高速列車單列通過(guò)時(shí)雙線隧道內(nèi)列車風(fēng)分布規(guī)律研究

管鴻浩,龔彥峰,蹤敬良,焦齊柱,耿語(yǔ)堂

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063； 2.水下隧道技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,武漢 430063； 3.中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410075)

引言

隨著列車速度不斷提高，列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)氣流對(duì)軌旁工作人員安全及軌旁基礎(chǔ)設(shè)施造成威脅[1-3]。迄今為止，對(duì)于列車在露天中的列車風(fēng)已進(jìn)行了全面研究[4-6]，GILBERT等[7]通過(guò)動(dòng)模型試驗(yàn)及露天控制實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在隧道中陣風(fēng)峰值比露天條件下高。這也使越來(lái)越多的人將注意力轉(zhuǎn)移到列車-隧道耦合的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)上。

由于地理環(huán)境原因，為滿足線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，隧道在高速鐵路工程建設(shè)中必不可少。在國(guó)內(nèi)外已投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路中，隧道長(zhǎng)度均占了較大比例。日本山陽(yáng)新干線隧道占線路總長(zhǎng)50%，北陸新干線更是達(dá)到了63%。我國(guó)山地較多，高速鐵路隧道數(shù)量眾多、分布廣，如石太客運(yùn)專線隧道長(zhǎng)度占線路總長(zhǎng)的39.4%，其中，全長(zhǎng)27.8 km的太行山隧道是目前我國(guó)建成通車最長(zhǎng)的鐵路山嶺隧道；溫?？瓦\(yùn)專線總長(zhǎng)298 km，全線建有雙線隧道59座，隧道長(zhǎng)度占線路總長(zhǎng)的50.1%。從“十一五”至“十三五”期間，我國(guó)建成高速鐵路隧道9 260座，總長(zhǎng)約為15 316 km，已成為全世界擁有高速鐵路隧道最多的國(guó)家。

由于隧道的半封閉性，當(dāng)列車由空曠地帶高速駛?cè)胨淼罆r(shí)，車體附近的空氣被迅速排開，被排到一邊的空氣不能像在露天那樣及時(shí)釋放，空氣只能向列車前方或后方流動(dòng)。當(dāng)列車車頭進(jìn)入隧道時(shí)，車頭前方會(huì)形成高壓區(qū)，推動(dòng)空氣向前流動(dòng)。當(dāng)列車尾部進(jìn)入隧道時(shí)，尾部會(huì)形成低壓區(qū)，將空氣吸入隧道內(nèi)，這種效應(yīng)被稱為活塞效應(yīng)[8]。SHIN等[9]對(duì)列車在隧道中運(yùn)行時(shí)的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬；費(fèi)瑞振等[10]采用數(shù)值模擬方法計(jì)算隧道內(nèi)兩側(cè)疏散通道上不同位置在列車運(yùn)行過(guò)程中的最大風(fēng)速，分析了在列車風(fēng)作用下人員的安全性；劉堂紅等[11]對(duì)隧道內(nèi)列車風(fēng)進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)列車風(fēng)風(fēng)速與列車運(yùn)行速度呈線性關(guān)系。相對(duì)于單線隧道的列車風(fēng)交會(huì)工況，列車風(fēng)增幅可達(dá)1.6倍[12]。譚鵬等[13]采用數(shù)值模擬方法對(duì)列車在城際鐵路隧道內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的列車風(fēng)變化過(guò)程進(jìn)行分析，計(jì)算流線型高速列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，隧道內(nèi)沿縱向不同位置列車風(fēng)最大風(fēng)速，進(jìn)一步對(duì)隧道內(nèi)列車風(fēng)縱向和橫向分布特性進(jìn)行了探討。關(guān)于活塞風(fēng)的特性以及計(jì)算方法方面，李炎等[14]提出了活塞風(fēng)壓力和活塞風(fēng)速度的計(jì)算方法；王麗慧等[15]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，研究了地鐵出站情況下活塞風(fēng)對(duì)地鐵車站各個(gè)單元速度場(chǎng)的影響；LIU等[16]通過(guò)建立活塞風(fēng)理論模型，研究了5個(gè)因素對(duì)活塞風(fēng)速的影響，發(fā)現(xiàn)堵塞比對(duì)活塞風(fēng)量影響最大?；钊?yīng)所形成的列車風(fēng)嚴(yán)重影響隧道內(nèi)設(shè)備安裝穩(wěn)定性，對(duì)維修人員及列車運(yùn)行安全性造成影響。高龍等[17]基于隧道氣動(dòng)效應(yīng)等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，分析列車風(fēng)對(duì)于列車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響；雷波等[18]根據(jù)列車風(fēng)場(chǎng)的特點(diǎn)，提出一種計(jì)算列車風(fēng)作用于人體氣動(dòng)力的方法。上述文獻(xiàn)中多采用滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)列車風(fēng)進(jìn)行研究。

