400 km/h高速鐵路隧道洞口微氣壓波特征及其緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

胖 濤 楊偉超 王田天 羅祿森 何 洪

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；2.中南大學(xué)， 長(zhǎng)沙 410083)

隧道洞口微氣壓波效應(yīng)會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成隧道洞口附近玻璃等脆性構(gòu)筑物破壞。自1964年日本東海新干線開通以來(lái)，國(guó)外學(xué)者對(duì)隧道洞口微氣壓波開展了大量研究，小沢[1]等研究了壓縮波在隧道內(nèi)板式無(wú)砟軌道傳播壓力變形的問(wèn)題，建立了壓縮波從隧道入口傳播到出口產(chǎn)生微氣壓波之間的關(guān)系；Mashimo S[2]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)高速鐵路隧道洞口微氣壓波的形成機(jī)制進(jìn)行了深入分析，并指出隧道進(jìn)口段形成的初始?jí)嚎s波在出口端的輻射造成了洞口微氣壓波，且此微氣壓波的峰值與初始?jí)嚎s波的變化速率直接相關(guān)。隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)350 km/h及以下速度的高速鐵路隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，宋軍浩[3]等采用動(dòng)模型試驗(yàn)對(duì)隧道壁面壓力波和出口微氣壓波展開研究，得到了車頭形狀和車速對(duì)微氣壓波的影響規(guī)律；吳劍[4]等以隧道內(nèi)的試驗(yàn)為根據(jù)，提出了考慮微氣壓波作用下的緩解率，并提出了對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)；Zhang[5]指出帽檐斜切式緩沖結(jié)構(gòu)是減緩微氣壓波最有效的形式；黃兆國(guó)[6]研究了高速磁浮列車快速通過(guò)隧道時(shí)的氣動(dòng)特性，得到了阻塞比與微氣壓波的關(guān)系；陶偉明[7]研究了不同形式緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)微氣壓波的減緩效果；舒信偉[8]等對(duì)5種不同頭型列車進(jìn)行分析，得出增加流線型頭部長(zhǎng)度是減小氣動(dòng)阻力的有效途徑，并可減緩洞口微氣壓波效應(yīng)。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于高速鐵路隧道洞口微氣壓波的研究主要是針對(duì)350 km/h及以下速度進(jìn)行的，對(duì)400 km/h 速度條件下隧道洞口微氣壓波特征及其合理緩沖結(jié)構(gòu)型式等問(wèn)題的研究相對(duì)較少。本文對(duì)400 km/h 列車通過(guò)隧道時(shí)洞口的微氣壓波特征開展研究，并在此基礎(chǔ)上提出合理的緩沖結(jié)構(gòu)型式及其設(shè)計(jì)參數(shù)，相關(guān)研究成果可為新建400 km/h高速鐵路或提速鐵路隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 研究方法

本文基于FLUENT軟件，采用三維可壓縮動(dòng)模型特征線數(shù)值方法，建立了隧道-列車-空氣的氣動(dòng)仿真計(jì)算模型，分析400 km/h速度下的隧道洞口微氣壓波變化特征。同時(shí)，依據(jù)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的列車空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展 400 km/h及以上速度下的高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)，采用模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。

1.1 計(jì)算理論基礎(chǔ)

高速列車突入隧道時(shí)，列車周邊及隧道之間的流場(chǎng)為三維、粘性、可壓縮、非穩(wěn)態(tài)湍流流場(chǎng)。本文選用RNGκ-ε湍流模型。

湍流動(dòng)能k方程為：

(1)

湍流耗散率ε方程為：

(2)

式中：υ——空氣運(yùn)動(dòng)粘度，υ=μ/ρ；

υl——層流運(yùn)動(dòng)粘度；

υt——湍流運(yùn)動(dòng)粘度；

C1、C2、σk、σε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，參考近幾年已發(fā)表的文獻(xiàn)，本文計(jì)算時(shí)取C1=1.47，C2=1.92，σε=1.0，σε=1.33。

