加蓋敞車隧道口交會的空氣動力學(xué)特性數(shù)值仿真

王東屏 李彤 程偉 滕明濤

摘 ?要：敞車由于其拖車較多，容易在隧道口發(fā)生交會，而在隧道口處存在壓縮波、膨脹波和交會壓力波的混合影響，因此會產(chǎn)生安全隱患。采用三維、非定常、可壓縮N-S方程以及兩方程湍流模型對兩輛速度為100km/h的加蓋敞車在隧道口交會流場進行數(shù)值仿真。計算結(jié)果表明，比較單車運行至隧道口與隧道口交會兩種工況，交會面壓力相差較大，入隧道車相差1000Pa左右，出隧道車相差300Pa左右，單車隧道口運行工況下車體壓力分布均勻，隧道口交會工況下壓力分布較集中，高壓集中在交會處，對于出隧道車車體壓力影響大于入隧道車。在隧道空間內(nèi)，入隧道車側(cè)隧道內(nèi)壁的壓力大于出隧道車側(cè)，且隨著交會過程的進行壓力向后傳播。入隧道車阻力系數(shù)始終高于出隧道車，橫力系數(shù)和升力系數(shù)兩車相差較小。

關(guān)鍵詞：隧道口交會 ?帶蓋敞車 ?數(shù)值仿真 ?交會面壓力

中圖分類號：U272.2 ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（a）-0062-06

Abstract： Because open wagon has many trailers， it's easy to cross on tunnel face， it mixes pressure wave， expansion wave and crossing pressure wave in tunnel face， it will lead to potential safety hazard. Two open wagons crossing on tunnel face is analyzed by using the three-dimensional， unsteady， compressible N-S equation and ?turbulence model. The result shows comparing single open wagon passing tunnel face with crossing on tunnel face， crossing surface pressure difference is big. For the entering one， the pressure difference is approximately 1000Pa， for the exiting one， the pressure difference is approximately 300Pa. The single open wagon's body pressure distribution passing tunnel face is equally， the crossing on tunnel face pressure distribution is concentrated， and it focus on the crossing par， the influence of exiting open wagon's body pressure is bigger than entering one's. For the tunnel inside wall pressure， entering side is bigger than exiting side， with crossing process， pressure spread to tunnel behind. Drag coefficient of entering one is higher than exiting one's all the time， the lateral force coefficient and lift coefficient of two open wagons'difference is small.

Key Words： Crossing on tunnel face; Open wagon with cover; Numerical simulation; Crossing face pressure

敞車主要用于供運煤炭、礦石、建材物資、木材和鋼材等大宗貨物，敞車具有很大的通用性，在貨車組成中數(shù)量最多，約占貨車總數(shù)59%左右[1]。為了提高國家經(jīng)濟發(fā)展建設(shè)，煤炭等資源必不可缺，但資源分布并不集中，需要敞車來進行資源的運輸，當(dāng)敞車運送煤炭時，由于長度較長易在隧道口處發(fā)生交會，列車在隧道口時會產(chǎn)生壓縮波和膨脹波，且兩車交會產(chǎn)生交會壓力波，因此在隧道口處交會的情況較為復(fù)雜，導(dǎo)致敞車安全性降低，為了防止在敞車運行過程中煤炭顆粒飄落對周圍環(huán)境造成污染，研究在敞車上端加裝頂蓋。

隨著計算流體動力學(xué)的發(fā)展，CFD技術(shù)已成為流體方面研究的重要方法，數(shù)值分析方法也漸漸成為解決很多流體方面難題的手段。王瑞麗等[2]對高速列車進入隧道內(nèi)產(chǎn)生進口波進行了數(shù)值模擬研究。許建林等[3]對高速列車在隧道內(nèi)交會所產(chǎn)生的壓力波進行了數(shù)值研究。郗艷紅等[4]對高速列車明線交會壓力波波幅進行了研究。馬偉斌等[5]對高速鐵路隧道洞口的微氣壓波的影響因素進行了研究。何德華等[6]對空氣動力學(xué)臨界隧道交會進行了仿真研究。張志彬等[7]對C_（80E（H、F））型敞車的研制進行了介紹。目前國內(nèi)外對于高速列車的空氣動力學(xué)方面研究較多，高速列車因節(jié)數(shù)較少，主要研究其在隧道內(nèi)和明線運行的工況，在隧道口交會的幾率較低，因此對高速列車隧道口交會研究較少，敞車由于拖車較多，長度較長，容易在隧道口處發(fā)生交會，因此對敞車在隧道口交會的空氣動力學(xué)問題的研究是很有必要的。