目前，針對(duì)隧道內(nèi)列車風(fēng)主要是機(jī)理方面研究，關(guān)于列車風(fēng)的分布規(guī)律研究相對(duì)較少，但在列車和隧道不同因素的交織影響下，列車隧道運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的列車風(fēng)比明線運(yùn)行時(shí)更復(fù)雜，且由列車風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)壓會(huì)對(duì)安裝在隧道內(nèi)的輔助設(shè)施產(chǎn)生瞬態(tài)壓力沖擊，影響隧道內(nèi)輔助設(shè)施安裝穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致承壓件表面損傷，懸掛件掉落等問(wèn)題。因此，亟需開展隧道列車風(fēng)以及動(dòng)壓研究。本研究對(duì)單列列車以350 km/h速度通過(guò)雙線隧道情況下的列車風(fēng)及動(dòng)壓進(jìn)行分析。使用數(shù)值模擬方法，運(yùn)用RNGk-ε湍流模型，采用商業(yè)CFD軟件ANSYS-FLUENT，分析列車通過(guò)隧道時(shí)不同位置處縱向、橫向和垂向方向3個(gè)分量下的列車風(fēng)速度及動(dòng)壓分布規(guī)律。

1 數(shù)值方法

1.1 幾何模型

本次計(jì)算所采用的列車模型為全尺寸復(fù)興號(hào)動(dòng)車組，由8節(jié)車組成，分為頭車、6節(jié)中間車以及尾車，如圖1所示。其中，頭車與尾車長(zhǎng)度均為27.5 m，中間車每節(jié)車長(zhǎng)度為25 m，總長(zhǎng)205 m，列車寬3.36 m，高4.05 m。列車計(jì)算模型具有大部分的一般形狀特征，包括轉(zhuǎn)向架風(fēng)擋等。為獲得更高的網(wǎng)格質(zhì)量，提高計(jì)算效率，計(jì)算模型忽略了受電弓及其他附屬結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算隧道為雙線隧道，橫截面積為100 m2，如圖2所示，列車車輪下邊緣距離地面高度為0.2 m，用來(lái)模擬軌道高度，軌間距為5 m。列車運(yùn)行在y軸正方向的一側(cè)，隧道長(zhǎng)度選取最不利隧道長(zhǎng)度，采用式(1)計(jì)算。

圖1 列車模型(單位：m)

圖2 隧道斷面(單位：m)

(1)

式中，Ltu，crit為最不利隧道長(zhǎng)度；Ltr，A為第一列車長(zhǎng)度；Ltr，B為第二列車長(zhǎng)度；c為聲音傳播速度(取340 m/s)；vtr，A為第一列車運(yùn)行速度；vtr，B為第二列車運(yùn)行速度。

通過(guò)式(1)計(jì)算出兩車交會(huì)情況下的最不利雙線隧道長(zhǎng)度，由于目前隧道多采用雙軌隧道結(jié)構(gòu)，因此，選用雙線最不利隧道長(zhǎng)度進(jìn)行研究。當(dāng)列車運(yùn)行速度350 km/h、車長(zhǎng)205 m時(shí)，雙線隧道最不利長(zhǎng)度為716.9 m。本次數(shù)值模擬計(jì)算模型為全尺寸模型，與實(shí)際情況相同，因此，對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)Re=2.9×107。