1.2 隧道及列車模型

為準(zhǔn)確分析隧道洞口的微氣壓波變化特征，隧道和列車均以我國(guó)現(xiàn)行高速鐵路的運(yùn)行條件為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)體建模，隧道選取100 m2和110 m2兩種斷面，其中，100 m2隧道斷面嚴(yán)格按照現(xiàn)行350 km/h速度條件下雙線隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面建模，110 m2隧道斷面則在標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面的基礎(chǔ)上，采用同比例放大的方法得到。由于隧道洞口微氣壓波峰值主要與初始?jí)嚎s波的變化率有關(guān)，而初始?jí)嚎s波的變化率則主要受隧道斷面和列車車頭長(zhǎng)度影響，與列車編組數(shù)量的相關(guān)性并不顯著。為提高計(jì)算效率，列車選取流線型較好的3節(jié)編組CRH380B型列車進(jìn)行數(shù)值仿真，如圖1所示。

圖1 計(jì)算幾何模型圖

1.3 計(jì)算網(wǎng)格模型及邊界條件

模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，隧道及兩端大氣部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，緩沖結(jié)構(gòu)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格區(qū)域分為靜止網(wǎng)格區(qū)域和動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域，動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域包括列車及附近空氣部分，運(yùn)用鋪層法實(shí)現(xiàn)列車與隧道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

列車表面網(wǎng)格及動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)部的網(wǎng)格均設(shè)置為Ragid，即這部分網(wǎng)格會(huì)整體向前移動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格重建和網(wǎng)格尺寸變化的情況。動(dòng)網(wǎng)格兩端設(shè)置成Stationary，保證動(dòng)網(wǎng)格部分不會(huì)運(yùn)動(dòng)到邊界以外。動(dòng)網(wǎng)格與靜網(wǎng)格部分通過(guò)Interface進(jìn)行信息交換。兩端大氣設(shè)置成壓力出口邊界條件，地面、緩沖結(jié)構(gòu)表面及隧道壁面為壁面。

1.4 數(shù)值仿真可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，將計(jì)算結(jié)果與中南大學(xué)高速列車動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，洞口外20 m處的對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

從表1可以看出，數(shù)值仿真結(jié)果的誤差率不超過(guò)4.5%，且多工況的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均保持了很好的一致性，說(shuō)明本文采用的數(shù)值仿真方法是正確的，模型的參數(shù)選取是合理的，仿真結(jié)果可靠。

2 400 km/h速度下洞口微氣壓波特征及其影響因素

以400 km/h速度的3節(jié)編組CHR380B列車在長(zhǎng) 1 000 m、斷面面積為100 m2的高速鐵路隧道中運(yùn)行為例，分析微氣壓波的變化特征。

2.1 洞口外微氣壓波峰值衰減規(guī)律

隧道出口外不同位置的微氣壓波變化時(shí)程曲線如圖2所示，該計(jì)算工況下微氣壓波峰值隨洞口外距離的衰減規(guī)律如圖3所示。

圖2 隧道洞口微氣壓波時(shí)程曲線圖

圖3 微氣壓波峰值隨洞口外距離的衰減規(guī)律圖

從圖2、圖3可以看出：

(1)高速鐵路隧道洞口微氣壓波隨洞內(nèi)壓縮波的傳播而不斷變化，其中，壓縮波使微氣壓波出現(xiàn)正峰值，膨脹波使洞口微氣壓波出現(xiàn)負(fù)峰值，而最大峰值則是由車頭進(jìn)入隧道進(jìn)口時(shí)形成的初始?jí)嚎s波引起。

(2)洞口微氣壓波峰值隨距洞門出口距離的增大而迅速衰減，距出口10 m、20 m、30 m、40 m和50 m的微氣壓波峰值分別為230.6 Pa、135.4 Pa、93.4 Pa、68.8 Pa和56.5 Pa，微氣壓波峰值與距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系近似為y=1 808.8x-0.88。洞口微氣壓波不滿足規(guī)范距洞口20 m和50 m處的微氣壓波分別小于 50 Pa和20 Pa的要求。

2.2 車速對(duì)微氣壓波的影響

列車速度是影響洞口微氣壓波的主要因素，本文對(duì)不同速度條件下隧道洞口20 m處微氣壓波峰值的變化進(jìn)行對(duì)比。350 km/h和400 km/h速度下洞口20 m 處微氣壓波時(shí)程曲線如圖4所示，車速與微氣壓波峰值之間的擬合曲線如圖5所示,350 km/h和400 km/h 速度下隧道洞口微氣壓波峰值如表2所示。

