格和三維數(shù)值模擬方法計算地鐵列車通過中間風井時的隧道內(nèi)壓力波動，但是列車最大運行速度為100 km/h，且未考慮列車由明線駛入隧道及加減速的情況。劉伊江[6]計算地鐵列車在車站間勻速運行時的隧道內(nèi)風壓，未充分考慮中間風井所引起的氣動效應，也沒有考慮列車由明線駛入隧道的情況。NIU等[7]計算地鐵列車在隧道中的站間運行，卻忽略了中間風井對隧道內(nèi)氣動效應的影響。本文借鑒國內(nèi)外學者對高速鐵路隧道空氣動力學的研究方法及理論，結合地鐵隧道結構的復雜性和特殊性，對高速地鐵隧道空氣動力學進行研究。利用ICEM CFD對地鐵列車與隧道進行結構網(wǎng)格劃分，采用可壓、非定常N-S方程及?湍流方程的數(shù)值模擬方法及滑移網(wǎng)格技術，對時速140 km/h高速地鐵列車以不同方式在隧道中運行時的空氣動力學效應進行數(shù)值計算，得到隧道內(nèi)和車內(nèi)的壓力變化情況，研究不同運行方式對高速地鐵氣動效應的影響，并判斷哪種運行方式引起的空氣動力學效應更不利。

1 運行區(qū)間的確定

地鐵列車站間運行的速度圖如圖1(a)所示，運行過程分為起動加速、惰性運行和制動停車3個階段[8]。為確保數(shù)值模擬計算簡單、有效，可以將列車的站間運行過程看成勻加速運行、勻速運行和勻減速運行[7]，如圖1(b)所示。其中啟動加速、勻速運行和制動減速的加速度分別為1=1 m/s2，2=0 m/s2，3=?1 m/s2。

(a) 站間運行速度圖；(b) 站間運行簡化速度圖

為了對比分析地鐵列車站間運行與勻速駛入隧道過程中的氣動效應，地鐵列車經(jīng)過中間風井時需保持勻速運行(即惰性運行)。因此，可以將地鐵列車的運行區(qū)間設置為最短運行區(qū)間的基礎上適當增加列車惰性運行區(qū)間，具體分析如下。

當?shù)罔F列車的惰性運行時間為0時，可以計算得到列車站間運行的最短運行區(qū)間長度為：

其中：1=1 m/s2，2=?1 m/s2，v=140 km/h=38.89 m/s，1=2=38.89 s，3=77.78 s。

在最短運行區(qū)間的基礎上，適當增加12.54 s的惰性運行時間，可以計算得到地鐵隧道的運行區(qū)間長度為：

其中：1=1 m/s2，2=?1 m/s2，v=140 km/h=38.89 m/s，1=38.89 s，2=51.43 s，3=90.32 s。

2 計算條件

采用滑移網(wǎng)格法模擬地鐵列車在隧道中的運行，計算區(qū)域如圖2所示。中間風井是在隧道中部預留的通道，主要用于通風、防水，危急時刻也可用于排煙、逃生與消防。為滿足地鐵隧道環(huán)境的通風換氣、環(huán)控和消防方面的要求，在地鐵隧道的普通長區(qū)間(大于等于1.8 km)中均需設置中間風井。本文中，列車在隧道中運行的區(qū)間長度為2 km，在普通長區(qū)間范圍內(nèi)。因此需要在隧道運行區(qū)間的中間位置設置矩形截面的中間風井[4]，其中，風井壁面的尺寸為4 m×4 m×15 m，風井出口域的尺寸為50 m×50 m×15 m。

為了真實模擬地鐵列車駛入隧道洞口的情況，保證列車周圍流場充分發(fā)展[9]，設置車頭距離隧道入口50 m，車尾距離流域入口處150 m。

單位：m

地鐵隧道長度很大，隧道網(wǎng)絡復雜[6]，因此，對地鐵隧道環(huán)境進行了簡化。為了模擬地鐵長大的隧道環(huán)境，避免出口邊界受尾流的影響[9]，在地鐵隧道2 km運行區(qū)間的基礎上添加1 km長的隧道，如圖2所示；同時，為了讓隧道出口(列車站間運行時為隧道入口和隧道出口)免受反射波帶來的影響，將其設為壓力遠場P-far[7]。