1.2 計(jì)算域與邊界條件

單列列車通過(guò)雙線隧道的計(jì)算域如圖3所示，計(jì)算域分為隧道域和外域，為保證外域的尺寸足夠大，將外域設(shè)置為兩個(gè)相同的長(zhǎng)400 m，寬80 m，高40 m的長(zhǎng)方體，可保證隧道入口附近的流動(dòng)不受外部環(huán)境影響。列車位置在圖3中已進(jìn)行了標(biāo)注，為保證列車從露天區(qū)域突然進(jìn)入隧道時(shí)的穩(wěn)定性，列車放置在距隧道入口50 m的位置。邊界條件示意如圖4所示。整個(gè)計(jì)算區(qū)域被劃分為2個(gè)區(qū)域，區(qū)域A為滑動(dòng)區(qū)域，區(qū)域B為靜止區(qū)域。區(qū)域A是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的長(zhǎng)方體滑塊，包含計(jì)算所用列車。區(qū)域B包含外域和部分隧道域。列車與隧道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)采用滑動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)，滑動(dòng)網(wǎng)格計(jì)數(shù)是目前公認(rèn)的模擬列車和隧道相對(duì)運(yùn)動(dòng)最為方便有效的方法之一，利用區(qū)域A的移動(dòng)邊界來(lái)模擬列車，運(yùn)動(dòng)。由于在使用滑動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算速度是兩個(gè)需考察的重要因素，與動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)相比，滑動(dòng)網(wǎng)格無(wú)需網(wǎng)格再生的特性具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，既不降低網(wǎng)格質(zhì)量，同時(shí)又大幅提升了計(jì)算效率。

圖3 計(jì)算域示意(單位：m)

圖4 邊界條件設(shè)定(單位：m)

將列車表面、地面、隧道、外域前端定義為靜止防滑墻邊界。為保證計(jì)算外流場(chǎng)的完整性與準(zhǔn)確性，滑動(dòng)區(qū)域末端超出靜止區(qū)域末端1 200 m，從而保證了列車在駛出隧道后，滑動(dòng)區(qū)域末端不會(huì)進(jìn)入靜止區(qū)域。坐標(biāo)系原點(diǎn)位于隧道入口地面。X軸為隧道長(zhǎng)度方向即縱向，Y軸為隧道寬度方向即橫向，Z軸為隧道高度方向即垂向。

1.3 網(wǎng)格模型

由于列車計(jì)算模型大部分具有一般形狀特征，包括轉(zhuǎn)向架風(fēng)擋等，滑動(dòng)區(qū)域的網(wǎng)格靠近車體部分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行離散。遠(yuǎn)離車體的滑動(dòng)區(qū)域和靜止區(qū)域由于其具有相對(duì)規(guī)則的幾何邊界，其網(wǎng)格采用更加優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，所述滑動(dòng)區(qū)域與靜止區(qū)域網(wǎng)格如圖5所示?？拷熊嚤砻娴木W(wǎng)格尺寸為0.008 m。由于列車前端和尾流部分與壓力和風(fēng)速高度相關(guān)，因此，對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行了細(xì)化。

圖5 網(wǎng)格方法

1.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

隧道段設(shè)有17個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)列車風(fēng)。靠近隧道墻的測(cè)量點(diǎn)位于距軌道中心6.0 m處。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)易受地面影響，在距離地面1.0 m和2.0 m處分別設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿高度方向間距為2.0 m。為監(jiān)測(cè)隧道頂部的列車風(fēng)情況，在距離地面高6 m的位置靠近列車一側(cè)，隧道中線位置，遠(yuǎn)離列車運(yùn)行一側(cè)共設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)。針對(duì)單列火車通過(guò)雙線隧道的情況，隧道內(nèi)列車風(fēng)沿隧道中心線不對(duì)稱。因此，在橫向距離列車較遠(yuǎn)的一側(cè)，共設(shè)置8個(gè)點(diǎn)，橫向間隔2.0 m。具體檢測(cè)點(diǎn)如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

1.5 求解器設(shè)置

由于波效應(yīng)與活塞效應(yīng)的存在，當(dāng)列車高速通過(guò)隧道時(shí)，列車周圍的流動(dòng)呈現(xiàn)出高度的紊流非定常狀態(tài)，雷諾應(yīng)力模型和渦黏性模型中的k-ε兩方程模型在列車周圍空氣流場(chǎng)流動(dòng)的湍流數(shù)值模擬中應(yīng)用最為廣泛?？紤]到隧道內(nèi)為密閉空間以及馬赫數(shù)大于0.3，湍流模擬采用三維可壓縮的RNGk-ε湍流模型來(lái)求解隧道內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。該模型已被廣泛驗(yàn)證，可有效模擬列車在隧道中通過(guò)所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)[19]?？刂品匠滩捎肗avier-Stockes方程和能量方程，有關(guān)于控制方程的相關(guān)介紹可在CHU等[20]研究中獲得答案。

