8編組高速列車過中長隧道氣動效應模擬

王東屏,張旭平,趙潔,孫成龍

(1.大連交通大學 機械工程學院,遼寧 大連 116028;2.大連交通大學 機車車輛工程學院,遼寧 大連 116028)

目前,空氣動力學問題已經(jīng)成為高速鐵路發(fā)展過程中一個不容忽視的課題。尤其是當列車通過隧道時,列車與周圍空氣的相互作用及空氣復雜的流動,形成了一個隨列車位置變化的可移動壓力源。隧道內(nèi)壓力波的變化及隧道內(nèi)空氣的流動給車身的零部件、列車的能耗、旅客乘坐的舒適性、隧道的設施結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境等均帶來影響[1-2]。因此,有必要對高速列車過隧道時出現(xiàn)的空氣動力學問題進行研究。Miao等[3]對高速列車在側(cè)風下通過隧道交叉口的空氣動力學性能進行了數(shù)值研究。Heine等[4]研究了列車在隧道中運行時高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)對列車壓力波的產(chǎn)生造成的影響。

目前,有關8編組高速列車過中長隧道時列車氣動特性的研究相對較少。因此,本文以某8編組國產(chǎn)高速列車為研究對象,將高速列車組以350 km/h的速度通過隧道的數(shù)值仿真結(jié)果與TB/T 3503.3—2018[5]的理論計算結(jié)果進行對比,驗證仿真方法的正確性,并分析列車在通過隧道的過程中,隧道壁面、列車表面和列車內(nèi)部的壓力變化特性,中長隧道內(nèi)壓力波的傳播規(guī)律,以及壓力變化特性與壓力波傳播規(guī)律之間的關系。

1 數(shù)值計算

1.1 幾何模型與計算區(qū)域

為獲得良好的計算效率和計算精度并提高網(wǎng)格質(zhì)量,本文對列車模型、轉(zhuǎn)向架等部件進行合理簡化,去除受電弓等對列車周圍流場影響較小的結(jié)構(gòu),列車簡化模型見圖1。由圖1可知,列車由頭車、6節(jié)中間車及尾車組成。列車模型總長度為207.8 m,寬度為3.35 m,高度為4.06 m。隧道截面形狀根據(jù)TB 10621—2014[6]制定,隧道洞口采用直切式,隧道斷面見圖2。計算隧道為1 000 m的雙線隧道,凈空有效面積為100 m2。為了避免邊界阻塞比和尾流對仿真結(jié)果造成不良影響,確定流體計算區(qū)域見圖3。計算域分為隧道域和外域,將外域設置為兩個長380 m,寬70 m,高50 m的相同長方體。為保證列車從露天區(qū)域突然進入隧道時的穩(wěn)定性,列車的初始位置在距隧道入口72 m處。

(a) 正視圖

(b) 側(cè)視圖圖1 列車簡化模型

圖2 100 m2雙線隧道斷面

圖3 流體計算區(qū)域

1.2 網(wǎng)格模型及監(jiān)測點

為模擬列車相對于周圍環(huán)境的運動,本文采用網(wǎng)格動態(tài)鋪層的方式來實現(xiàn)列車運動時列車前后區(qū)域網(wǎng)格的生成和消去;通過設置交界面來實現(xiàn)網(wǎng)格之間數(shù)據(jù)的交換。為了較好地捕捉列車表面的壓力變化,對車身表面及附近采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行加密,除車身包裹區(qū)域外其他部分采用六面體網(wǎng)格。最小網(wǎng)格尺寸為0.03 m,網(wǎng)格數(shù)為1 300 萬。計算區(qū)域及列車表面網(wǎng)格見圖4。

(a) 隧道入口網(wǎng)格

(b) 車體表面及周圍網(wǎng)格

(c) 轉(zhuǎn)向架周圍網(wǎng)格圖4 計算區(qū)域及列車表面網(wǎng)格

為了研究單列高速列車通過隧道時隧道及列車表面壓力的變化,沿隧道縱向方向在進出口處對稱布置監(jiān)測點,且每個縱向位置的橫截面選取3個位置進行布置,隧道壁面監(jiān)測點分布見圖5。在列車表面布置的監(jiān)測點統(tǒng)一采用“車廂號-監(jiān)測點號”的方式編號,頭尾車監(jiān)測點編號方式相同,2～6車監(jiān)測點編號方式相同,除頭尾車0、13、14號,2～6車9號,其余編號均遵循奇數(shù)為靠近隧道壁面的列車側(cè),偶數(shù)為遠離隧道壁面的列車側(cè)的原則。列車表面監(jiān)測點具體位置分布見圖6。

