400 km/h高速列車通過隧道氣動效應數(shù)值模擬

李 艷 徐銀光 李浩冉 李 田 楊邑宏

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2. 西南交通大學牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031;3. 中國測試技術(shù)研究院， 成都 610056)

隨著鐵路技術(shù)的快速發(fā)展和列車運行速度的不斷提高，對列車高速通過隧道時氣動效應的研究愈發(fā)重要[1]。當列車進入隧道時，隧道入口處產(chǎn)生初始壓縮波，該壓縮波傳遞到隧道出口引發(fā)微氣壓波，可能發(fā)出爆炸噪音，造成環(huán)境污染[2-5]。隧道內(nèi)劇變的壓力波作用于車體和隧道表面影響列車運動姿態(tài)，甚至會對車體結(jié)構(gòu)和隧道設(shè)施產(chǎn)生破壞，嚴重危及行車安全[6-9]。

為探究高速列車通過隧道時產(chǎn)生氣動效應的相關(guān)機理，減弱其帶來的危害程度，科研人員進行了大量的研究。占俊[10]分析了350 km/h和400 km/h速度等級列車通過隧道工況下列車表面及其附近區(qū)域的氣動特性，研究了速度和編組類型對列車表面壓力的影響。韓運動[11]等對列車通過隧道及隧道交會工況下的壓力波特性進行實車測試，探究了運行速度和隧道長度等因素對隧道壓力波的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：車體表面壓力變化幅值與列車速度的平方成正比；車內(nèi)壓力幅值與列車速度的n次方成正比，n的范圍為1.3～1.8，且n隨隧道長度的變化而變化。劉峰[12]等采用實車試驗方法對高速動車組穿越雙線隧道引發(fā)的隧道壁面氣動壓力進行測試，分析不同位置測點在列車通過階段和列車駛出階段的壓力峰值，研究結(jié)果表明：列車通過隧道時，壁面測點壓力峰峰值隨車速的增加迅速增加；列車駛出隧道后，壓力峰峰值開始周期性衰減，衰減周期為2倍聲速在隧道內(nèi)的傳播時間；在同一周期內(nèi)，隧道入口處測點壓力衰減率較大，出口次之，隧道中部最小。陶偉明[13]研究了洞口緩沖結(jié)構(gòu)、洞身輔助坑道和隧道群開口連接明洞等對微氣壓波的緩解效果，發(fā)現(xiàn)喇叭口式和擴大常截面式緩沖結(jié)構(gòu)的緩解效果要明顯優(yōu)于直線斜切式和等截面開口式緩沖結(jié)構(gòu)；聯(lián)合使用多種微氣壓波減緩措施可多階段地緩解微氣壓波。段忠輝[14]等對高速列車進入隧道產(chǎn)生的壓縮波波形變化及衰減規(guī)律進行了研究，研究結(jié)果表明：壓縮波在隧道內(nèi)向隧道出口方向傳播時，基本是以平面波形式向前傳播的；在隧道縱向上，平面壓縮波在隧道內(nèi)向前傳播時，波的最大壓力峰值及波形曲線壓力梯度發(fā)生變化。

目前，對列車以400 km/h速度通過隧道時列車氣動特性的研究較少，對此速度等級下列車表面不同位置壓力變化規(guī)律和隧道出口附近不同位置微氣壓波變化規(guī)律的研究更是鮮有涉及。本文通過建立高速列車通過隧道的數(shù)值計算模型，對400 km/h高速列車通過隧道的相關(guān)氣動效應進行探討。

1 數(shù)值計算模型

1.1 控制方程

高速列車通過隧道時會引起隧道內(nèi)部和隧道周圍流場的變化，該三維、穩(wěn)態(tài)可壓縮流場可利用k-ε兩方程湍流模型結(jié)合有限體積法求解。流體流動的控制方程可寫成以下通用形式：

(1)