采用FLUENT商業(yè)軟件對(duì)上述方程進(jìn)行求解，采用有限體積法(FVM)進(jìn)行離散，對(duì)流擴(kuò)散項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，速度-壓力耦合方程求解基于SAMPLE算法，時(shí)間項(xiàng)處理采用非定常模擬的二階隱式格式，列車在0.51 s進(jìn)入隧道，在10.0 s駛出隧道，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.008 5 s，總計(jì)算時(shí)間為11.0 s，整個(gè)計(jì)算需要時(shí)間步超過(guò)1 200步，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)迭代次數(shù)為50次，所有的計(jì)算數(shù)據(jù)通過(guò)用戶自定義函數(shù)(UDF)文件進(jìn)行輸出。

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

為使后續(xù)數(shù)據(jù)對(duì)比及分析結(jié)果更加方便，使用無(wú)量綱系數(shù)處理數(shù)據(jù)。在本研究中縱向、橫向和垂向分量的無(wú)量綱列車風(fēng)速度定義為u/V、v/V、和w/V，其中，V為列車運(yùn)行速度，無(wú)量綱合成列車風(fēng)速度為VR，結(jié)合上述3種速度分量，其定義為

(2)

2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本研究采用的網(wǎng)格方案足夠成熟，使求解誤差最小化，通過(guò)細(xì)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究。分別生成粗網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格2種不同尺度的網(wǎng)格，分別有約2 600萬(wàn)個(gè)和3 800萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元。2種不同網(wǎng)格的詳細(xì)參數(shù)如表1所示，主要優(yōu)化實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)向架、列車車身和隧道表面。選擇隧道左側(cè)的不動(dòng)點(diǎn)x=250 m，對(duì)比該點(diǎn)列車風(fēng)的縱向分量和壓力，如圖7所示。結(jié)果表明，與細(xì)網(wǎng)格相比，粗網(wǎng)格的最大列車風(fēng)預(yù)測(cè)值偏差較小，偏差約為1.0%，最大壓力系數(shù)預(yù)測(cè)值偏差為0.9%。因此，為保持較高精度的同時(shí)減少計(jì)算資源，采用約2 600萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元的粗網(wǎng)格方案。

表1 網(wǎng)格詳細(xì)參數(shù)

圖7 不同網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線

3 結(jié)果與分析

3.1 隧道內(nèi)列車風(fēng)時(shí)間與空間演變

隧道空氣動(dòng)力學(xué)在本質(zhì)上是瞬態(tài)變化，不同位置、不同時(shí)間段測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)都會(huì)有較大不同。選擇3個(gè)具有代表性的位置x=150，350，650 m分析隧道內(nèi)列車風(fēng)的時(shí)間與空間演變。這3點(diǎn)分別位于隧道入口附近、隧道中部、隧道出口附近，其橫向及垂向坐標(biāo)全部為y=6.0 m、z=2.0 m。圖8為3個(gè)測(cè)點(diǎn)的列車風(fēng)時(shí)程曲線，如圖8(a)所示，在隧道入口位置，隧道內(nèi)列車風(fēng)受活塞效應(yīng)影響，列車風(fēng)速度逐漸增加，在列車經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，環(huán)狀空間內(nèi)列車風(fēng)迅速降低并改變方向，尾車通過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)達(dá)到負(fù)峰值；列車經(jīng)過(guò)后，列車風(fēng)迅速改變方向，并逐漸增加至正峰值。與縱向分量不同的是，橫向分量和垂向分量在列車未到達(dá)時(shí)，速度穩(wěn)定為0，在頭車到達(dá)時(shí)，橫向分量和垂向分量產(chǎn)生正向波動(dòng)。隨著尾車經(jīng)過(guò)，橫向分量產(chǎn)生負(fù)向波動(dòng)，但垂向分量受尾車的影響產(chǎn)生正向波動(dòng)。

