李偉鵬，王東屏，兆文忠

(1.大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院 遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連116028)

0 引言

高速列車通過隧道時，由于隧道內(nèi)空氣流動受壁面限制及空氣壓縮性，產(chǎn)生相當大的壓力波，壓力波間復(fù)雜的相互作用使隧道內(nèi)空氣壓力和車體上的壓力隨時間波動，呈現(xiàn)較強的非定常性，導(dǎo)致車體表面的脈動負載.從而引起列車行車阻力增加、空氣動力學(xué)噪聲、乘客舒適性、列車動力和總能量消耗、隧道內(nèi)人員作業(yè)環(huán)境加劇等一系列問題［1-4］.

與明線相比，列車在隧道中運行所遇到的氣動問題更復(fù)雜和嚴重［5］.隨高速動車組的快速發(fā)展，研究隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)的制約作用愈顯必要［6］.采用數(shù)值仿真分析的方法，不受物理模型和實驗?zāi)Ｐ偷南拗疲哂休^多靈活性并大大節(jié)約試驗成本.

對于列車通過隧道的數(shù)值仿真分析，很多學(xué)者作了相關(guān)的研究和計算［1，3-4，7-8］，但對于復(fù)雜模型如長大編組列車的數(shù)值分析還很少見.本文通過應(yīng)用計算流體力學(xué)分析軟件Fluent對350 km/h動車組(三輛編組，具有轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu))穿越隧道空氣動力特性的數(shù)值計算，得出高速動車組通過隧道前后過程中列車表面壓力、阻力系數(shù)等空氣動力學(xué)特性，為我國高速動車組以及相關(guān)軌道與隧道建筑的自主創(chuàng)新設(shè)計提供技術(shù)支持.

1 算法原理

目前對具有復(fù)雜幾何特征的實車模型進行明線運行氣動特性分析時一般采用穩(wěn)態(tài)計算.列車高速進入隧道導(dǎo)致隧道內(nèi)空氣流動為三維湍流流動，因此，列車的穩(wěn)定性和性能都與按照明線行駛的設(shè)計工況產(chǎn)生偏離.本文通過連續(xù)方程，三維、可壓縮、非定常的N-S方程，能量守恒方程以及湍流模型方程［9］計算列車過隧道的空氣動力學(xué)問題，湍流模型選用標準κ－ε雙方程模型，采用有限體積法中常用的SIMPLE算法求解離散方程組，對流項的離散格式采用二階迎風格式.

2 計算模型

本文以高速動車組為模型，采用三輛編組，即動力車+拖車+動力車，對列車結(jié)構(gòu)尤其是車體底部進行簡化，并盡可能體現(xiàn)動車組真實的外輪廓.運行工況:列車運行速度350 km/h，隧道長度500 m，橫斷面積70 m2，隧道兩端建立區(qū)域模擬列車明線運行，列車模型及計算區(qū)域如圖1所示.列車通過隧道需運行5.14 s.

圖1 列車模型及計算域

由于結(jié)構(gòu)對稱，沿縱對稱面取一半建模，從而減少計算量，提高計算效率.

網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對整個計算區(qū)域采用分塊劃分網(wǎng)格原則，對車體近壁層區(qū)域網(wǎng)格細化，遠離車體的網(wǎng)格采用稀疏網(wǎng)格，以減少計算量、加快收斂速度.列車表面應(yīng)用三角形網(wǎng)格，隧道內(nèi)靠近列車區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，遠離列車用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余空間采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，應(yīng)用動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)列車與隧道間的相對運動.空間體單元約為372萬.

3 結(jié)果分析

3.1 列車在隧道中空氣動力特性

列車高速過隧道導(dǎo)致隧道壁面和列車表面的空氣壓力發(fā)生變化.隨著列車向前運動，距離隧道入口越近，受到阻力越大，因此頭部鼻端壓力不斷增加.

圖2 列車表面靜壓分布(進入隧道后列車頭部鼻尖處距離入口31.75 m)

列車進入隧道時，由于列車、地面和隧道邊壁限制了空氣的側(cè)向和上下流動，使列車前方空氣受到劇烈壓縮，產(chǎn)生壓縮波并隨列車向前移動，列車頭部鼻端壓力繼續(xù)增大.圖2是列車頭部進入隧道內(nèi)，距離隧道入口31.75 m處列車表面壓力分布，頭部鼻端壓力是7 910 Pa.

當列車尾部進入隧道，在入口產(chǎn)生膨脹波，并沿隧道向出口傳遞，使列車表面壓力降低.

