400 km/h高速鐵路隧道洞口等截面無開孔擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)氣動效應(yīng)分析

王維洲 鐘登朝 胖 濤 梅元貴

(1.蘭州交通大學(xué)甘肅省軌道交通力學(xué)應(yīng)用工程實驗室， 蘭州 730070；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

高速列車駛?cè)胨淼喇a(chǎn)生初始壓縮波，壓縮波以音速傳播至隧道出口處向外輻射形成壓力脈沖波，使得洞口外產(chǎn)生“轟鳴聲”，強(qiáng)度足夠大時還會產(chǎn)生音爆，嚴(yán)重影響隧道周圍環(huán)境和居民生活。針對這一問題，國內(nèi)外專家、學(xué)者開展了大量的試驗和研究工作。日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)列車進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓縮波最大壓力梯度近似與車速的3次方成正比，提出在隧道進(jìn)口端加裝緩沖結(jié)構(gòu)的措施，并系統(tǒng)研究了開孔型的喇叭口擴(kuò)大型和等截面擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)，有效地解決了既有速度下的微氣壓波問題[1-3]。德國學(xué)者Hieke等針對300 km/h隧道微氣壓波問題，研究了洞口斜切、兩側(cè)開孔和頂部開孔等緩沖結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了線路測試驗證[4-5]。法國學(xué)者Rety等研究了緩沖結(jié)構(gòu)洞門斜切角度對列車進(jìn)入隧道引起壓縮波梯度的影響規(guī)律[6]，Uystepruyst等研究了圓錐及拋物線漸變擴(kuò)大斷面和等截面擴(kuò)大型無開孔緩沖結(jié)構(gòu)的減緩氣動效應(yīng)，并給出了等截面擴(kuò)大斷面面積與隧道斷面面積之比在不同速度等級下(250～400 km/h)的優(yōu)化值[7]。英國學(xué)者Vardy等采用動模型試驗方法研究了兩側(cè)開孔的長大緩沖結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了大小孔的比較[8]。中國學(xué)者陶偉明研究了洞口緩沖結(jié)構(gòu)、洞身輔助坑道和隧道群開口連接明洞對微氣壓波的減緩效果[9]，馬偉斌等總結(jié)了多條線路的微氣壓波測試結(jié)果和變化規(guī)律[10]，吳劍等總結(jié)了300～350 km/h高速鐵路雙線隧道壓縮波的洞內(nèi)傳播激化特征[11]，趙勇等總結(jié)了350 km/h隧道緩沖結(jié)構(gòu)的型式、參數(shù)和氣動效應(yīng)[12]，也得出了高速列車進(jìn)入大斷面雙線隧道產(chǎn)生的壓縮波最大梯度和微氣壓波與列車速度的3次方成正比的結(jié)論[13]。

截至目前，針對400 km/h隧道微氣壓波的研究較少，而400 km/h隧道微氣壓波問題更為嚴(yán)重，對隧道的防治措施也提出了更高要求?；诖?，本文采用基于CFD軟件的三維可壓縮非定常湍流流動有限體積法和重疊網(wǎng)格法，研究400 km/h高速列車進(jìn)入未設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)、設(shè)置無開孔等截面、無開孔擴(kuò)大斷面型緩沖結(jié)構(gòu)隧道的初始壓縮波波形和壓力梯度的變化規(guī)律，比較了不同緩沖結(jié)構(gòu)斷面面積與隧道斷面面積比值對壓縮波波形和降低壓力梯度的影響規(guī)律，本文研究結(jié)果可為400 km/h隧道緩沖結(jié)構(gòu)和設(shè)計提供基礎(chǔ)。

1 研究方法

本文采用STAR CCM+流體仿真軟件進(jìn)行數(shù)值計算。模型計算采用的控制方程為三維可壓縮非定常的N-S方程，離散方法采用有限體積法，湍流模型選用k-SST模型。網(wǎng)格生成采用重疊網(wǎng)格方法，壁面采用全y+壁面處理。

重疊網(wǎng)格法將計算區(qū)域劃分為背景區(qū)域和重疊區(qū)域，重疊區(qū)域包含列車。設(shè)置Free Stream邊界、wall邊界、overset邊界3種邊界條件。地面、車體、緩沖結(jié)構(gòu)和隧道為wall邊界，車體周圍為overset邊界，其他為Free Stream邊界。受網(wǎng)格數(shù)量的限制，本文忽略了道床和軌道對高速列車通過隧道和緩沖結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生壓力波的影響。