1 ?計算模型

1.1 算法原理

該文應(yīng)用計算流體動力學(xué)軟件Fluent，基于三維、非定常、可壓縮N-S方程以及兩方程湍流模型，對速度為100km/h的兩輛帶蓋敞車隧道口交會運行的工況進行空氣動力學(xué)性能進行研究分析。數(shù)值方法釆用有限體積法，對流項采用二階迎風(fēng)格式，粘性項采用二階中心差分格式。

1.2 模型建立

該文以加頂蓋裝置的某型敞車為模型，首先創(chuàng)建以電力機車牽引機后3輛拖車在隧道口交會的計算模型，并對模型進行簡化，去除轉(zhuǎn)向架等復(fù)雜部件，盡可能體現(xiàn)出其外輪廓，車體表面盡量圓滑，以達到提升網(wǎng)格質(zhì)量的目的。簡化后的模型如圖1所示。

1.3 監(jiān)測點設(shè)定

為了準(zhǔn)確分析隧道口交會的壓力變化，在隧道壁面和頭車前端設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測點分布如圖2所示，其中監(jiān)測點1、2分別位于兩敞車頭車交會面上，位置相同，距鼻尖1000mm，距地面1850mm。監(jiān)測點3、4對稱分布在隧道內(nèi)壁兩側(cè)，距隧道前表面675mm，距地面1610mm。

1.4 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

通過計算比較，兩車明線運行流場設(shè)為矩形流場，初始兩車位置相距505.4m，由于兩車需在隧道口交會，因此兩車初始位置并不對稱，且一側(cè)外流場需設(shè)置比另一側(cè)外流場更長，左側(cè)明線流場的長寬高分別設(shè)為381m、65m和31m，右側(cè)明線流場的長寬高分別設(shè)為281m、65m和31m，高度方向距車頂27m，下方軌面高度距車頂4m，隧道長度由列車壓力波傳播規(guī)律確定，由于貨運列車進入所產(chǎn)生的壓力波會沿隧道以近聲速傳播并震蕩，隧道長度過長將使震蕩波在隧道中過多衰減，而過短的隧道長度將導(dǎo)致壓力波不能完全作用在列車表面[8]，綜合列車長度和速度，最終確定隧道長度為200m，計算區(qū)域如圖2。該文采用動網(wǎng)格方式，應(yīng)用Hypermesh劃分網(wǎng)格，列車表面及其周圍小部分區(qū)域劃分三角形和四邊體網(wǎng)格，流場空間采用六面體網(wǎng)格，初始網(wǎng)格單元約為1720萬。

2 ?計算結(jié)果分析

2.1 單列敞車隧道口運行仿真

為了與隧道口交會進行對比，首先對單列敞車在隧道口運行工況進行數(shù)值仿真，圖3為單列敞車出入隧道口瞬間的車體壓力分布云圖。

如圖3所示，敞車進入隧道瞬間，由于存在壓縮波的影響，導(dǎo)致車體壓力升高，頭車前面中心區(qū)域壓力達到1614.72Pa，其他區(qū)域壓力為1361.77Pa，整車內(nèi)側(cè)面壓力隨著與隧道口距離的增加而降低，頭車內(nèi)側(cè)面前端壓力較高達到1024.50Pa，中部區(qū)域壓力值為855.87Pa，尾端壓力為687.23Pa。敞車出隧道瞬間，因壓縮波和膨脹波同時作用于車體，導(dǎo)致車體壓力小于入隧道瞬間，頭車前面主要區(qū)域壓力值達到770.36Pa，車體內(nèi)側(cè)面壓力較低，頭車內(nèi)側(cè)面大部分區(qū)域壓力為301.40Pa，尾端壓力為145.07Pa，兩種工況下車體壓力都分布均勻。