在隧道中部位置，列車風(fēng)變化與隧道入口處基本一致，只是在時(shí)間上有所延遲。由圖8(c)可明顯看到，在列車未到達(dá)時(shí)，隧道內(nèi)列車風(fēng)經(jīng)過(guò)了先增大后減小再增大的過(guò)程，這是由于隧道內(nèi)壓力波會(huì)對(duì)局部氣流造成影響。當(dāng)頭車或尾車突然進(jìn)入隧道時(shí)，由于擠壓作用產(chǎn)生壓力波，當(dāng)壓力波在進(jìn)口或出口傳播時(shí)，壓力波被反射，強(qiáng)度降低。當(dāng)不同的波相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生波的疊加和抵消效應(yīng)，這會(huì)導(dǎo)致局部壓力波動(dòng)和復(fù)雜的氣流變化，具體可在LI等[21]研究中得到解答。

圖8 列車風(fēng)時(shí)程曲線

對(duì)于VR的3個(gè)分量，縱向分量u占據(jù)主要成分。根據(jù)VR的計(jì)算公式，橫向分量v和縱向分量w值相對(duì)于u都較小，取平方根后可忽略不計(jì)。因此，VR的極值近似等于縱向分量u的極值。由于隧道內(nèi)列車風(fēng)主要以縱向分量為主，縱向分量u與合成列車風(fēng)VR基本一致，故研究更多集中在縱向分量u。

隧道內(nèi)列車風(fēng)是三維的，同一截面不同位置處列車風(fēng)速度有較大區(qū)別。圖9給出了在x=350 m截面處，不同測(cè)點(diǎn)的列車風(fēng)曲線，有針對(duì)性地分析隧道頂部列車風(fēng)變化規(guī)律，測(cè)點(diǎn)高度z=6 m，測(cè)點(diǎn)位置分別在列車運(yùn)行一側(cè)、隧道中心線、遠(yuǎn)離列車一側(cè)。由圖9可以看出，在列車經(jīng)過(guò)時(shí)，隧道頂部列車風(fēng)速度小于軌道旁邊列車風(fēng)速度，這是由于測(cè)點(diǎn)距離列車位置較遠(yuǎn)所導(dǎo)致。通過(guò)對(duì)比可知，列車經(jīng)過(guò)時(shí)，列車風(fēng)速度在同一截面不同位置處相差并不大；列車經(jīng)過(guò)后產(chǎn)生較大不同，靠近列車運(yùn)行一側(cè)的列車風(fēng)速度遠(yuǎn)大于隧道中線以及遠(yuǎn)離列車運(yùn)行一側(cè)列車風(fēng)速度；在隧道中線位置以及遠(yuǎn)離列車運(yùn)行一側(cè)，列車風(fēng)速度幾乎沒(méi)有差別。

圖9 隧道頂部列車風(fēng)時(shí)程曲線

表2為測(cè)點(diǎn)位置列車風(fēng)速度峰值，可以看出，列車經(jīng)過(guò)時(shí)，靠近列車一側(cè)、中線位置及遠(yuǎn)離列車一側(cè)列車風(fēng)速度負(fù)峰值相差不大，但正峰值明顯不同，靠近列車運(yùn)行一側(cè)與隧道中線及遠(yuǎn)離列車運(yùn)行一側(cè)有較大區(qū)別，這是由于算例為雙軌鐵路隧道，列車運(yùn)行在隧道偏中心一側(cè)，列車周圍左右空間不對(duì)稱。左側(cè)較快氣流和右側(cè)較慢氣流在尾跡區(qū)相遇，產(chǎn)生壓力差，將空氣吸入左側(cè)。進(jìn)一步發(fā)展后，在遠(yuǎn)尾跡區(qū)域形成速度層，高速度向靠近列車一側(cè)傾斜，低速度向遠(yuǎn)離列車運(yùn)行一側(cè)傾斜。這一現(xiàn)象可通過(guò)圖10所示尾跡區(qū)列車風(fēng)速度云圖得到驗(yàn)證。

表2 列車風(fēng)系數(shù)峰值

圖10 尾跡區(qū)列車風(fēng)速度系數(shù)云圖

3.2 隧道內(nèi)列車風(fēng)峰值分布

無(wú)論是在橫向或垂直方向上，露天列車風(fēng)的強(qiáng)度和最大值與距車身距離強(qiáng)相關(guān)[22]。由上一節(jié)可以得到，隧道中線位置與遠(yuǎn)離列車一側(cè)位置列車風(fēng)速度相差較小，這一點(diǎn)將在本節(jié)展開討論。