初始條件：列車運(yùn)行速度為400 km/h，遠(yuǎn)場壓力值取為 101 325 Pa，參考溫度為288 K。列車采用光滑啟動的方法從靜止?fàn)顟B(tài)加速到運(yùn)行速度，然后包含列車的重疊區(qū)域保持勻速狀態(tài)運(yùn)行直至設(shè)定的計算時刻結(jié)束。

2 計算模型及計算域

2.1 動車組計算模型

本文采用國內(nèi)400 km/h某型4節(jié)編組動車組的全尺寸模型，列車模型保留了轉(zhuǎn)向架和風(fēng)擋，忽略了受電弓。模型全長209 m,列車車高4.1 m,鼻長12 m,截面面積為11.88 m2。

2.2 計算域及網(wǎng)格劃分

本文的計算域高100 m，寬200 m，長803 m。選取長200 m的雙線隧道，隧道內(nèi)凈空面積為100 m2。為減少網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省計算資源，采用分區(qū)域劃分網(wǎng)格的方法，對背景區(qū)域和重疊區(qū)域分別進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格時，流場變化不大的空間網(wǎng)格尺寸較大，在流場變化劇烈的空間(如緩沖結(jié)構(gòu)、頭車、車尾、轉(zhuǎn)向架以及風(fēng)擋等)設(shè)置加密塊，同時要求不同網(wǎng)格尺寸之間平穩(wěn)過渡，保證網(wǎng)格數(shù)量在各個空間的合理分配，避免網(wǎng)格數(shù)量過大導(dǎo)致計算迭代誤差過大。此外，為提高計算精度，在車體表面、風(fēng)擋、隧道壁面處生成了邊界層網(wǎng)格。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 初始壓縮波的形成

將動車組進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)的時刻定義為零時刻，動車組進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)時隧道內(nèi)的壓力分布如圖1所示。由圖1可以看出，t=-0.108 s時，列車鼻尖距離緩沖結(jié)構(gòu)洞口1個鼻長，緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)壓力開始升高，靠近列車的緩沖結(jié)構(gòu)壁面大于遠(yuǎn)離車體一側(cè)的壓力，越靠近緩沖結(jié)構(gòu)洞口壓力變化越大，壓力梯度就越大，此時隧道內(nèi)壁面受到列車引起壓力增大的影響還不明顯。t=0時，列車車頭剛好到達(dá)緩沖結(jié)構(gòu)洞口，緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)壓力繼續(xù)升高，隧道內(nèi)壁面的壓力也開始升高，靠近列車的緩沖結(jié)構(gòu)壁面遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離車體一側(cè)的壓力，初始壓縮波正在形成。t=0.216 s時，列車駛?cè)刖彌_結(jié)構(gòu)2個鼻長的距離，車頭前方空間壓力持續(xù)增大。進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)洞口一段距離后，隧道壁面等壓線從“斜切式”形狀變成“正切式”形狀，壓縮波從三維效應(yīng)變成一維平面波。t=0.432 s 時，列車駛?cè)胨淼?個鼻長的距離，車頭前方空間壓力增量接近飽和。

圖1 列車進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)的壓力分布圖

3.2 不同速度下無緩沖結(jié)構(gòu)對比

350 km/h和400 km/h速度下的壓力時間歷程曲線如圖2所示， 350 km/h和400 km/h速度下的壓力梯度時間歷程曲線如圖3所示。由圖2和圖3可以看出，400 km/h速度下的初始壓縮波峰值比350 km/h速度下的初始壓縮波峰值增大了32%，相應(yīng)地，最大壓力梯度增大了35.8%。

