線間距對(duì)400 km/h高速列車(chē)隧道交會(huì)氣動(dòng)性能的影響

張 雷 林曉龍 尹小放 楊明智 王田天

(1.中南大學(xué)， 長(zhǎng)沙 410075；2.軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410075；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

高速列車(chē)隧道交會(huì)誘發(fā)的強(qiáng)瞬態(tài)沖擊壓力不僅可傳至車(chē)內(nèi)，導(dǎo)致車(chē)內(nèi)產(chǎn)生影響乘坐舒適度的壓力變化，還易導(dǎo)致高速列車(chē)及隧道表面結(jié)構(gòu)、隧道內(nèi)附屬設(shè)施結(jié)構(gòu)的疲勞損傷問(wèn)題。當(dāng)列車(chē)交會(huì)時(shí)速提升至400 km/h時(shí)，列車(chē)表面測(cè)點(diǎn)壓力極值激增，現(xiàn)有《時(shí)速350公里中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組暫行技術(shù)條件》[1]對(duì)列車(chē)表面承載壓力限值(±6 000 Pa)的規(guī)定還能否滿(mǎn)足400 km/h列車(chē)交會(huì)氣動(dòng)安全性的需求有待探討。既有研究成果表明[2-3]，增大線間距后，列車(chē)明線交會(huì)壓力波幅值會(huì)明顯降低，但線間距變化對(duì)于400 km/h列車(chē)隧道交會(huì)氣動(dòng)性能的影響規(guī)律與明線情況是否相同或類(lèi)似也有待進(jìn)一步探討。

魏洋波等人分析了300 km/h隧道等速交會(huì)時(shí)，線間距對(duì)交會(huì)壓力波首波演化過(guò)程和幅值的影響規(guī)律；Chu C R等人[4]采用滑移網(wǎng)格技術(shù)得到了列車(chē)隧道交會(huì)壓力波幅值與列車(chē)車(chē)速、隧道內(nèi)交會(huì)位置等參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系；梅元貴、孫海福、李紅梅等人[5-7]分別采用數(shù)值模擬方法研究了高速列車(chē)和城際列車(chē)隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)性能，分析了兩種類(lèi)型列車(chē)的交會(huì)壓力波特性；付連著等人[8]提出了不同交會(huì)車(chē)速條件下合適的線間距參數(shù)；Fujii等人[9]分析了交會(huì)壓力波及氣動(dòng)力的變化規(guī)律，強(qiáng)調(diào)了小線間距條件下強(qiáng)瞬態(tài)交會(huì)壓力波對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全性的影響；Hwang等人[10]分析了線間距、阻塞比、車(chē)速、列車(chē)流線型長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)高速列車(chē)交會(huì)壓力波的影響規(guī)律。

綜上所述，既有對(duì)高速列車(chē)隧道交會(huì)空氣動(dòng)力學(xué)性能的研究主要集中在350 km/h以下工況，當(dāng)列車(chē)車(chē)速提升至400 km/h時(shí)，線間距對(duì)高速列車(chē)隧道內(nèi)交會(huì)壓力波的影響規(guī)律亟待探明。針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用數(shù)值仿真計(jì)算方法，探索了高速列車(chē)400 km/h隧道交會(huì)時(shí)，5.0 m、5.2 m和5.4 m線間距對(duì)列車(chē)和隧道壁面測(cè)點(diǎn)交會(huì)壓力波、列車(chē)氣動(dòng)力變化的影響規(guī)律。