給定列車運動邊界條件：方向速度分量等于列車運行速度=140 km/h，和方向速度分量等于0。流域側面、頂面給定為對稱面symmetry，流域的底面、風井壁面、隧道壁面及地面均給定無滑移邊界條件wall。同時，為了使流場得到充分發(fā)展，將進口邊界條件設為in=0，將風井出口邊界條件設為out=0。

數(shù)值計算采用的6車編組A型地鐵列車如圖3所示。圖中，對地鐵列車的外形進行了簡化，忽略轉向架、受電弓的影響[11?12]。其中，列車高=3.8 m，寬=3 m，整車長tr=139.5 m，列車橫截面面積v=9.785 m2。地鐵列車表面共布置10個測點，測點布置情況如圖4所示，其中頭尾車測點對稱布置。

單位：m

數(shù)值計算采用的隧道凈空斷面如圖4所示。圖中，數(shù)值計算采用隧道的盾構直徑為6 m，對應的凈空斷面面積A為26 m2，對應的阻塞比(即列車橫截面積與隧道凈空斷面面積之比)為0.376。

隧道壁面壓力測點布置在距離地面3.94 m的隧道壁面上，并在中間風井兩側對稱布置，共有22個測點，其分布情況如圖4所示。

在CFD計算中，計算網(wǎng)格質量的好壞會直接影響數(shù)值計算結果的效率與精度[13]，因此，對隧道中的流體區(qū)域進行結構網(wǎng)格劃分：采用外C網(wǎng)格與O網(wǎng)格將列車壁面、隧道壁面和相應的BLOCK的surface進行映射，建立無厚度壁面；中間風井與隧道連接處的結構類似于T型管，可以劃分為三通網(wǎng)格，部分網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 計算網(wǎng)格分布示意圖

3 數(shù)值算法驗證

為驗證數(shù)值計算結果的正確性與可信度，利用中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室自主研制1:20縮比的動模型試驗裝置，對時速100 km/h的地鐵列車勻速通過盾構直徑為6 m，長度為1 km隧道時的場景進行動模型試驗，并進行相同工況的數(shù)值計算驗證。其中，動模型試驗裝置的列車和隧道模型如圖6所示，數(shù)值計算方法為可壓、非定常N-S方程與?湍流方程。

圖6 動模型試驗模型

動模型試驗中的測點布置示意圖如圖7所示。其中，隧道壁面上共布置6個測點，車體表面上共布置6個測點。

單位：m

數(shù)值計算與動模型試驗中的車體表面2號測點和隧道壁面3號測點的壓力對比波形如圖8所示；相應的測點壓力變化的結果對比如表1所示。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)值計算所得測點壓力的最大值、最小值和峰峰值與動模型試驗結果中最大值、最小值和峰峰值的最大差異為5.9%，在數(shù)值計算誤差容許范圍內(nèi)，從而驗證了本文數(shù)值計算方法的正確性與可信度。

(a) 車體表面2號測點；(b) 隧道壁面3號測點

表1 壓力變化結果對比

4 列車在隧道中運行時氣動效應研究

分別對地鐵列車站間運行和由明線駛入隧道時的隧道內(nèi)和車內(nèi)氣動效應進行對比分析，研究不同運行方式對高速地鐵氣動效應的影響。

圖9和圖10分別為列車站間運行和由明線駛入隧道時，不同時刻隧道內(nèi)的壓力分布云圖，其中列車的運行區(qū)間均為2 km。

(a) t =2.1 s；(b) t =44.1 s；(c) t =48.3 s；(d) t =58.8 s

從圖9可以看出，=2.1 s時，列車啟動加速時隧道內(nèi)壓力變化范圍很小，中間風井處壓力基本無變化。=44.1 s時，列車勻速運行至中間風井前側，列車速度的提高使隧道內(nèi)壓力變化范圍明顯增大，其中尾車的車頭與車身過渡處負壓值達到?1.7 kPa；中間風井處斷面突變，導致附近的壓力均在0.4 kPa以下。=48.3 s時，列車勻速通過中間風井，頭車經(jīng)過中間風井時會產(chǎn)生壓縮波，使隧道內(nèi)壓力增大，其中頭車的鼻尖以及相應的隧道壁面正壓值均達到2.5 kPa；中間風井斷面突變，導致附近的負壓至迅速減小至0.4 kPa以下；而尾車通過中間風井后會形成膨脹波，使隧道內(nèi)壓力下降。=58.8 s時，列車減速制動，列車速度的降低導致隧道內(nèi)壓力變化范圍變小，中間風井處受列車運動的影響很小，壓力基本無變化。