(a) 縱斷面

(b) 橫斷面圖5 隧道壁面監(jiān)測點分布(單位:m)

圖6 列車表面監(jiān)測點具體位置分布

1.3 邊界條件及求解參數(shù)

車身及轉(zhuǎn)向架、隧道、地面、外流域與隧道相交面均設置為靜止無滑移壁面;壓力出口和壓力進口均為0 Pa;外流域的其他面均設置為對稱面。運動區(qū)域和靜止區(qū)域的接觸面設置為Interface交界面。自定義Profile函數(shù)來設置列車的運行速度,邊界條件示意圖見圖7。

圖7 邊界條件示意圖

本文采用Ansys Fluent軟件,基于三維、可壓縮、非定常、雷諾時均N-S方程和RNGk-ε兩方程湍流模型求解列車通過隧道時的空氣動力學問題。壓力、密度項均采用二階迎風格式,流體壓力和速度耦合采用Simple算法。時間步長設置為0.001 5 s,內(nèi)迭代步數(shù)為80步。列車運行速度為350 km/h,參考壓力取101 325 Pa,參考溫度取288.16 K。

2 對比分析

將TB/T 3503.3—2018[5](以下簡稱標準)的理論計算結(jié)果與本文三維流動模型計算結(jié)果進行對比,驗證本文所采用的數(shù)值模擬計算方法的合理性和可行性。

列車外表面最大壓力峰-峰值Δpmax可用于估算列車受到的氣動載荷。根據(jù)標準計算得到某8編組列車以350 km/h通過1 000 m隧道時列車外表面的最大壓力峰-峰值Δpmax為3 584.94 N。本文三維流動模型數(shù)值計算的列車各車廂側(cè)墻中心最大壓力峰-峰值與標準的對比結(jié)果見表1。

表1 高速列車側(cè)墻中心壓力峰值

由表1可知,三維數(shù)值計算的最大壓力峰-峰值為4.014 6 kPa,除第1、2節(jié)車廂外,其余車廂均大于標準公式計算得到的最大壓力峰-峰值,具有較好的一致性。經(jīng)對比分析可知,本文所采用的三維流動模型數(shù)值計算方法用于研究列車過隧道問題具有一定的可靠性。

3 結(jié)果及分析

某8編組高速列車以350 km/h的速度通過長度為1 000 m、凈空有效面積為100 m2的隧道時,列車外表面壓力變化過程見8,其中圖8(a)為馬赫波的傳播示意圖,圖8(b)為第二節(jié)車廂側(cè)面中心壓力變化過程。

圖8 列車外表面壓力變化過程

頭車鼻尖到達隧道入口,前方的空氣開始受到壓縮,產(chǎn)生初始壓縮波。尾車在進入隧道的過程中,產(chǎn)生膨脹波,并以聲速傳播到車體表面監(jiān)測點,導致壓力降低(位置①);初始壓縮波到達隧道出口以性質(zhì)相異的膨脹波反射回列車表面,使壓力進一步下降(位置②);初始膨脹波經(jīng)反射成壓縮波到達監(jiān)測點,監(jiān)測點壓力升高(位置③);初始壓縮波經(jīng)二次反射仍為壓縮波,使監(jiān)測點壓力進一步上升(位置④);三次反射后的初始壓縮波形成膨脹波,使監(jiān)測點壓力降低(位置⑤);列車頭部離開隧道會產(chǎn)生壓縮波,擴散至監(jiān)測點,使壓力上升(位置⑥),直到列車完全駛出隧道,壓力慢慢恢復到明線運行時的壓力值。

3.2 隧道表面壓力變化特性

列車在隧道中所處的位置不是完全對稱的,這導致列車兩側(cè)的流場分布不均衡,進而造成隧道內(nèi)產(chǎn)生壓力三維效應。隧道內(nèi)各橫截面不同高度監(jiān)測點的壓力變化見圖9。由圖9可知,列車剛進入隧道時,在極短時間內(nèi)隧道和列車之間的空氣在不對稱空間的流速差值很大,隧道入口段的壓力三維效應最為顯著。由于靠近列車側(cè)的隧道空間較小,空氣流速相對更快,靠近列車側(cè)3.6 m高的隧道監(jiān)測點壓力變化幅值最大。距離隧道入口9.4、333.3、500、973.8 m的各截面上不同高度監(jiān)測點的壓力變化幅值之間最大差值分別為1 014、277、