圖2 350 km/h和400 km/h速度下壓力時間歷程曲線圖

圖3 350 km/h和400 km/h速度下壓力梯度時間歷程曲線圖

3.3 緩沖結(jié)構(gòu)的不同形狀研究

斷面形狀為方形和拱形的緩沖結(jié)構(gòu)與隧道的斷面面積之比均為2.6，長度為3倍的鼻長。隧道內(nèi)距離隧道口7D(D表示隧道的水力直徑，取10.64 m)的隧道頂部中央測點處，拱形和方形緩沖結(jié)構(gòu)的壓力時間歷程曲線和壓力梯度時間歷程曲線分別如圖4、圖5所示，壓力幅值和梯度變化如表1所示。由圖4可以看出，有緩沖結(jié)構(gòu)的壓力波波形要復(fù)雜得多，且壓力有3次明顯的躍升。t=0時，列車進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生初始壓縮波，產(chǎn)生第一次壓力躍升；t=0.32 s時，壓縮波傳播到隧道內(nèi)測點位置，t=0.324 s時，列車到達(dá)隧道入口，阻塞比增大，產(chǎn)生第二次壓力躍升；t=0.54 s時，壓縮波傳播到隧道內(nèi)測點位置，當(dāng)初始壓縮波到達(dá)隧道入口時，一部分以壓縮波的形式傳播進(jìn)隧道內(nèi)，一部分以膨脹波的形式反射回緩沖結(jié)構(gòu)洞口，再從緩沖結(jié)構(gòu)洞口以壓縮波的形式反射回隧道內(nèi)，產(chǎn)生第三次壓力躍升。t=0.754 s時，壓縮波傳播到隧道內(nèi)測點。

圖4 不同緩沖結(jié)構(gòu)形式的壓力對比圖

圖5 不同緩沖結(jié)構(gòu)形式的壓力梯度對比圖

表1 壓力幅值和梯度變化表

由表1和圖5可以看出，與無緩沖結(jié)構(gòu)相比，方形緩沖結(jié)構(gòu)對初始壓縮波的壓力梯度峰值減小了57%，拱形緩沖結(jié)構(gòu)對初始壓縮波的壓力梯度峰值減小了51.6%；與無緩沖結(jié)構(gòu)相比，方形緩沖結(jié)構(gòu)的初始壓縮波峰值增大了4.8%，拱形緩沖結(jié)構(gòu)的初始壓縮波峰值增大了5.6%。因此，方形緩沖結(jié)構(gòu)對初始壓縮波的減緩效果優(yōu)于拱形緩沖結(jié)構(gòu)。

3.4 緩沖結(jié)構(gòu)的不同斷面比研究

在方形緩沖結(jié)構(gòu)型式的基礎(chǔ)上，對不同斷面積比進(jìn)行數(shù)值模擬分析。不同斷面比緩沖結(jié)構(gòu)壓力對比如圖6所示，不同緩沖結(jié)構(gòu)形式壓力梯度對比如圖7所示，不同斷面比壓力幅值和梯度變化如表2所示。由圖6、圖7和表2可以看出，3種不同斷面比的緩沖結(jié)構(gòu)都對初始壓縮波有減緩效果，其中斷面比為2.6的方形緩沖結(jié)構(gòu)對初始壓縮波的減緩效果最佳，壓力梯度減小了57%；斷面比2.8的減緩效果次之，達(dá)到了53.3%；斷面比2.0的減緩效果最小，減小了44.8%。在初始壓縮波峰值方面，斷面比越大，初始壓縮波的峰值就越大，斷面比2.0、2.6、2.8方形緩沖結(jié)構(gòu)的初始壓縮波峰值分別增大了3.1%、4.8%、5%。

圖6 不同斷面比緩沖結(jié)構(gòu)的壓力對比圖

表2 不同斷面比壓力幅值和梯度變化表

4 結(jié)論

本文采用CFD軟件的三維數(shù)值模擬方法，研究了400 km/h高速列車進(jìn)入隧道產(chǎn)生的初始壓縮波特征，在對350 km/h和400 km/h速度下無緩沖結(jié)構(gòu)壓縮波分析的基礎(chǔ)上，研究了等截面無開孔擴(kuò)大斷面型緩沖結(jié)構(gòu)不同形狀、不同斷面積比對初始壓縮波的影響規(guī)律，得出主要結(jié)論如下：

(1)列車運(yùn)行速度越高，列車進(jìn)入隧道時產(chǎn)生的初始壓縮波峰值越大，相應(yīng)的壓力梯度也越大，隧道入口增設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)對初始壓縮波特別是最大壓力梯度有很好的減緩效果。

(2)在斷面比同為2.6時，方形緩沖結(jié)構(gòu)對初始壓縮波的減緩效果達(dá)到57%，拱形緩沖結(jié)構(gòu)的減緩效果為53.3%，因此方形緩沖結(jié)構(gòu)比拱形緩沖結(jié)構(gòu)對初始壓縮波壓力梯度的降低效果更好。

(3)當(dāng)列車速度為400 km/h時，斷面比為2.0、2.6、2.8的方形緩沖結(jié)構(gòu)對初始壓縮波的減緩效果分別為44.8%、57%、53.3%，因此方形緩沖結(jié)構(gòu)的最佳截面比為2.6。