1 數(shù)值仿真計(jì)算

本文采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱(chēng)CFD)方法模擬線間距參數(shù)對(duì)列車(chē)隧道交會(huì)氣動(dòng)特性的影響機(jī)制，利用流體力學(xué)湍流模型求解流場(chǎng)流動(dòng)方程組，描述列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)關(guān)鍵信息。列車(chē)突入隧道瞬間，受隧道空間的限制，列車(chē)前方氣流被快速壓縮，形成強(qiáng)壓縮波，尾車(chē)突入隧道后，形成強(qiáng)膨脹波，壓縮波和膨脹波在隧道內(nèi)傳播并相互干涉，形成強(qiáng)瞬態(tài)壓力變化。因此，在列車(chē)隧道交會(huì)計(jì)算工況中，必須考慮空氣介質(zhì)的可壓縮性，即采用可壓縮流的基本控制方程模擬并獲得列車(chē)隧道交會(huì)流場(chǎng)信息。

1.1 數(shù)值仿真模型

高速列車(chē)模型采用8車(chē)編組形式，長(zhǎng)210 m，車(chē)高4.0 m，寬3.15 m。研究高速列車(chē)隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)的車(chē)/隧耦合特性，需建立隧道模型，本文采用的隧道模型斷面面積為100 m2，隧道長(zhǎng)度按標(biāo)準(zhǔn)EN 14067[11]中的雙線最不利隧道長(zhǎng)度公式計(jì)算得出：

(1)

式中：Ltr——?jiǎng)榆?chē)組設(shè)定長(zhǎng)度；

Vtr——?jiǎng)榆?chē)組設(shè)定時(shí)速；

C——聲速。

計(jì)算工況為同車(chē)等速交會(huì)，因此式(1)可簡(jiǎn)化為：

(2)

計(jì)算車(chē)速vtr取111.11 m/s，動(dòng)車(chē)組設(shè)定長(zhǎng)度Ltr取210 m，聲速c取340 m/s，計(jì)算得到最不利隧道長(zhǎng)度為643 m。

1.2 邊界條件設(shè)置

隧道交會(huì)計(jì)算模型如圖1所示。數(shù)值仿真采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分為3個(gè)模塊，分別為模擬隧道進(jìn)出口及隧道空間的靜止區(qū)域和包含兩列交會(huì)列車(chē)的滑移模塊。靜止區(qū)域和滑移模塊的邊界條件設(shè)置如圖2所示。

圖1 高速列車(chē)隧道交會(huì)計(jì)算區(qū)域圖(m)

圖2 高速列車(chē)隧道交會(huì)計(jì)算區(qū)域邊界條件圖

靜止區(qū)域前端定義為“Pressure-Inlet”壓力進(jìn)口邊界條件，靜止區(qū)域后端定義為“Pressure-Outlet”壓力出口邊界條件，給定靜壓為0，靜止區(qū)域兩側(cè)、上頂面及地面均定義固定壁面邊界條件“Wall”，與運(yùn)動(dòng)區(qū)域即滑移模塊接觸面定義為“Interface”交換面，進(jìn)行兩側(cè)流場(chǎng)數(shù)據(jù)的信息交換。兩個(gè)滑塊邊界定義相同。車(chē)體表面定義固定壁面邊界條件“Wall”，滑塊前進(jìn)方向前端面定義為“Pressure-Inlet”壓力進(jìn)口邊界條件，對(duì)應(yīng)出口定義為“Pressure-Outlet”壓力出口邊界條件，給定靜壓為0，與靜止區(qū)域?qū)?yīng)面定義成“Interface”交換面。

1.3 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

高速列車(chē)表面測(cè)點(diǎn)布置情況如圖3所示，中間車(chē)測(cè)點(diǎn)位置相同，因此僅展示中間車(chē)1測(cè)點(diǎn)的布設(shè)情況，頭車(chē)和尾車(chē)各布設(shè)11個(gè)測(cè)點(diǎn)，中間車(chē)各布設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，全車(chē)共計(jì)58個(gè)測(cè)點(diǎn)。隧道壁面測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況如圖4所示。

圖3 車(chē)身表面測(cè)點(diǎn)布置圖(mm)

圖4 隧道壁面測(cè)點(diǎn)布置圖(mm)