2.2 兩列敞車隧道口交會氣動特性分析

入隧道敞車在隧道口處存在壓縮波影響，出隧道敞車在隧道口處存在壓縮波和膨脹波混合影響，且兩車交會產(chǎn)生交會壓力波，因此在隧道口處交會情況較復(fù)雜，會對敞車的運行安全性產(chǎn)生影響。該文中兩敞車整個運行過程持續(xù)18s，交會過程從9.1s開始11.6s結(jié)束，交會過程持續(xù)2.5s。

2.2.1 頭車與頭車交會

兩列帶蓋敞車運行至9.1s時，在隧道口處敞車頭部進入交會時刻，入隧道車以及出隧道車受壓縮波、膨脹波和兩車交會產(chǎn)生的交會壓力波的混合影響，情況較為復(fù)雜，兩車車體壓力分布如圖4所示。

從圖4可以看出，入隧道車前面壓力較高達到1027.20Pa，且分布均勻，頭車車體壓力較低并出現(xiàn)負壓，交會面壓力分布范圍為-78.81～51.31Pa，出隧道車車體壓力均為正壓，頭車前面壓力呈現(xiàn)梯度變化，在交會處壓力最高為441.67Pa，整個車體壓力較高且交會面壓力隨著與隧道口距離的增加而降低，交會面壓力最高值位于交會處為571.79Pa，頭車交會面前端區(qū)域壓力為441.67Pa，后端區(qū)域壓力為311.55Pa。

與單車在隧道口處運行相比，增加了交會壓力波的影響，入隧道車體壓力相差較大，最高相差1000Pa，車體正面壓力由于壓縮波的影響基本相同，對于出隧道車體，由于在隧道內(nèi)受到壓縮波和膨脹波，情況較復(fù)雜，增加了交會壓力波的影響，車體壓力增加了300Pa左右。

通過對兩輛頭車相同位置設(shè)立的監(jiān)測點1、2進行壓力統(tǒng)計，得出監(jiān)測點1、2隨著敞車運行的壓力變化圖，如圖5所示。

由監(jiān)測點1、2壓力變化圖可知，在9.1s時當(dāng)兩車在隧道口處開始交會時，監(jiān)測點的壓力瞬間增高，由于受到隧道口和相對車的影響，產(chǎn)生多種波的混合作用，入隧道車因受到出隧道車產(chǎn)生的影響，敞車車體基本呈現(xiàn)負壓，出隧道車由于受到壓縮波等影響，因此敞車車體呈現(xiàn)正壓，且隨著兩車交會的進行，入隧道車的壓力變化幅度較小，出隧道車壓力變化幅度較大。此時兩車氣動系數(shù)如表1所示。

在明線交會時，由于兩車速度、形狀以及尺寸相同，所以兩車氣動系數(shù)應(yīng)相同，但通過對隧道口交會進行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)在隧道口交會時兩車氣動系數(shù)并不相同，尤其阻力系數(shù)相差較大，入隧道頭車阻力系數(shù)為2.29，出隧道頭車為0.692，說明隧道口交會對入隧道車阻力較大，橫力系數(shù)與升力系數(shù)相差較小。

2.2.2 頭車與拖車交會

敞車運行至9.7s，頭車開始與拖車交會。拖車一與頭車開始交會瞬間，入隧道拖車一交會處最高壓力達到402.97Pa，隨著與交會處距離的增加壓力逐漸降低，與其交會的出隧道頭車前面最高壓力達到614.11Pa，出隧道拖車一在交會處最高壓力達到614.11Pa，且由于在隧道內(nèi)發(fā)生交會，遂整個交會面壓力較高，亦隨著與交會處距離的增加壓力逐漸降低，與其交會的入隧道頭車前面最高壓力達到772.47Pa。兩車車體壓力分布如圖6所示。

隨著敞車運行至9.9s，頭車與拖車2開始交會，入隧道拖車2交會處最高壓力達到227.06Pa，交會面壓力相對較低，主要區(qū)域壓力為220.88Pa，與其交會的出隧道頭車前面壓力最高為782.60Pa，出隧道拖車2交會面壓力相對較高，最高壓力達到501.74Pa，主要區(qū)域壓力為389.40Pa，與其交會的入隧道頭車鼻前面壓力最高值達到614.09Pa，且兩拖車交會面均滿足與交會處距離的增加壓力減小。兩車車體壓力分布如圖7所示。