(a) 距離隧道入口9.4 m處

(b) 距離隧道入口333.3 m處

(c) 距離隧道入口500 m處

(d) 距離隧道入口973.8 m處圖9 隧道內(nèi)各橫截面不同高度監(jiān)測點的壓力變化

191、175 Pa,表明隧道壓力三維效應隨著縱向位置的增大越來越小,壓力波的作用效果趨于穩(wěn)定。

隧道內(nèi)靠近列車側(cè)3.6 m高、中軸線頂端8.7 m高的監(jiān)測點在各橫截面上的壓力變化見圖10。由圖10可知,隧道縱向位置不同,壓力波形差異很大,在高度不變的前提下,隧道中部區(qū)域壓力變化幅值比兩端大。這是由于列車在運行的過程中,隧道端部受壓力波影響的時間極短。由前面的分析可知,靠近列車側(cè)3.6 m高的隧道壁面監(jiān)測點的壓力變化幅值最大。分析圖10(a)可知,中長隧道中部波形發(fā)展得更為充分, 更容易受到同類型壓力波的作用;隧道兩端反射形成性質(zhì)相異的壓力波,并發(fā)生干涉疊加。最大正壓峰值和最大負壓峰值的絕對值分別為2 244和3 517 Pa,均出現(xiàn)在距離隧道入口500 m處的位置;最小正壓峰值和最小負壓峰值的絕對值分別為1 239和1 709 Pa, 均出現(xiàn)在距離隧道入口973.8 m處;兩處縱向位置的正壓峰值和負壓峰值分別相差44%和51%。

(a) 靠近列車側(cè)3.6 m高的隧道位置

(b) 隧道中軸線頂端8.7 m高的隧道位置圖10 隧道內(nèi)相同高度監(jiān)測點在各橫截面的壓力變化

圖11展示了靠近列車側(cè)3.6 m、隧道中軸線頂端8.7 m、遠離列車側(cè)3.6 m處隧道監(jiān)測點的最大壓力峰-峰值沿縱向位置的變化規(guī)律。由圖11可以看出,隧道內(nèi)的正壓值和負壓值均先增大后減小,前期的變化率大于后期的變化率,且負壓值的變化率大于正壓值的變化率。隧道內(nèi)壓力的變化,受到初始壓力波反射疊加的影響,同時還受到隨車壓力波的影響。初始壓力波在中長隧道中傳播的時間較長,壁面摩擦等因素消耗了波的部分能量,所以最大壓力峰-峰值隨著縱向位置的增加先增大后減小。最大壓力峰-峰值在隧道入口附近(0～30 m)增加最快,在30～333 m處增加變緩,在333～550 m處基本不發(fā)生變化。當距隧道入口的距離達到550 m時,最大壓力峰-峰值開始緩慢減小,最后逐漸恢復到最初的壓力值。

圖11 壓力峰值沿隧道縱向位置的變化規(guī)律

3.3 列車表面監(jiān)測點壓力分析

圖12為靠近隧道壁面?zhèn)雀鬈噹行谋O(jiān)測點的壓力峰值。由圖12可知,車頭運行時擠壓前方的空氣形成的壓縮波以聲速向出口傳播,部分與經(jīng)反射得到的壓縮波共同影響列車表面監(jiān)測點的壓力,而8編組列車的車尾進入隧道產(chǎn)生的膨脹波形成了一個負壓源。從車頭到車尾, 正壓峰值逐漸減小,負壓峰值的絕對值逐漸增大且均大于正壓峰值。正壓峰值變化幅度相對于負壓峰值變化幅度更大。頭車的負壓峰值的絕對值是正壓峰值的5倍, 尾車的負壓峰值的絕對值是正壓峰值的34.8倍。頭車的正壓峰值是尾車的12.8倍。

(a) 正壓峰值

(b) 負壓峰值

尾車的負壓峰值的絕對值是頭車的1.32倍。

圖13為頭車和尾車表面監(jiān)測點壓力。由圖13可知,頭車前端鼻尖位置的監(jiān)測點(監(jiān)測點1-0)正壓峰值和最大壓力峰-峰值最大,分別為6 653和3 828 Pa。最大負壓峰值的絕對值和最小壓力峰-峰值出現(xiàn)在司機室的前窗處(監(jiān)測點1-1),分別為3 396和3 497 Pa。同一時刻,頭車鼻端與司機室前窗差值最小為6 590 Pa, 最大為7 020 Pa。尾車最大正壓值和最大壓力峰-峰值依然出現(xiàn)在鼻尖處(監(jiān)測點8-0),分別為1 013和4 428 Pa。最大負壓峰值的絕對值出現(xiàn)在尾車前窗處(監(jiān)測點8-1),最小壓力峰-峰值出現(xiàn)在流線型車身和平直車身的過渡處(監(jiān)測點8-3),為3 366 Pa。尾車的壓力波動遠比頭車明顯,尤其是尾車的鼻端處。綜上所述,在頭車和尾車設計初段,要特別注意車體的強度和疲勞強度,以保證列車的安全運行。