1.4 列車(chē)氣動(dòng)力

為便于對(duì)比分析高速列車(chē)隧道交會(huì)時(shí)的氣動(dòng)力特性，參照歐標(biāo)EN 14067，將各氣動(dòng)力轉(zhuǎn)化為氣動(dòng)力系數(shù)。阻力系數(shù)為：

(3)

側(cè)向力系數(shù)為：

(4)

傾覆力矩系數(shù)為：

(5)

式中：cx、cy——沿x和y方向的氣動(dòng)力系數(shù)；

Fx和Fy——沿x和y方向的氣動(dòng)力，即阻力和側(cè)向力；

mx——繞x軸方向的氣動(dòng)力矩系數(shù)；

Mx——繞x軸方向的氣動(dòng)力矩，即傾覆力矩；

ρ——空氣密度，取1.225 kg/m3；

V——?jiǎng)榆?chē)組運(yùn)行速度(m/s)；

S——參考面積，取11.9 m2；

L——特征長(zhǎng)度，取4.0 m。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 控制方程

采用雷諾應(yīng)力模型和渦粘性模型中的雙方程模型模擬高速列車(chē)隧道交會(huì)氣動(dòng)特性，并適當(dāng)增加網(wǎng)格尺度降低網(wǎng)格規(guī)模，不僅能有效模擬高速列車(chē)周?chē)牧髁鲃?dòng)，還可節(jié)省計(jì)算資源，在動(dòng)車(chē)組周?chē)諝饬鲌?chǎng)流動(dòng)的湍流數(shù)值模擬中應(yīng)用廣泛。因此本文采用雙方程湍流模型模擬列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)特性。基于有限體積法，利用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)壓力-速度耦合，對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.008。

2.2 算法驗(yàn)證

采用中南大學(xué)動(dòng)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比的方式來(lái)驗(yàn)證數(shù)值仿真方法的可靠性。驗(yàn)證工況為高速列車(chē)以400 km/h在5.0 m線間距隧道內(nèi)交會(huì)，列車(chē)采用3車(chē)編組形式。因動(dòng)模型比例為1∶20，為便于數(shù)值仿真與動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的時(shí)間數(shù)值乘以20，實(shí)現(xiàn)兩者時(shí)間軸的統(tǒng)一。車(chē)體表面7號(hào)測(cè)點(diǎn)和隧道壁面5號(hào)測(cè)點(diǎn)的結(jié)果對(duì)比分別如圖5和圖6所示。

圖5 車(chē)體表面7號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)值仿真與動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

圖6 車(chē)體表面8號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)值仿真與動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

圖5、圖6結(jié)果表明，采用本文數(shù)值仿真計(jì)算方法獲得的高速列車(chē)隧道交會(huì)壓力波時(shí)程曲線與動(dòng)模型測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致，壓力極值相差在 5% 以?xún)?nèi)，因此，本文采用的數(shù)值模擬方法可用于研究不同線間距對(duì)高速列車(chē)隧道交會(huì)壓力波的影響。

3 不同線間距對(duì)動(dòng)車(chē)組隧道交會(huì)氣動(dòng)性能的影響

3.1 車(chē)體表面壓力變化

車(chē)體表面各測(cè)點(diǎn)的交會(huì)壓力極值(不考慮頭尾車(chē)的鼻尖測(cè)點(diǎn))如表1所示。不同線間距條件下，高速列車(chē)隧道交會(huì)時(shí)，車(chē)體表面7號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力變化的時(shí)程曲線如圖7所示。