式中：Ω——該流場中的某一控制體；

t——時間；

ρ——理想氣體的密度；

Γφ——廣義擴散系數(shù)；

S——面積；

sφ——廣義源項；

U——動量；

φ——通用變量。

1.2 幾何模型、計算域及邊界條件

為研究列車以400 km/h速度通過隧道的氣動特性，以1節(jié)頭車(6.8H)、6節(jié)中間車(6.3H)和1節(jié)尾車(6.8H)8車編組的CR400AF列車為研究對象，車體橫截面積為11.814 m2。為簡化網(wǎng)格劃分的計算量，節(jié)約計算資源，省略掉了受電弓，并對風擋、轉(zhuǎn)向架等進行了一定的簡化處理，簡化后的幾何模型如圖1所示。

圖1 簡化后的列車模型圖

考慮到流場的充分發(fā)展和尾流的擾動，固定計算區(qū)域尺寸如下：隧道兩側(cè)計算區(qū)域長600 m，寬60 m，高40 m；隧道長650 m，斷面積100 m2；列車與隧道的初始距離為100 m，列車中心線距隧道中心線2.5 m。隧道長度650 m為400 km/h速度下最不利隧道長度。使用滑移網(wǎng)格的方法模擬列車與其周圍環(huán)境之間的相互運動，列車所在的移動計算域網(wǎng)格以列車運行速度相對于上述固定計算域網(wǎng)格滑移運動，兩計算域的交界面用于兩套網(wǎng)格之間的數(shù)據(jù)交換，流場分區(qū)示意如圖2所示。

圖2 流場分區(qū)示意圖

將沿列車運行方向的兩計算域兩側(cè)、固定計算域中隧道兩側(cè)的側(cè)面及頂面設(shè)置為壓力出口邊界條件，兩計算域相互滑移的面設(shè)置為交界面。計算域中的其他面均設(shè)置為無滑移壁面邊界條件，采用標準壁面函數(shù)模擬，如圖3所示。兩個計算域均采用四面體類型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

圖3 計算域和邊界條件示意圖(m)

1.3 求解設(shè)置和測點布置

采用標準k-ε湍流模型求解列車通過隧道的流場。壓力-速度耦合使用SIMPLEC算法處理，對流項、擴散項和時間項分別采用二階迎風格式、中心差分格式和二階隱式方法離散。時間步長為0.001 s。

為研究列車以400 km/h速度通過雙線隧道的氣動特性，在車體表面、隧道壁面以及隧道出口附近布置了多個壓力測點，如圖4所示。在列車頭車靠近隧道一側(cè)的車頭流線型部分布置8個測點(HP1～HP8)，頭車非流線型部分的車體兩側(cè)布置2個測點(HP9、HP10)，第1節(jié)中間車兩側(cè)布置2個測點(MP1、MP2)，第2～6節(jié)中間車布置10個測點(MP3～MP12)，尾車非流線型部分車體兩側(cè)布置2個測點(TP1、TP2)，布置情況與頭車非流線型壓力測點HP9、HP10相同。

圖4 車體測點布置情況圖

隧道壁面壓力測點布置如圖5所示。沿x軸正方向距隧道口20 m處和50～650 m處每隔50 m在隧道斷面上布置1個壓力測點，測點距離地面高度3 m。

圖5 隧道測點布置圖

沿列車行進方向在隧道出口附近布置4組測點(MPW1～MPW5，MPW6～MPW10，MPW11～MPW15，MPW16～MPW20)，分別對應沿y軸正方向與x軸距離2.5 m、7.5 m、12.5 m、17.5 m；沿x軸正方向距隧道出口10 m、20 m、30 m、40 m、50 m，測點布置情況如圖6所示。