圖11(a)為隧道內(nèi)x=350 m、z=2 m時(shí)，橫向不同位置處列車風(fēng)縱向分量時(shí)程變化曲線?？梢钥闯觯诹熊嚨竭_(dá)測(cè)點(diǎn)前，不同位置處列車風(fēng)基本一致，在頭車到達(dá)時(shí)，隧道中線位置處會(huì)有相對(duì)較小的向上波動(dòng)，但其他位置并無(wú)波動(dòng)；列車經(jīng)過(guò)時(shí)，列車風(fēng)速度迅速下降，改變方向，列車通過(guò)的時(shí)間內(nèi)，列車風(fēng)速度始終為負(fù)方向，且隨著列車經(jīng)過(guò)，列車風(fēng)速度逐漸增大，在尾車通過(guò)時(shí)，速度達(dá)到負(fù)峰值；列車通過(guò)后，不同位置處的列車風(fēng)呈現(xiàn)出明顯不同，隧道中線附近，隨著列車經(jīng)過(guò)，列車風(fēng)速度轉(zhuǎn)變?yōu)檎岛?，達(dá)到了列車風(fēng)速度正峰值。但遠(yuǎn)離列車運(yùn)行一側(cè)，隨著列車的經(jīng)過(guò)，列車風(fēng)速度逐漸趨近于0，波動(dòng)較隧道中線位置明顯減小很多；列車通過(guò)隧道后，隧道內(nèi)列車風(fēng)速度隨著與列車距離的增大而減小。圖11(b)為列車風(fēng)峰值沿y方向分布規(guī)律，可以看出，當(dāng)距離隧道中線超過(guò)4 m后，列車風(fēng)峰值基本保持不變，這是由于車尾經(jīng)過(guò)時(shí)所引起的尾流對(duì)遠(yuǎn)離列車一側(cè)影響較小，其影響程度小于列車未經(jīng)過(guò)時(shí)活塞作用下所引起的列車風(fēng)，因此遠(yuǎn)離列車運(yùn)行一側(cè)的列車風(fēng)峰值基本相同，而隧道中線位置由于距離列車較近，其列車風(fēng)強(qiáng)度受列車尾流影響較大。這些可通過(guò)圖12的列車風(fēng)速度云圖得到驗(yàn)證。

圖11 列車風(fēng)的橫向分布曲線

圖12 x=350 m處列車風(fēng)速度系數(shù)云圖

垂向高度也是影響列車風(fēng)峰值的另一個(gè)重要因素。圖13(a)為縱向列車風(fēng)分量u在x=350 m隧道中線位置離地面不同高度時(shí)的時(shí)間歷程曲線?？梢钥闯?，在z=1 m時(shí)，列車風(fēng)速度明顯較其他位置大，而隨著高度不斷增加，列車風(fēng)變化的波形基本相同。值得一提的是，局部氣流在列車到達(dá)前已經(jīng)上升，且不同高度波形與幅值均相同，這一點(diǎn)與不同橫向距離的表現(xiàn)一致?？梢哉J(rèn)為，在列車到達(dá)前，隧道內(nèi)的列車風(fēng)速度也具有較強(qiáng)的一維效應(yīng)，隨著列車到達(dá)，這種一維效應(yīng)被打破，從而表現(xiàn)出列車風(fēng)三維特征。圖13(b)為不同垂向高度列車風(fēng)峰值分布規(guī)律，可以看出，從垂向高度1 m到垂向高度2 m縱向列車風(fēng)速度峰值迅速下降，在垂向高度大于2 m后列車風(fēng)速度峰值差別較小。這是由于受車頭、轉(zhuǎn)向架和車底設(shè)備影響，底部區(qū)域氣流非常湍急；而中間區(qū)域及列車頂部，列車風(fēng)峰值下降得很慢，這是由于測(cè)點(diǎn)位置在隧道中線位置，遠(yuǎn)離列車運(yùn)行一側(cè)空間廣闊，且受移動(dòng)列車影響較小。