當(dāng)敞車運行至10.1s時，頭車與拖車3開始交會，由于距隧道口距離較遠，因此交會面壓力較低且變化較小，入隧道拖車3在交會處最高壓力為195.39Pa，交會面主要區(qū)域壓力較低為31.92Pa，與其交會的出隧道頭車前面壓力最高值為1094.46Pa，出隧道拖車3交會處最高壓力達到358.86Pa，除交會處壓力較高外，其余處壓力為195.39Pa且分布較均勻，與其交會的入隧道頭車前面最高值為685.79Pa。兩車車體壓力分布如圖8所示。

通過對3節(jié)拖車的交會過程進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)3節(jié)拖車與頭車交會距隧道口皆有一定距離，且隨著與隧道口距離的增加，車體壓力逐漸降低，隧道口交會所產(chǎn)生的影響也逐漸降低，但出隧道拖車的交會面壓力始終高于入隧道拖車的交會面壓力，且交會面壓力變化幅度也是出隧道車較為明顯。頭車與拖車交會瞬間兩車氣動系數(shù)如表2所示。

由表2可知，就整個車體而言，入隧道車體阻力系數(shù)皆大于出隧道車，說明入隧道車受到阻力較高，橫力系數(shù)和升力系數(shù)因計算面積較大，所以數(shù)值較小，遂相差較小。

2.2.3 隧道壁面壓力分析

為了更深入地研究隧道口交會所產(chǎn)生的壓力波動問題，將兩頭車交會時的隧道壁面壓力變化進行分析，其壓力分布云圖如圖9所示。

如圖9所示，當(dāng)兩車在9.0s時還未交會，兩側(cè)壁面壓力基本相同，且壓力較低，在9.1s時兩頭車交會瞬間，靠近入隧道車的壁面壓力較高。在9.2s、9.3s進入交過過程中，壓力逐漸向后推移，但入隧道側(cè)壁面壓力始終高于出隧道側(cè)。圖10為壁面監(jiān)測點3、4的壓力變化圖。

如圖10所示，在9.1s兩車交會瞬間監(jiān)測點壓力發(fā)生突變，入隧道車側(cè)的監(jiān)測點壓力由于壓縮波和交會波導(dǎo)致壓力突增，出隧道口側(cè)的監(jiān)測點由于受膨脹波、壓縮波以及交會波這3種波的影響導(dǎo)致壓力突降，兩側(cè)壓力差為780.72Pa左右，當(dāng)兩車駛過監(jiān)測點后，壓力逐漸趨于平穩(wěn)，壓力向隧道后方傳播。

3 ?結(jié)論

通過對兩輛在隧道口以100km/h速度交會的敞車進行流場仿真分析，得出以下結(jié)論。

（1）與單車在隧道口處運行相比，在入隧道瞬間，隧道內(nèi)單車運行頭車交會面壓力與隧道口交會頭車交會面壓力相差1000Pa左右，在出隧道瞬間，隧道內(nèi)單車運行頭車交會面壓力與隧道口交會頭車交會面壓力相差300Pa左右，隧道內(nèi)單車運行車體表面壓力分布較均勻，隧道口交會車體表面壓力在交會處產(chǎn)生突增，且隨著與交會處距離的增加壓力逐漸降低。

（2）在整個運行過程中，入隧道頭車交會面壓力相差最大值為634.13Pa，出隧道頭車交會面壓力相差最大值為1193.74Pa，當(dāng)距離隧道口較近時兩車壓力變化幅度較大，距離隧道口較遠時變化幅度較小，但相比出入兩車監(jiān)測點壓力變化，發(fā)現(xiàn)入隧道車交會面壓力變化幅度較小，出隧道車交會面壓力變化幅度較大，說明隧道口交會對出隧道車的影響較大。

（3）隧道口交會過程中，入隧道側(cè)的隧道內(nèi)壁壓力波動較高，出隧道側(cè)的隧道內(nèi)壁壓力波動較低，兩車在隧道口處交會時左右兩內(nèi)壁最大相差780.72Pa，且壓力在隧道內(nèi)也隨著交會的進行而向后傳播。

（4）在整個交會過程中，入隧道阻力系數(shù)始終大于出隧道車，說明隧道口交會對于入隧道車的阻力較大，兩車橫力系數(shù)和升力系數(shù)相差較小。

參考文獻

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