圖4 隧道洞口微氣壓波時(shí)程曲線圖

圖5 列車速度與微氣壓波峰值之間的關(guān)系圖

表2 隧道洞口微氣壓波峰值對(duì)比表

從圖4、圖5可以看出，受初始?jí)嚎s波的影響，350 km/h 和400 km/h速度下隧道洞口微氣壓波均表現(xiàn)出壓力突增、突降現(xiàn)象，且變化規(guī)律基本一致。當(dāng)列車速度低于300 km/h時(shí)，隧道洞口20 m處的微氣壓波峰值均低于50 Pa，滿足規(guī)范要求。當(dāng)列車速度為300 km/h 和350 km/h時(shí)，微氣壓波峰值分別達(dá)到52 Pa 和79 Pa，均超過(guò)規(guī)范值，車速與微氣壓波峰值之間呈現(xiàn)超3次方(y=3x3.3)的正比關(guān)系，即當(dāng)列車速度由 350 km/h 提升至400 km/h時(shí)，洞口微氣壓波峰值會(huì)出現(xiàn)大幅增加，洞口20 m處的微氣壓波峰值將由超出規(guī)范值約30 Pa增加到85.4 Pa，即超標(biāo)率由58%增大到171%。洞口50 m處微氣壓波峰值由超出規(guī)范值約17.7 Pa增加到36.5 Pa，即超標(biāo)率由89%增大到183%。

2.3 隧道長(zhǎng)度對(duì)微氣壓波的影響

除了列車速度，隧道長(zhǎng)度對(duì)微氣壓波也有一定程度的影響， 350 km/h和400 km/h兩種速度條件下不同長(zhǎng)度隧道洞口微氣壓波峰值對(duì)比如圖6所示。

圖6 不同隧道長(zhǎng)度下隧道洞口微氣壓波峰值圖

從圖6可以看出：

(1)當(dāng)列車速度為350 km/h時(shí)，隧道洞口微氣壓波峰值隨隧道長(zhǎng)度的增大而減小，二者呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，隧道洞口20 m處和50 m微氣壓波峰值與隧道長(zhǎng)度的擬合方程分別近似為y=-0.012 1x+90.86和0.004 2x+37.79，這一規(guī)律與參考文獻(xiàn)[9]是一致。

(2)相反地，當(dāng)列車速度為400 km/h時(shí)，隧道洞口微氣壓波峰值隨隧道長(zhǎng)度的增大而增大，二者呈正線性相關(guān)關(guān)系，隧道洞口20 m處和50 m微氣壓波峰值與隧道長(zhǎng)度的擬合方程分別近似為y=0.017 7x+115.09和0.007 9x+47.65。

發(fā)生上述現(xiàn)象的原因可能在于：當(dāng)列車速度由 350 km/h 提高到400 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的Ma由0.285提高到0.327，而根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的基本分析理論，對(duì)于Ma>0.3的中亞音速流動(dòng)，空氣壓縮熱將逐漸顯現(xiàn)，因此，針對(duì)400 km/h+速度條件下的隧道洞口微氣壓波有必要繼續(xù)進(jìn)行深入研究。

3 400 km/h速度下洞口緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

已有研究表明，洞口微氣壓波峰值與初始?jí)嚎s波的變化梯度呈現(xiàn)5～8次方關(guān)系[10]，而消減初始?jí)嚎s波的方法包括改善車頭流線型(主要是提高長(zhǎng)細(xì)比)、降低列車速度、增大隧道斷面和在洞口加設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)等，本文主要結(jié)合增大隧道斷面和增設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)兩種方法進(jìn)行分析。

3.1 增大隧道斷面

列車以400 km/h速度通過(guò)100 m2和110 m2兩種隧道斷面的微氣壓波峰值對(duì)比如圖7所示。

圖7 100 m2和110 m2隧道斷面洞口微氣壓波時(shí)程曲線圖

從圖7可以看出，對(duì)于400 km/h的高速鐵路隧道，當(dāng)隧道斷面由100 m2增大到110 m2時(shí)，洞口外20 m 處微氣壓波峰值將由135.4 Pa降低到120.1 Pa，即由規(guī)范允許值的271%降低到240%，降低效果有限。同時(shí)，隧道斷面面積增大必將引起線路建造成本及技術(shù)難度大幅的增加，因此，通過(guò)在洞口加設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)來(lái)降低微氣壓波峰值的方法更為適宜。

