列車通過鐵路隧道時的數(shù)值模擬分析

崔景東

列車通過鐵路隧道時的數(shù)值模擬分析

崔景東

（無錫市軌道建設(shè)設(shè)計咨詢有限公司 無錫 214000）

采用Gambit軟件建立隧道列車模型，并利用Flunet17.0軟件設(shè)置了相應(yīng)的活塞風二維動網(wǎng)格模型，模擬了列車在不同車速下經(jīng)過鐵路隧道時，隧道內(nèi)部速度場和壓力場的動態(tài)變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：隨著列車經(jīng)過隧道時速度的增大，所產(chǎn)生的活塞風的風速也就越大；當列車經(jīng)過監(jiān)測點的速度越大時，活塞風的風速突降的程度也就越大；列車頭部達到隧道入口時，車頭處壓力驟然增大，列車周圍氣體壓力波動劇烈；列車尾部到達隧道入口時，車尾處壓力突然降低，并出現(xiàn)負壓。

隧道；活塞風效應(yīng)；數(shù)值模擬

0 引言

隨著我國鐵路隧道數(shù)量和長度的增加以及列車行駛速度的提高，使得列車運行所產(chǎn)生活塞風的變化更加劇烈，隧道內(nèi)部流場更加復雜?；钊L會引起鐵路隧道內(nèi)部風速和風壓突變，對隧道內(nèi)部固定設(shè)施以及日常維護人員的安全產(chǎn)生一定的影響。同時，活塞風能夠促進隧道空氣流動，對調(diào)節(jié)隧道內(nèi)空氣品質(zhì)和溫度有一定的積極作用，也可以節(jié)約風機能耗。

目前，對活塞風的研究主要包括以下幾個方面[1]，活塞風理論解析計算的研究[2,3]、活塞風影響因素的研究[4,5]以及活塞風對區(qū)間隧道影響的研究[6,7]。關(guān)于活塞風的研究在公路隧道、地鐵隧道等地下區(qū)間工程中研究較多，專門針對鐵路隧道列車活塞風的研究較少。本文以英國Patchway隧道作為物理模型，用Gambit軟件建立其全尺寸模型，使用Fluent17.0軟件設(shè)置了相應(yīng)的活塞風二維動網(wǎng)格模型，以模擬隧道內(nèi)部速度場和壓力場的變化規(guī)律。

1 活塞風的計算模型

1.1 數(shù)學模型

當列車在隧道中運行時，會使得其內(nèi)部流場發(fā)生復雜的變化。為合理簡化計算模型，做出如下假設(shè)：①將隧道內(nèi)低速風流視為不可壓流動；②隧道內(nèi)部流體的流動狀態(tài)為湍流；③假定隧道內(nèi)壁面絕熱，且流體具有同向性的紊流粘性，同時滿足Boussinesq假設(shè)；④將列車在隧道內(nèi)行駛時的狀況簡化為勻速運動。假定列車在隧道運行時所產(chǎn)生的流動為不可壓縮流動，所以本文的紊流模型采用標準-雙方程模型。故該流體的流動應(yīng)該同時滿足以下方程。

質(zhì)量守恒方程

動量守恒方程

方程

1.2 物理模型

由于實際的隧道和列車幾何形狀特別復雜，為方便二維模擬計算將其簡化。結(jié)合本文的主要研究對象為列車在不同速度下經(jīng)過隧道時其內(nèi)部流場的變化特性，故將隧道跟列車模型均簡化為矩形?？紤]到計算成本，將隧道設(shè)為長度為1140m，高度為6.5m，列車設(shè)為長度為200m，高度為3.2m，列車距離隧道入口35m處。

1.3 網(wǎng)格劃分

本文模型的計算區(qū)域劃分見圖1。在圖1中區(qū)域1和區(qū)域3為包含了遠場邊界在內(nèi)的隧道外的大部分計算區(qū)域，區(qū)域2為隧道周圍壁面的附近區(qū)域，區(qū)域4和區(qū)域7為隨列車運動的區(qū)域，區(qū)域5為隧道底部的附近區(qū)域，區(qū)域6為列車周圍壁面的較小區(qū)域。根據(jù)各自區(qū)域的流場特性，分別進行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分。區(qū)域6為列車周圍區(qū)域，由于該區(qū)域流場的特性變化劇烈，因此該區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量多。區(qū)域4和區(qū)域7為隨列車前后運動的區(qū)域，因此這兩部分的網(wǎng)格需劃分得密。對于區(qū)域2和區(qū)域5的隧道附近區(qū)域，本文采用標準-雙方程模型中默認的壁面函數(shù)法，其靠近隧道壁面附近的粘性底層厚度不超過第一個網(wǎng)格寬度[8]。區(qū)域1和區(qū)域3兩部分為遠場邊界，對模擬計算結(jié)果影響不大，故網(wǎng)格劃分得稀疏。