(a) 頭車不同位置

(b) 尾車不同位置圖13 頭車和尾車表面監(jiān)測點壓力

3.4 列車內(nèi)部壓力特性分析

車外壓力傳遞到車內(nèi)取決于兩個因素,即車輛的密封性和車體剛度。根據(jù)公式[7-10]計算可以得到車內(nèi)壓力。圖14為動態(tài)氣密指數(shù)τ=10 s時,頭車和尾車的車內(nèi)外壓力時程曲線。由圖14可以看出,車內(nèi)壓力變化幅度遠小于車外壓力,且車內(nèi)壓力波動滯后于車外壓力波動,頭車的壓力波動幅度小于尾車的壓力波動幅度,兩者相差約30%。

(a) 頭車

(b) 尾車圖14 頭車和尾車的車內(nèi)外壓力時程曲線

圖15為動態(tài)氣密指數(shù)τ=10 s時,高速列車通過隧道的過程中不同車廂的車內(nèi)壓力最值。由圖15可以看出, 從車頭到車尾, 各節(jié)車廂的最小

(a) 壓力最小值

(b) 壓力最大值圖15 不同車廂的車內(nèi)壓力最值

壓力逐漸增大,而最大壓力逐漸減小,這與頭車和尾車的車外壓力變化趨勢相同,尾車的負壓峰值的絕對值是頭車的1.7倍。不同車廂內(nèi),負壓峰值的變化幅度較大,正壓峰值的變化幅度相對較小,頭車和尾車的負壓變化幅度是正壓變化幅度的4.7倍。列車在實際運行中,由于各節(jié)車廂是相互貫通的,所以車廂各監(jiān)測點壓力的差值會比數(shù)值計算的要小。

4 結(jié)論

本文采用三維、非定常、可壓縮N-S方程和RNGk-ε兩方程湍流模型,研究了某8編組高速列車以350 km/h的速度通過1 000 m隧道過程中,隧道壁面、列車表面及列車內(nèi)部的壓力變化特性,得到如下主要結(jié)論:

(1)與TB/T 3503.3—2018計算的最大壓力峰-峰值對比,本文數(shù)值計算的最大壓力峰-峰值的相對誤差不超過10.70%,說明本文對8編組高速列車隧道運行的計算是可靠的。

(2)列車通過1 000 m隧道產(chǎn)生的壓力波均可經(jīng)三次反射,且列車及隧道表面的壓力變化與壓力波在隧道內(nèi)傳播的變化規(guī)律具有一致性。

(3)在列車進入隧道的過程中,隧道入口處列車與隧道之間不對稱的空間內(nèi),近列車側(cè)與遠列車側(cè)的空氣流速差值較大,三維效應最為顯著。距離隧道入口9.4、333.3、500、973.8 m的各截面上不同高度監(jiān)測點的壓力變化幅值之間最大差值分別為1 014、277、191、175 Pa。

(4)在中長隧道的中部,波形發(fā)展更為充分,更容易受到同類型壓力波的疊加作用。最大正壓峰值和最大負壓峰值的絕對值分別為2 244和3 517 Pa,均出現(xiàn)在距離隧道入口500 m處的位置。因此隧道中部要盡量避免輔助設備的安裝。

(5)初始壓力波在中長隧道中傳播的時間較長,壁面摩擦等因素消耗了波的部分能量。最大壓力峰-峰值在隧道入口附近(0～30 m)增加最快;在30～333 m的位置,增加變緩;在333～550 m的位置基本不發(fā)生變化。

(6)8編組高速列車在隧道運行時,從車頭到車尾,車體表面的正壓峰值逐漸減小,負壓峰值的絕對值逐漸增大且均大于正壓峰值。頭車鼻尖處承受的壓力最大,而尾車表面的壓力變化比頭車更顯著。氣動壓力載荷在車廂上分布不均,同一時刻,頭車鼻端與司機室前窗差值最小為6 590 Pa,最大為7 020 Pa。

(7)車內(nèi)壓力變化幅度遠小于車外壓力變化幅度,且車內(nèi)壓力波動滯后于車外壓力波動,頭車的壓力波動幅度小于尾車的壓力波動幅度,兩者相差約30%。不同車廂內(nèi),負壓峰值的變化幅度大,正壓峰值的變化幅度相對較小,頭車和尾車的負壓變化幅度是正壓變化幅度4.7倍。