受隧道空間的限制，高速列車(chē)隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，車(chē)體表面壓力變化較明線交會(huì)更為劇烈。由表1和圖9可知，列車(chē)隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，線間距對(duì)車(chē)體表面壓力的變化幾乎沒(méi)有影響，這是因?yàn)楦咚倭熊?chē)隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，決定列車(chē)表面壓力變化的關(guān)鍵因素為列車(chē)車(chē)速、車(chē)隧阻塞比和壓力波系的傳播過(guò)程，本試驗(yàn)車(chē)速為400 km/h，隧道長(zhǎng)度為643 m，且阻塞比不變，故線間距改變僅造成兩車(chē)間距的變化，對(duì)列車(chē)表面測(cè)點(diǎn)壓力極值變化的影響可忽略。從圖7可以看出，線間距不同時(shí)，相同測(cè)點(diǎn)壓力變化時(shí)程曲線的變化趨勢(shì)和數(shù)值卻幾乎完全一致，由此可推斷，改變線間距的方式難以緩解高速列車(chē)隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)引發(fā)的交會(huì)壓力波大小。

表1 車(chē)體表面最大壓力極值表(Pa)

圖7 不同線間距條件下列車(chē)表面7號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程曲線圖

表1數(shù)據(jù)表明，隧道長(zhǎng)643 m、列車(chē)以400 km/h的車(chē)速在隧道中部等速交會(huì)時(shí)，列車(chē)表面測(cè)點(diǎn)最大壓力幅值可達(dá)13 688 Pa，由文獻(xiàn)[1]可知，其最大壓力幅值不滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)定，易導(dǎo)致車(chē)體結(jié)構(gòu)疲勞損傷或破壞等，需從高速列車(chē)外形及隧道斷面或隧道附屬設(shè)施氣動(dòng)參數(shù)著手優(yōu)化，對(duì)車(chē)/隧耦合氣動(dòng)特性進(jìn)行有效緩解，方能滿(mǎn)足現(xiàn)有高速鐵路隧道斷面下400 km/h列車(chē)交會(huì)的需求。

3.2 列車(chē)氣動(dòng)力

高速列車(chē)隧道交會(huì)過(guò)程中，列車(chē)整車(chē)所受氣動(dòng)力系數(shù)如表2所示。

表2 整車(chē)氣動(dòng)力系數(shù)表

高速列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，受隧道壁面對(duì)流場(chǎng)流動(dòng)的限制作用，車(chē)/車(chē)之間形成的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與車(chē)/隧之間形成的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本相同，兩側(cè)壓力場(chǎng)處于較為平衡的狀態(tài)，從而導(dǎo)致列車(chē)隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，其側(cè)向力數(shù)值基本維持在特定的數(shù)值，不會(huì)產(chǎn)生較大變化。由此可推斷，高速列車(chē)隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，整車(chē)氣動(dòng)力的變化主要是由列車(chē)高速突入隧道和沖出隧道引起的。在這兩個(gè)過(guò)程中，列車(chē)整車(chē)氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)側(cè)向力和傾覆力矩發(fā)生較為劇烈的變化。表2數(shù)據(jù)表明，列車(chē)交會(huì)時(shí)，氣動(dòng)阻力不隨線間距的增加而產(chǎn)生較大變化，但氣動(dòng)側(cè)向力及傾覆力矩隨線間距的增加而明線減小。其中，側(cè)向力系數(shù)最大值由0.438 4減小至0.408 5，減小了約6.82%；傾覆力矩系數(shù)最大值由0.327減小至0.290 2，降低約11.25%。

3.3 隧道壁面壓力分布

高速列車(chē)隧道交會(huì)誘發(fā)的壓力波系在隧道內(nèi)傳播會(huì)導(dǎo)致隧道壁面產(chǎn)生劇烈的交變壓力波動(dòng)，隧道壁面5號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力變化時(shí)程曲線如圖8所示。