圖1 模型計算域的劃分圖

1.4 邊界條件

如圖1所示，設(shè)定區(qū)域1（左側(cè)）采用壓力進口邊界和區(qū)域2（右側(cè)）采用壓力出口邊界，區(qū)域4,6,7的邊界跟區(qū)域2,5邊界采用滑移網(wǎng)格交界面，以模擬列車運動的狀況。列車的四條邊設(shè)為wall邊界，并且其速度取列車運動的速度值。隧道上下兩條邊設(shè)為wall邊界，其表面當量粗糙高度取5mm，壁面摩擦系數(shù)取0.02[8]，其余邊界采用默認的wall邊界。

1.5 動網(wǎng)格的設(shè)定

考慮到本文主要研究列車在隧道中運行時所引起的其內(nèi)部流場隨時間的改變問題，因此使用Fluent17.0軟件設(shè)立動網(wǎng)格的模型。列車周圍區(qū)域6和前后區(qū)域4,7為運動列車區(qū)域，與靜止區(qū)域2,5之間通過滑移網(wǎng)格交界面進行連接。列車和其周圍區(qū)域為剛體運動，其具體運動的方式通過UDF進行編譯：將速度值賦給列車四周和區(qū)域6前后兩條邊。列車前后流場區(qū)域4,7的空氣隨列車的運動而運動，故屬于變形運動。

1.6 求解方法

本文使用基于壓力的分離式求解器，速度設(shè)為絕對速度，選用標準的-雙方程的湍流模型，壓力和速度的耦合問題采用 SIMPLE 算法。

2 模擬結(jié)果分析

本文分析列車以不同的速度在隧道內(nèi)行駛時，對隧道內(nèi)部速度場和壓力場的分布情況的影響。因此，模擬狀況設(shè)定為在不改變其他條件的狀況下，列車由距離隧道入口35m處出發(fā)，其速度分別以25，30和35m/s在隧道內(nèi)部運行。

2.1 活塞風風速的分布

列車以不同的速度到達隧道入口時，其車頭和車尾產(chǎn)生的活塞風的速度矢量分布如圖2所示。

從圖2中可以看出：（1）當列車車頭到達隧道入口時，車頭前方的空氣由于受到擠壓，產(chǎn)生很大的擾動。一部分空氣沿著隧道方向開始向隧道出口流動，另一部分空氣因隧道內(nèi)部氣流速度小于列車速度，單位時間內(nèi)從隧道入口進入的空氣量小于列車單位時間進入隧道所排開的空氣量。因此，這部分空氣以與列車相反的方向從列車與隧道之間的環(huán)狀空間被排出。當列車尾部到達隧道入口時，列車車尾所排開的空間呈真空狀態(tài)，在其尾部渦流區(qū)的真空抽吸作用下，隧道進口處的空氣又以與列車相同的方向沿隧道進入洞內(nèi)。并且列車以較大速度進入隧道內(nèi)部時，隧道入口上方的空氣因受到山體等障礙物的阻擋，也會產(chǎn)生一定的速度漩渦。（2）盡管列車以不同速度進入隧道時，其車頭跟車尾所產(chǎn)生的活塞效應(yīng)的變化趨勢是相似的。

隨著列車的運行速度增大時，車頭前方的空氣和隧道上方的空氣所受的干擾程度也越劇烈，所產(chǎn)生的活塞風風速也越大。

圖2 列車車頭、車尾分別到達隧道入口處時活塞風速度矢量圖

圖3 不同車速過測點時縱向活塞風風速變化時程曲線

在距離隧道入口150m處布置監(jiān)測點，通過模擬列車在不同速度下的運行過程，得到列車過監(jiān)測點的縱向活塞風速變化過程曲線，在圖3中所示。從圖中可以看出，當列車以25m/s運行時，在=0.4s時，測點處的空氣速度仍然為零，表明列車所產(chǎn)生的空氣擾動還未轉(zhuǎn)播到測點。在=0.4～7.07s時間段內(nèi)，測點風速為正向并以起伏的趨勢逐漸增大。當=7.4s時（即列車頭部通過測點時），測點風速轉(zhuǎn)向并急劇減小到最小值-12.8m/s。在列車車身通過測點的時間段內(nèi)，測點流速方向與列車行駛方向相反，測點流速值有所回升但變化過程較為起伏。當=15.4s時（列車尾部通過測點時），測點風速再次轉(zhuǎn)向并迅速增大；測點風速值為正向以起伏的方式逐漸增大之后在均值11.48m/s上下波動。

從圖3中還可以得出列車雖然以不同的速度運行時，但在測點處所監(jiān)測活塞風的變化趨勢是相同的。隨著列車車速的提高，所產(chǎn)生的活塞風風速也就越大，因此列車的速度對活塞風的影響有著較大的作用。