(a) t =4.4 s；(b) t =26.4 s；(c) t =35.2 s；(d) t =58.8 s

從圖10可以看出，=4.4 s時，列車頭部駛入隧道，頭車會形成初始壓縮波，使隧道內(nèi)壓力驟增。=26.4 s時，列車在到達中間風井前，由于中間風井斷面突變的影響，車體表面和隧道壁面的壓力變小，均在0.55 kPa以下。在=35.2 s，列車已經(jīng)通過中間風井，在頭車通過中間風井時會產(chǎn)生壓縮波，其以聲速在隧道內(nèi)傳播；在尾車通過中間風井后，列車尾部產(chǎn)生膨脹波，壓力下降。=58.8 s時，列車繼續(xù)在隧道中傳播，車體表面壓力變化范圍減小，并且頭車及隧道壁面的正壓值急劇降低。

4.1 車體表面壓力對比

當列車由明線駛入隧道時，由于壓力遠場的設置，隧道出口沒有反射波返回，壓力波在隧道入口和中間風井之間不斷反射。而列車站間運行時，隧道入口和隧道出口均沒有反射波返回，壓力波只能在中間風井處反射。

本節(jié)選取車體表面2號測點，分析以不同運行方式對車體表面測點壓力變化的影響，結果如圖11所示。

從圖11可以看出，不同運行方式對車體表面測點壓力變化的影響很大：在列車勻速駛入隧道的過程中，測點壓力的第1次上升①是由于列車頭部由明線駛入隧道時產(chǎn)生的初始壓縮波傳播到車體表面測點引起的。測點壓力的第1次下降②是由于列車尾部駛入隧道時，產(chǎn)生的初始膨脹波傳播到車體表面測點引起的。測點壓力波的第2次下降③是因為初始壓縮波在傳播時遇到中間風井時，一部分壓縮波以膨脹波的形式向隧道入口返回時傳播到車體表面測點引起的。這之后，隧道內(nèi)的壓縮波與膨脹波在隧道入口與中間風井之間不斷地反射，這些反射回來的壓力波傳播到車體表面測點，導致測點壓力不斷變化。列車經(jīng)過中間風井④時，車體表面測點壓力劇烈變化：頭車經(jīng)過中間風井時產(chǎn)生壓縮波，導致測點壓力迅速增大；列車經(jīng)過中間風井過程中，中間風井處氣流紊亂，導致車體表面壓力劇烈變化；尾車經(jīng)過中間風井時產(chǎn)生膨脹波，導致車體表面測點壓力迅速下降。這之后車體表面測點壓力變化逐漸趨于穩(wěn)定。

圖11 不同運行方式下車體表面測點壓力變化曲線

列車站間運行時，在加速運行過程⑤中，車體表面測點主要在負壓區(qū)波動，并且負壓值緩慢降低，這是由于列車啟動加速過程中，所引起的壓縮波不明顯，從而削弱了測點在正壓區(qū)的波動；列車在時刻⑥開始勻速運行，測點壓力基本不變；當列車經(jīng)過中間風井⑦時，車體表面壓力會迅速增大，并劇烈變化；列車通過中間風井后，測點壓力迅速減小至0附近，并保持穩(wěn)定。從時刻⑧開始，列車在隧道內(nèi)減速運行⑨，由于地鐵隧道較長且隧道出口無反射波返回，車體表面測點壓力經(jīng)歷較小的正壓波動后逐漸趨于平緩。