圖13 列車風(fēng)的垂向分布曲線

3.3 隧道內(nèi)動(dòng)壓峰值分布

眾所周知，空氣做定向流動(dòng)時(shí)具有動(dòng)能，而當(dāng)物體處在流體中時(shí)，在正對(duì)流體運(yùn)動(dòng)方向的表面，流體完全受阻，此處流體速度為0，其動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，其所呈現(xiàn)的壓力稱為動(dòng)壓。通過(guò)前一節(jié)分析可以發(fā)現(xiàn)，隧道內(nèi)列車風(fēng)在靠近列車運(yùn)行一側(cè)達(dá)到最大值，而遠(yuǎn)離列車運(yùn)行一側(cè)列車風(fēng)速度相對(duì)較小，因此，動(dòng)壓分析主要針對(duì)靠近列車一側(cè)距離隧道中心線y=6.0 m，z=2.0 m位置。根據(jù)動(dòng)壓計(jì)算公式P動(dòng)=ρv2/2，獲得隧道內(nèi)各位置處動(dòng)壓峰值，其中，P動(dòng)為隧道內(nèi)各位置處的動(dòng)壓值；ρ為空氣密度；v為測(cè)點(diǎn)位置風(fēng)速。通過(guò)計(jì)算可以得出，隧道內(nèi)不同位置處的動(dòng)壓峰值，如表3所示。由表3可知，在隧道入口位置，由于列車并沒(méi)有完全進(jìn)入隧道內(nèi)，隧道內(nèi)流動(dòng)并未完全形成，動(dòng)壓相對(duì)較小。而當(dāng)列車完全進(jìn)入隧道后，動(dòng)壓值相對(duì)基本穩(wěn)定在1 000～1 300 Pa，因此，在設(shè)置隧道內(nèi)附屬設(shè)施時(shí)，應(yīng)相應(yīng)考慮動(dòng)壓所帶來(lái)的影響。

表3 隧道內(nèi)不同位置動(dòng)壓峰值

4 結(jié)論

采用三維、可壓縮、非定常的Navier-Stokes方法全面研究單車通過(guò)雙線隧道時(shí)，隧道內(nèi)列車風(fēng)以及動(dòng)壓的分布規(guī)律，為隧道內(nèi)附屬設(shè)施安裝及維修人員安全避讓提供數(shù)據(jù)參考。主要研究結(jié)果如下。

(1)縱向分量在隧道內(nèi)列車風(fēng)中占主要成分，列車所誘導(dǎo)的列車風(fēng)縱向分量u變化與產(chǎn)生的列車風(fēng)VR變化基本一致，且縱向列車風(fēng)分量受到隧道內(nèi)壓縮波及膨脹波的影響產(chǎn)生較明顯的波動(dòng)，列車風(fēng)橫向分量和垂向分量值相對(duì)較小。

(2)靠近列車運(yùn)行一側(cè)列車風(fēng)峰值出現(xiàn)在列車尾部經(jīng)過(guò)時(shí)，而遠(yuǎn)離列車運(yùn)行一側(cè)列車風(fēng)峰值出現(xiàn)在列車未到達(dá)時(shí)，主要由于單列車在雙線隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，列車與隧道壁之間空隙不一致導(dǎo)致。

(3)在列車到達(dá)前，同一截面位置處的列車風(fēng)表現(xiàn)出較強(qiáng)的一維效應(yīng)，列車風(fēng)速度相同，在列車到達(dá)時(shí)，一維效應(yīng)被打破，表現(xiàn)出明顯的三維效應(yīng)。在遠(yuǎn)離列車運(yùn)行一側(cè)，當(dāng)距離隧道中線超過(guò)4 m后，列車風(fēng)峰值基本保持不變，僅距離列車較近位置的列車風(fēng)強(qiáng)度隨著橫向距離增加逐漸減小。橫向方向在遠(yuǎn)離列車運(yùn)行一側(cè)，當(dāng)距離隧道中線超過(guò)4 m后，列車風(fēng)峰值基本保持不變。垂向方向在隧道中線位置，從垂向高度1 m到垂向高度2 m縱向列車風(fēng)速度峰值迅速下降，在垂向高度大于2 m后列車風(fēng)速度峰值差別較小。

(4)在隧道入口位置，由于列車并沒(méi)有完全進(jìn)入隧道內(nèi)，動(dòng)壓相對(duì)較小，而當(dāng)列車完全進(jìn)入隧道后，動(dòng)壓值基本穩(wěn)定在1 000～1 300 Pa。