2.2 壓力的分布

列車以不同的速度到達隧道入口時，在其車頭和車尾所產(chǎn)生的壓力等值線如圖4所示。

圖4 列車車頭、車尾分別到達隧道入口處時壓力等值線圖

從圖4中可知：列車頭部以較快速度到達隧道入口時，由于列車周圍空間迅速較小和隧道壁面的阻礙，致使列車前方空氣壓強突增，在隧道入口處形成了壓縮波，以聲速向隧道出口傳播[10]。列車與隧道壁面之間的環(huán)狀空間內(nèi)的空氣以及隧道上方的空氣也因列車突入，使其壓強也出現(xiàn)劇烈變化，不同位置處的等壓線值相差較大。當列車尾部進入隧道入口時，由于原來列車車體占據(jù)的空間因車尾突然進入隧道被空了出來，導致隧道口與列車車體之間環(huán)狀空間的被擠壓的空氣得以釋放，造成此處的空氣壓力突然減低出現(xiàn)負壓。同時，在隧道出口處形成了膨脹波，它同時也以聲速超過列車向著隧道出口傳播。列車以不同的運行速度進入隧道入口時，其車頭與車尾所產(chǎn)生的壓力突變的狀況是類似的。隨著隧道列車車速的提高時，車頭、車尾在隧道入口處所產(chǎn)生的壓力波動也越劇烈。

3 結(jié)論

本文通過使用Fluent17.0軟件中的動網(wǎng)格模型，模擬了列車在不同車速下通過鐵路隧道時，隧道內(nèi)部所產(chǎn)生的活塞風和壓力的變化，現(xiàn)得結(jié)論如下：

（1）列車以不同的速度經(jīng)過隧道時，在其內(nèi)部所產(chǎn)生的活塞風效應(yīng)的變化規(guī)律是相似的。隨著列車運行速度的增大，所產(chǎn)生的活塞風的風速也就越大。

（2）列車經(jīng)過隧道內(nèi)部的某一監(jiān)測點時，活塞風的風速會產(chǎn)生突降。當列車經(jīng)過監(jiān)測點的速度越大時，活塞風的風速突降的程度也就越大。

（3）列車頭部達到隧道入口時，車頭處壓力驟然增大，列車周圍氣體壓力波動劇烈；列車尾部到達隧道入口時，車尾處壓力突然降低，并出現(xiàn)負壓。隨著隧道列車車速的提高時，車頭、車尾在隧道入口處所產(chǎn)生的壓力波動也越劇烈。

[1] 王麗慧.地鐵活塞風與地鐵環(huán)控節(jié)能[D].上海:同濟大學,2007.

[2] 于連廣,吳喜平,彭博等.隧道列車活塞風解析方法新探[J].制冷空調(diào)與電力機械,2010,31(1):9-14.

[3] Kwon H B. Numerical study of flow characteristic of the high-speed train passing through a tunnel [J]. Proc Instn Meeh Engrs Part F, 2003, 217(2).

[4] 閆春利,雷波.行車對數(shù)和位置對活塞風井通風特性的影響[J].制冷與空調(diào),2018,32(1):1-6.

[5] 崔景東.鐵路隧道活塞風數(shù)值模擬及特性研究[D].蘭州:蘭州交通大學,2019.

[6] J Y Kim, K Y Kim. Experimental and numerical analyses of train-induced unsteady tunnel flow in subway[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2007,22(2):166-172.

[7] 王樹剛,江億,朱穎心.北京地鐵列車活塞風的實測與分析[J].暖通空調(diào),1998，(5):49-51.

[8] 甘甜,王偉,趙耀華,等.地鐵活塞風Fluent動網(wǎng)格模型建立與驗證[J].建筑科學,2011,27(8):75-81.

[9] 李炎.鐵路隧道列車活塞風特性分析及理論研究[D].蘭州:蘭州交通大學,2010.

[10] 李人憲,袁磊.高速列車通過隧道時的壓力波動問題[J].機械工程學報,2014,50(24):115-121.

Numerical Simulation Analysis of Train Passing Through Railway Tunnel

Cui Jingdong

( Wuxi Rail Construction Design Consulting Co., Ltd, Wuxi, 214000 )

This paper uses Gambit software to establish a tunnel train model, and uses Flunet17.0 software to set up the corresponding piston wind two-dimensional dynamic grid model, which simulates the dynamic changes of the speed field and pressure field inside the tunnel when the train passes through the railway tunnel at different speeds. law. The research results show that as the speed of the train passing through the tunnel increases, the wind speed of the piston wind generated increases; when the speed of the train passing the monitoring point increases, the wind speed of the piston wind decreases sharply; When the head of the train reaches the tunnel entrance, the pressure at the head of the train suddenly increases, and the gas pressure around the train fluctuates violently; when the tail of the train reaches the tunnel entrance, the pressure at the rear of the train drops suddenly and negative pressure appears.

tunnel; piston wind effect; numerical simulation

1671-6612（2021）03-360-05

U459.1

A

崔景東（1993.2-），男，助理工程師，E-mail：1045263100@qq.com

2020-08-12