不同運行方式下沿車長方向的壓力峰峰值變化規(guī)律如圖12所示。其中，距鼻尖距離為車體表面各測點距離鼻尖的水平距離與列車高度的比值，列車高度=3.8 m。從圖12可以看出，列車站間運行時，車體表面測點壓力峰峰值沿車長方向基本不變；而列車由明線駛入隧道時，車體表面測點壓力峰峰值沿車長方向從頭車向尾車呈下降趨勢；并且列車在駛入隧道時車體表面測點最大壓力峰峰值比列車站間運行時的車體表面測點壓力峰峰值大37%。因此，地鐵列車由明線駛入隧道時車體表面壓力變化超過列車站間運行時車體表面壓力變化。

圖12 不同運行方式下車體表面測點壓力峰峰值變化規(guī)律

4.2 隧道壁面壓力對比

選取距離列車啟動位置500 m處的隧道壁面測點，分析以不同運行方式對隧道壁面測點壓力變化的影響，結果如圖13所示。

從圖13可以看出，不同運行方式對隧道壁面測點壓力變化的影響很大：在列車勻速駛入隧道的過程中，測點壓力的第一次上升①，是由于列車頭部由明線駛入隧道時產(chǎn)生的初始壓縮波傳播到隧道壁面測點引起的。測點壓力第1次下降②，是引起的列車尾部駛入隧道時產(chǎn)生的膨脹波傳播到隧道壁面測點引起的。這之后，隧道內(nèi)的壓縮波與膨脹波在隧道入口與中間風井之間不斷地反射，這些反射回來的壓力波傳播到隧道壁面測點，導致測點壓力不斷變化。列車經(jīng)過隧道壁面測點③時，隧道壁面測點不斷受到列車帶來的壓縮波與膨脹波，測點壓力發(fā)生輕微抖動。列車經(jīng)過風井④時，隧道壁面測點壓力劇烈變化，這之后壓力變化逐漸趨于 平緩。

圖13 不同運行方式下隧道壁面測點壓力變化曲線

列車站間運行時，在加速運行過程⑤中，測點在正壓區(qū)產(chǎn)生微小波動，這是由于列車在車站啟動加速時，產(chǎn)生的壓縮波傳播到隧道壁面測點引起的；在列車經(jīng)過隧道壁面測點⑥時，隧道壁面測點壓力會發(fā)生輕微抖動；在列車在⑦處開始勻速運行，測點壓力基本不變化；列車經(jīng)過中間風井⑧時，隧道壁面壓力迅速增大，并發(fā)生劇烈變化，在列車通過中間風井后，測點壓力又迅速減小至0值附近，并保持穩(wěn)定。從時刻⑨開始，列車在隧道內(nèi)減速運行⑩，由于地鐵隧道較長且出口處無反射波，列車減速過程中無膨脹波反射回來，隧道測點壓力經(jīng)歷較小的負壓波動后逐漸趨于平緩。

從圖14可以看出，列車以不同運行方式在隧道中運行時，受中間風井處斷面突變的影響，隧道壁面測點壓力峰峰值在中間風井附近達到最小值，最小值為1.47 kPa左右。列車由明線駛入隧道時，壓力峰峰值在距離隧道入口500 m和1 500 m附近達到最大值，為4.83 kPa。列車站間運行時，在距離列車啟動位置840 m和1 160 m附近達到最大值，為3.23 kPa。并且列車駛入隧道時的最大壓力峰峰值比站間運行時的最大壓力峰峰值大49%。因此，地鐵列車由明線駛入隧道時隧道壁面壓力變化超過列車站間運行時隧道壁面壓力變化。

圖14 不同運行方式下隧道壁面測點壓力峰峰值變化規(guī)律

4.3 更不利地鐵列車運行方式的選擇

車內(nèi)壓力變化是衡量乘客乘坐舒適性的重要指標之一，也是判斷空氣動力學效應的重要標準。車內(nèi)壓力變化可以由車外壓力變化通過相應的迭代公式計算得到。

假定車內(nèi)壓力變化率與車內(nèi)外壓差成正比：

其中：p為車內(nèi)部壓力；p為車外部壓力；為列車密封指數(shù)。

式(1)可以等效成

其中：Δ為數(shù)值計算過程中的時間步長。

在初始時刻=0 s時，p0=0，式(2)可以等效成

式(3)即為車內(nèi)壓力變化的迭代公式。

當?shù)罔F列車的密封指數(shù)分別為=0.5 s，=0.7 s，=1.5 s時，將列車以不同運行方式運行時測得的車體表面2號測點對應的車內(nèi)測點壓力變化率和3 s壓力變化幅值(即任意3 s內(nèi)壓力變化峰峰值)進行對比分析，結果如圖15所示。