列車在隧道中運行，由于隧道內(nèi)壓縮波和膨脹波的影響，列車表面壓力分布發(fā)生波動.列車車頭鼻端距隧道入口191.8 m處，頭部鼻端壓力系數(shù)最高為1.19.隨后由于列車前端的壓縮波已經(jīng)運動到隧道出口，并反射回隧道中形成膨脹波，列車表面壓力系數(shù)降低.此后當列車頭部又有壓縮波傳遞到此，列車頭部壓力會有所增加.

列車行駛至隧道出口，空氣壓縮波傳至外圍空間使得列車表面壓力系數(shù)減小.出隧道后，由于列車進入明線運行狀態(tài)，列車表面的壓力分布逐漸趨于穩(wěn)定.

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨立．

3.2 列車阻力系數(shù)變化

列車在隧道中運行，空氣阻力完全不同于穩(wěn)態(tài)運行.其值遠大于明線運行，使列車動力和總能量消耗增加.

圖3 列車穿越隧道阻力系數(shù)變化

圖3是列車在隧道中運行的阻力系數(shù)變化.列車運行0.42 s進入隧道，從圖中可以看出，隨列車進入隧道，由于前方空氣被壓縮，列車空氣阻力急劇上升，直到列車尾部進入隧道.最高阻力系數(shù)為1.048，此時運行時間 1.4 s.尾部進入隧道后，在隧道入口形成膨脹波向出口傳遞，同時列車前方的壓縮波傳遞至出口又反射為膨脹波，向隧道內(nèi)回傳.隧道中壓縮波和膨脹波的傳播使列車阻力有所波動，但仍保持高的空氣阻力狀態(tài).當列車接近隧道出口時，由于列車頭部空氣向隧道外散開，列車頭部承受壓力下降，阻力系數(shù)迅速下降.

3.3 列車表面壓力變化

列車進入隧道時，當壓縮波到達隧道出口，一部分變成膨脹波向隧道入口傳播，一部分以微氣壓波的形式繼續(xù)向前傳播;與之對應(yīng)，當列車完全進入隧道時，列車車尾形成的膨脹波也會向隧道出口傳播，并在出口以壓縮波反射回隧道.這些波又在隧道壁面和列車車頭、車尾反射，不斷互相干擾和重疊，使隧道內(nèi)的空氣壓力不斷變化，呈現(xiàn)非常強的瞬態(tài)性.

圖4 車頭鼻端壓力隨時間變化

圖4是列車車頭鼻端壓力隨時間變化曲線.列車車頭在0.42 s進入隧道，車尾在1.22 s進入隧道，列車鼻端壓力從進入隧道后一直增加，在1.0 s時達到最大值8 030 Pa.由于隧道內(nèi)壓縮波、膨脹波的傳播，列車鼻端承受靜壓范圍從3 218～8 030 Pa.在 2.8 s時，鼻端壓力最低，為 3 218 Pa.

圖5是列車表面壓力隨時間的變化.從圖中看出，列車在進入隧道過程中，由于列車前方空氣受到擠壓形成壓縮波使壓力增高;在1.22 s，列車尾部進入隧道產(chǎn)生的膨脹波到達列車表面時，壓力下降;列車運行到2.2 s時，頭部產(chǎn)生的壓縮波自隧道出口反射成膨脹波，到達列車表面，壓力繼續(xù)下降;在2.8～3.0 s，由于膨脹波的疊加，列車表面達到最大負壓值;當膨脹波到達隧道進口時，以壓縮波的形式向隧道內(nèi)反射，到達列車表面，壓力回升.此壓縮波繼續(xù)向隧道出口傳播，到達洞口又以膨脹波回傳，到達列車表面，壓力下降.

圖5 列車表面壓力隨時間變化

當列車表面達到最大負壓值時，列車車頭與車身連接處為－5 065 Pa;車尾與車身過渡處為－5 628 Pa;列車頭車側(cè)面中部為－4 206 Pa;中車車身中部側(cè)面為－4 531 Pa;尾車側(cè)面中部為－4 839 Pa;車尾鼻端最大負壓值是－4 158 Pa.列車在隧道中運行，由于壓縮波和膨脹波的傳播，列車尾部過渡區(qū)產(chǎn)生最大負壓.表1是車身觀測點壓力極值并與明線穩(wěn)態(tài)運行對比.