3.2 增設(shè)洞口緩沖結(jié)構(gòu)

對(duì)于350 km/h的高速鐵路隧道，主要洞口緩沖結(jié)構(gòu)型式主要有喇叭型、等截面擴(kuò)大、明洞斜切和洞周開孔等?？紤]到400 km/h速度下高速隧道洞口微氣壓波值遠(yuǎn)超規(guī)范和350 km/h速度下的相應(yīng)值，對(duì)各種緩沖結(jié)構(gòu)及其組合方式的緩沖效果進(jìn)行對(duì)比分析。以斷面面積100 m2、長(zhǎng)度 1 000 m 的隧道為例，分析緩沖結(jié)構(gòu)及其組合方式下洞口微氣壓波峰值的緩沖效果，結(jié)果如表3所示。

表3 不同洞口結(jié)構(gòu)組合型式的緩沖效果對(duì)比表

從表3可以看出，對(duì)于400 km/h的高速鐵路隧道， 采用單一的緩沖結(jié)構(gòu)無(wú)法將洞口微氣壓波峰值降低到規(guī)范允許值以下，采用等截面擴(kuò)大+斜切+開孔的組合型緩沖結(jié)構(gòu)則可取得較好的降壓效果。因此，建議400 km/h速度高速鐵路隧道洞口采用等截面擴(kuò)大+斜切+開孔的組合型緩沖結(jié)構(gòu)。

3.3 緩沖結(jié)構(gòu)形式及其設(shè)計(jì)參數(shù)分析

鑒于隧道洞口微氣壓波峰值與隧道長(zhǎng)度存在一定相關(guān)性，以等截面擴(kuò)大+斜切+開孔的組合型緩沖結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分析隧道長(zhǎng)度400～6 000 m范圍內(nèi)緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 不同隧道長(zhǎng)度條件下洞口緩沖設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表

4 結(jié)論及建議

本文采用室內(nèi)動(dòng)模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，研究了400 km/h速度條件下高速鐵路隧道洞口的微氣壓波特征，并基于國(guó)內(nèi)外主要緩沖結(jié)構(gòu)型式，對(duì)400 km/h速度條件下高速鐵路隧道洞口的緩沖結(jié)構(gòu)型式及其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了量化分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)隧道洞口微氣壓波峰值隨列車速度的增大而急速增加，二者呈現(xiàn)超3次方(y=3x3.3)的正比關(guān)系， 400 km/h速度下隧道洞口微氣壓波峰值為 350 km/h速度下的1.61～1.74倍，且均遠(yuǎn)超規(guī)范要求。

(2)400 km/h速度下，洞口微氣壓波隨隧道長(zhǎng)度的增加而線性增加；350 km/h速度下，洞口微氣壓波隨隧道長(zhǎng)度的增加而線性降低。

(3)對(duì)于400 km/h的高速鐵路隧道，單純?cè)龃笏淼罃嗝婊蚣釉O(shè)單一緩沖結(jié)構(gòu)均不能滿足現(xiàn)有規(guī)范要求，采用等截面擴(kuò)大+斜切+開孔的組合型緩沖結(jié)構(gòu)可將洞口微氣壓波降低到規(guī)范允許值以內(nèi)。

(4)對(duì)于400 km/h的高速鐵路隧道，隧道洞口微氣壓波峰值與隧道長(zhǎng)度存在一定的相關(guān)性，應(yīng)根據(jù)隧道長(zhǎng)度對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化分析。

本文主要是基于室內(nèi)動(dòng)模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真兩種研究方法進(jìn)行的研究，最終實(shí)施效果應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，對(duì)于更高速度下隧道洞口的結(jié)構(gòu)型式及其微氣壓波特征，有必要結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)中等亞音速流的基礎(chǔ)分析理論進(jìn)行深入研究。