從圖15可以看出，地鐵列車以不同方式在隧道中運行時，車內(nèi)壓力變化差距很大。不同密封指數(shù)的地鐵列車以不同運行方式在隧道中運行時，車內(nèi)最大壓力變化率和3 s壓力變化幅值均沿車長方向從頭車向尾車逐漸減小。當密封指數(shù)分別為=0.5 s，=0.7 s，=1.5 s時，地鐵列車由明線駛入隧道時的車內(nèi)最大壓力變化率分別是列車站間運行時車內(nèi)壓力變化率的1.14倍，1.10倍和1.15倍；3 s壓力變化幅值分別是列車站間運行時的1.37倍，1.29倍和1.11倍。因此，地鐵列車由明線駛入隧道時車內(nèi)壓力變化超過列車站間運行時車內(nèi)壓力變化。

綜上所述，地鐵列車由明線駛入隧道時的空氣動力學效應比站間運行時更不利。

(a1), (a2) τ=0.5 s；(b1), (b2) τ=0.7 s；(c1), (c2) τ=1.5 s

5 結論

1) 列車站間運行時，車體表面壓力峰峰值沿車長方向基本不變；列車由明線駛入隧道時，車體表面壓力峰峰值從頭車向尾車逐漸降低。

2) 不同運行方式下，隧道壁面測點壓力峰峰值均在中間風井處達到最小值。

3) 列車由明線駛入隧道時的隧道內(nèi)壓力峰峰值和車內(nèi)壓力變化均超過列車站間運行時的隧道內(nèi)壓力峰峰值和車內(nèi)壓力變化。

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Influence of different operation modes on the aerodynamic effect of high-speed subway

RAN Tengfei1, 2, 3, LIANG Xifeng1, 2, 3, XIONG Xiaohui1, 2, 3

(1.Key Laboratory of Traffic Safety on Track (Central South University), Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. Joint International Research Laboratory of Key Technology for Rail Traffic Safety, Central South University, Changsha 410075, China; 3. National & Local Joint Engineering Research Center of Safety Technology for Rail Vehicle, Central South University, Changsha 410075, China)

To research the aerodynamic effect of high-speed trains running with different operation modes in tunnel whose speed is 140 km/h, it simulated aerodynamic problems caused by trains when they enter tunnel from open air and run between stations based on the three-dimensional, compressible and unsteady N-S equation method. The influence of aerodynamic effect with different trains’ operation modes in high-speed subway tunnel was analyzed. The results show: The peak-to-peak value of measurement points on train’s surface is constant along the direction of train length by trains entering tunnel from open air. But the peak-to-peak value of measurement points on train’s surface decreases from head carriage to rear carriage by trains running between stations. The peak-to-peak value of measurement points on tunnel wall is the minimum at the place of middle shaft by trains running with different operating modes. And the maximal peak-to-peak value on train’s surface and tunnel wall caused by trains entering tunnel from open air is respectively 1.37 times and 1.49 times compared with trains running between stations. The pressure changes inside carriages caused by trains entering tunnel from open air is larger than that caused by trains running between stations with different tightness index. As a result, the aerodynamic effect caused by trains entering tunnel from open air is worse than the aerodynamic effect caused by trains running between stations.

high-speed subway; operation modes; aerodynamic effect; running between stations; middle shaft; pressure wave; numerical simulation; tightness index

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.04.004

U270

A

1672 ? 7029(2019)04 ? 0860 ? 11

2018?04?26

國家科技支撐計劃項目(2015BAG12B01-24)

梁習鋒(1963?)，男，湖南長沙人，教授，從事列車空氣動力學研究；E?mail：gszxlxf@163.com

(編輯 陽麗霞)