表1 車身表面壓力與明線壓力對比

從表1中可見，列車過隧道時表面壓力變化幅值遠遠超過明線運行，最大增加率達1 259%，使車輛結(jié)構(gòu)受到很大瞬態(tài)沖擊力，可能損壞車輛結(jié)構(gòu)，降低列車使用壽命，也將對軌道，隧道建筑帶來負面影響.

3.4 列車中車底部裙板壓力變化

圖6是中車底部裙板壓力云圖，其中，選取四個測點位置如圖所示.列車運行沿x軸正向(向右行駛).測點1為中車底部裙板中心線前側(cè)壓力;測點2為中車底部裙板中部壓力;測點3為中車底部裙板中心線尾部壓力;測點4為中車側(cè)裙板與底裙板過渡處壓力.

圖6 中車底部裙板壓力云圖

中車底部裙板各處壓力隨時間變化情況如圖7所示.隨著列車進入隧道，中車底部裙板壓力越來越小(負壓絕對值越來越大).在3.0 s，達到最大負壓.隨后裙板壓力逐漸回升.在4.8 s壓力減小，負壓程度增加，在5.6 s時，壓力開始回升.

圖7 中車底部裙板四個測點壓力隨時間變化

表2是各測點在列車過隧道過程中壓力極值與列車運行時間及所處位置.

表2 測點壓力極值與列車運行時間及所處位置

從表2中可見，列車中車底部裙板壓力在－5 763～560 Pa之間變化.其中最大負壓值出現(xiàn)在側(cè)裙板與底裙板過渡處(測點4)，當列車運行3.0 s，此時列車已進入隧道，車頭鼻尖處距離隧道入口250 m.列車中車底部裙板壓力最大值出現(xiàn)在底部裙板中心線尾部(測點3)，當列車運行0.1 s，此時列車未進入隧道，車頭鼻尖距隧道入口31.3 m.

4 結(jié)論

列車高速過隧道導(dǎo)致隧道壁面和列車表面空氣壓力變化.通過列車穿越隧道過程的數(shù)值計算，可形象直觀地對隧道內(nèi)的空氣流場作出分析和評價，得出如下結(jié)論:

(1)在隧道中高速運行的列車，其空氣阻力遠大于明線運行，最大增加率達1 259%.列車進入到隧道中，在列車鼻端距離隧道入口94.8 m時，列車阻力系數(shù)達到最高值1.048;其后阻力系數(shù)有所波動，當列車接近隧道出口時，阻力系數(shù)迅速下降;

(2)列車在隧道中運行，其表面壓力幅值變化很大，使車輛結(jié)構(gòu)受到很大瞬態(tài)沖擊力.其中鼻端壓力在3 218～8 030 Pa間變化，在距隧道入口56 m處，達到最高值8 030 Pa;

(3)列車處于隧道中部時，車身表面壓力均呈現(xiàn)較大的負壓值，變化范圍在－5 628～－4 158 Pa.其中列車尾部過渡區(qū)產(chǎn)生最大負壓－5 628 Pa;

(4)列車通過隧道過程中，中車底部裙板壓力在－5 763～560 Pa之間變化.當列車處于隧道中部時，中車底部裙板壓力各處均達到最大負壓.其中最大負壓值出現(xiàn)在側(cè)裙板與底裙板過渡處，最大正壓出現(xiàn)在底部裙板中心線尾部.

［1］琚娟，高波，趙文成.高速列車通過隧道時隧道內(nèi)壓力變化的試驗研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2003(3):22.

［2］武青海.列車空氣動力學(xué)數(shù)值仿真研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2002，23(4):132-138.

［3］張兆杰，高波，王英學(xué).高速列車隧道空氣動力學(xué)數(shù)值仿真系統(tǒng)的開發(fā)［J］.路基工程，2006(6):17-18.

［4］梅元貴，趙海恒，劉應(yīng)清.高速鐵路隧道壓力波數(shù)值分析［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，1995，30(6):667-668.

［5］RAGHU S，RAGHUNATHAN，KIM H D，et al.Aerodynamics of high-speed railway train［J］.Progress in Aerospace Science，2002，38(2):105-109.

［6］趙文成，高波，王英學(xué)，等.高速列車通過隧道時壓力波動過程的模型試驗［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004，41(6):16.

［7］田紅旗.列車空氣動力學(xué)［M］.北京:中國鐵道出版社，2007:3-56.

［8］駱建軍，高波，王英學(xué)，等.高速列車通過隧道時壓力變化的數(shù)值模擬［J］.中國鐵道科學(xué)，2003，24(4):82-86.

［9］王福軍.計算流體動力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:7-13，120-132.