圖6 微氣壓波測點布置圖

2 計算結(jié)果

列車通過雙線隧道時，頭車流線型車體靠近隧道壁面各測點的壓力變化情況如圖7所示。從圖7可以看出：頭車進入隧道后產(chǎn)生的第一個壓縮波傳播到測點時，測點壓力上升，尾車進入隧道后產(chǎn)生的第一個膨脹波傳播到測點時，測點壓力下降，而后由于該壓縮波和膨脹波沿隧道傳播到隧道口處發(fā)生反射和轉(zhuǎn)化，使得列車頭部測點的壓力發(fā)生劇烈變化，且靠近壁面各測點的壓力變化規(guī)律相似。

圖7 頭車測點壓力變化規(guī)律圖

通過對比隧道壁面一側(cè)各節(jié)車廂表面壓力測點的壓力變化幅值可知：中間車4的壓力變化幅值最大，為 5 357.1 Pa，中間車7的壓力變化幅值最小，為 5 109.8 Pa，中間車4的壓力變化幅值比中間車7大4.8%，各節(jié)車廂靠近隧道壁面一側(cè)測點的壓力變化幅值相近，相互之間的差異均小于5%。

靠近隧道壁面一側(cè)各節(jié)車廂表面壓力測點的負壓幅值如圖8所示。從圖8可以看出，隨著測點與頭車鼻尖距離的增加，各節(jié)車廂表面的負壓幅值逐漸增大，尾車的負壓幅值最大，為 -4 952.6 Pa，頭車的負壓幅值最小，為 -4 332.46 Pa，二者相差14.3%。

圖8 各車廂車體表面測點負壓幅值圖

靠近列車一側(cè)隧道壁面各測點壓力變化幅值沿列車行駛方向的變化規(guī)律如圖9所示。從圖9可以看出：在隧道入口前20 m，隧道壁面壓力變化幅值隨測點距隧道口距離的增加而迅速增大，20 m后增加變緩，150～250 m處又迅速增大，在250 m處達到最大，隨后緩慢減小，450 m處開始迅速減小直到500 m，500～600 m處減小較慢，600～650 m處又開始迅速減小。因此，測點位置對隧道壁面測點壓力變化幅值的影響明顯大于對車體表面測點的影響。單車通過長650 m、橫截面積為100 m2的雙線隧道時，距隧道入口250 m處測點的最大壓力變化幅值為 8 083.67 Pa，隧道出口處測點的最小壓力變化幅值為 1 717.34 Pa。

圖9 隧道壁面壓力變化幅值沿列車行駛方向變化規(guī)律圖

垂直于隧道軸線不同橫向距離各測點組微氣壓波幅值的變化規(guī)律如圖10所示。當測點與隧道出口的縱向距離一定時，測點距隧道軸線橫向距離越遠，微氣壓波幅值越小。不同測點組微氣壓波具體的變化規(guī)律不盡相同。距隧道軸線最近為2.5 m的測點組(MPW1～MPW5)，其微氣壓波幅值隨著與隧道出口距離的增加而逐漸降低，降低的幅度也隨之減慢；而對于更加遠離隧道軸線的其他測點組，其微氣壓波幅值在距離隧道出口0～40 m處逐漸降低，但在40～50 m處卻開始增加，且測點組距隧道中心線的縱向距離越遠，該測點組距隧道出口50 m處測點較距隧道出口40 m處測點的微氣壓波幅值增加得越多。

圖10 垂直于隧道軸線不同橫向距離測點組微氣壓波幅值變化規(guī)律圖

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬8車編組高速列車通過650 m隧道的氣動效應，得出以下主要結(jié)論：

(1)列車通過隧道時，各中間車車體不同表面測點的壓力幅值差異小于5%且壓力變化規(guī)律基本一致；隨著測點與頭車鼻尖距離的增加，車體表面的負壓幅值逐漸增大，尾車負壓幅值最大，頭車負壓幅值最小，二者相差14.3%。

(2)沿列車行駛方向，隧道壁面壓力變化幅值呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在隧道中部250 m和隧道出口位置，不同測點壓力變化幅值最大相差79%。

(3)當微氣壓波測點與隧道出口的縱向距離一定時，其距隧道軸線橫向的距離越遠，微氣壓波幅值越小。