圖8 隧道表面5號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程曲線圖

高速列車(chē)從隧道兩側(cè)同時(shí)突入隧道，距離5號(hào)測(cè)點(diǎn)較近列車(chē)引起的壓縮波先抵達(dá)測(cè)點(diǎn)所在位置，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)壓力快速上升，隨后另一側(cè)列車(chē)突入隧道引起的壓縮波也抵達(dá)5號(hào)測(cè)點(diǎn)所在位置，從而導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)壓力進(jìn)一步上升直至最大值(圖8中的第一個(gè)壓力峰值)。兩列車(chē)車(chē)尾突入隧道引起的膨脹波先后抵達(dá)5號(hào)測(cè)點(diǎn)所在位置，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)壓力持續(xù)減小。當(dāng)距離5號(hào)測(cè)點(diǎn)較近的列車(chē)頭車(chē)運(yùn)行至5號(hào)測(cè)點(diǎn)所在位置時(shí)，測(cè)點(diǎn)周?chē)鲌?chǎng)受列車(chē)頭車(chē)的活塞運(yùn)動(dòng)效應(yīng)而快速移開(kāi)，流場(chǎng)偏移造成5號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力快速降低至最小值，頭車(chē)越過(guò)5號(hào)測(cè)點(diǎn)后，周?chē)臍饬鏖_(kāi)始快速補(bǔ)充至5號(hào)測(cè)點(diǎn)所在位置，測(cè)點(diǎn)壓力開(kāi)始快速上升，然而此時(shí)，另一側(cè)的高速列車(chē)抵達(dá)5號(hào)測(cè)點(diǎn)所在位置，再次導(dǎo)致5號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力降低至最小值，圖8中壓力最小值位置出現(xiàn)一次壓力上升就是該原因引起的。

高速列車(chē)隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)隧道壁面各測(cè)點(diǎn)壓力極值如表3所示，計(jì)算工況為列車(chē)400 km/h于100 m2的隧道內(nèi)交會(huì)，線間距分別為5.0 m、5.2 m和5.4 m。

表3 隧道表面最大壓力極值比較表(Pa)

由表3可知，不同線間距條件下，隧道表面測(cè)點(diǎn)壓力最大值約為 7 000 Pa，最小值相差僅為1.5%，峰峰值最大值相差僅為0.9%，由此可見(jiàn)，線間距變化對(duì)隧道壁面壓力極值的影響基本可忽略，其原因在于本次研究中，影響隧道壁面壓力極值變化的關(guān)鍵因素為車(chē)隧阻塞比數(shù)值，而線間距不影響阻塞比的大小，因此隧道壁面壓力極值不隨線間距的變化而變化。

4 結(jié)論

為探索400 km/h高速列車(chē)在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，線間距大小對(duì)列車(chē)表面壓力極值、列車(chē)氣動(dòng)力極值和隧道壁面壓力極值的影響規(guī)律，本文采用數(shù)值仿真方法模擬了高速列車(chē)于5.0 m、5.2 m和5.4 m線路上交會(huì)時(shí)的氣動(dòng)特性，得出主要結(jié)論如下：

(1)最不利隧道長(zhǎng)度643 m條件下，列車(chē)以400 km/h的車(chē)速在隧道中部等速交會(huì)時(shí)，列車(chē)表面測(cè)點(diǎn)最大壓力幅值可達(dá) 13 688 Pa，無(wú)法滿(mǎn)足《時(shí)速350公里中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組暫行技術(shù)條件》關(guān)于車(chē)體承受極限載荷 ±6 000 Pa的規(guī)定，但線間距對(duì)列車(chē)表面壓力極值幾乎沒(méi)有影響。

(2)最不利隧道長(zhǎng)度643 m條件下，氣動(dòng)側(cè)向力及傾覆力矩隨線間距的增加而明線減小，其中側(cè)向力系數(shù)最大值由 0.438 4減小至 0.408 5，減小了約6.82%；傾覆力矩系數(shù)最大值由 0.327減小至 0.290 2，降低約11.25%。

(3)列車(chē)隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，隧道表面測(cè)點(diǎn)壓力最大值約為 7 000 Pa，最小值相差僅為1.5%，峰峰值最大值相差僅為0.9%，即線間距變化對(duì)隧道壁面壓力極值的影響基本可以忽略。