牛紀(jì)強

(1.中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075;

2.中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075)

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高速列車通過隧道時產(chǎn)生的列車風(fēng)研究

牛紀(jì)強1,2

(1.中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075;

2.中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075)

摘要:采用數(shù)值計算方法，對不同編組長度高速列車以不同速度(200，250，300和350 km/h)通過隧道和于隧道中心交會進行模擬，并對產(chǎn)生的列車風(fēng)進行分析研究。其中，數(shù)值計算方法進過實車試驗數(shù)據(jù)驗證，波形吻合度較好。研究發(fā)現(xiàn)，列車尾流引起的列車風(fēng)最大，這一現(xiàn)象在靠近列車一側(cè)區(qū)域尤為明顯。編組長度對隧道內(nèi)列車風(fēng)影響顯著，長編組引起的列車風(fēng)明顯大于短編組，增幅可達70.49%。單列車通過隧道時產(chǎn)生的列車風(fēng)與車速近似呈線性關(guān)系，而列車于隧道內(nèi)交會產(chǎn)生的列車風(fēng)風(fēng)速與車速關(guān)系已不再是線性；且相對單車工況，交會工況列車風(fēng)增幅可達1.6倍。隧道內(nèi)列車風(fēng)峰值在空間分布存在顯著差異。

關(guān)鍵詞：高速列車；列車風(fēng)；隧道；編組；交會

由于空氣黏性作用，隧道內(nèi)列車在運行時，邊界層內(nèi)空氣會隨列車一起運動，形成的列車風(fēng)，將會危害隧道內(nèi)作業(yè)人員和隧道內(nèi)置設(shè)備上，嚴(yán)重影響列車運行的安全[1]。我國地形復(fù)雜，山區(qū)丘陵分布廣泛。最近幾年高速鐵路的高速發(fā)展，線路中隧道比例不斷上升。因此，隧道內(nèi)列車風(fēng)的危害將會日益突顯。自從日本“新干線”開通以來，國內(nèi)外對列車高速通過隧道產(chǎn)生的列車風(fēng)進行了理論、數(shù)值模擬和試驗研究，Gilbert等[2]利用動模型對ICE2列車在封閉、半封閉、不同隧道截面面積和隧道長度的隧道內(nèi)產(chǎn)生的列車風(fēng)進行了研究。Kwon等[3,4]對列車在隧道中運行時的流動特性進行了模擬。王厚雄等[5-7]在實車試驗基礎(chǔ)上，對鈍形列車和高速列車周圍列車風(fēng)分布、特性以及對周圍人員氣動作用等進行了較為系統(tǒng)的研究。雷波等[8]根據(jù)列車風(fēng)場的特點，提出一種計算列車風(fēng)作用于人體氣動力的方法。李炎等[9]提出了活塞風(fēng)壓力和活塞風(fēng)速度的計算方法。劉堂紅等[10]對隧道內(nèi)列車風(fēng)進行了實車試驗研究，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)列車風(fēng)風(fēng)速與列車運行速度成線性關(guān)系。李人憲等[11]采用數(shù)值計算方法，提出列車風(fēng)對人體最大水平作用力計算關(guān)系式和人體附近最大列車風(fēng)速計算關(guān)系式、以及高速列車附近人體安全距離的建議。李明水等[12]對上海磁懸浮列車高速會車壓力載荷進行了測量，得到了距離列車一定距離處的列車風(fēng)。費瑞振等[13]采用數(shù)值模擬方法對高速列車在隧道內(nèi)運行時列車風(fēng)的變化規(guī)律和分布特征進行了深入研究，計算隧道內(nèi)兩側(cè)疏散通道上不同位置在列車運行過程中的最大風(fēng)速，分析了在列車風(fēng)作用下人員的安全性。譚鵬等[14]采用數(shù)值模擬方法對列車在城際鐵路隧道內(nèi)運行過程中所產(chǎn)生的列車風(fēng)變化過程進行分析，計算流線型高速列車在隧道內(nèi)運行時，隧道內(nèi)沿縱向不同位置列車風(fēng)最大風(fēng)速，進一步對隧道內(nèi)列車風(fēng)縱向和橫向分布特性進行了探討。畢海權(quán)等[15]對TR磁浮列車的外流場進行了數(shù)值模擬研究，得到了列車上部、側(cè)面和下部的列車風(fēng)場特性。施成華等[16]采用數(shù)值模擬方法，對高速列車在隧道內(nèi)運行過程中所產(chǎn)生的列車風(fēng)速度的變化過程進行分析，計算隧道內(nèi)不同位置在列車運行過程中的最大風(fēng)速和最大風(fēng)壓。本文采用滑移網(wǎng)格方法，對長大編組高速列車通過單洞雙線隧道時產(chǎn)生的氣動效應(yīng)進行了模擬，并通過對隧道內(nèi)靠近列車一側(cè)和遠(yuǎn)離列車一側(cè)區(qū)域內(nèi)列車風(fēng)的監(jiān)測，研究了隧道內(nèi)不同位置處列車風(fēng)的差異以及編組、車速和交會等對隧道內(nèi)列車風(fēng)的影響。為隧道內(nèi)設(shè)備的強度設(shè)計、安放方式和人員避讓提供一定參考。

1數(shù)學(xué)模型

列車以一定運行速度通過隧道和隧道內(nèi)交會時，周圍流場具有強非定常性問題；由于隧道內(nèi)氣體受隧道壁面的限制無法自由流動，列車高速進入后，氣體會受到隧道壁和車體的強烈擠壓，此時需考慮到氣體的可壓縮性。因此，采用非定常、黏性、可壓縮N-S方程和RNGκ-ε雙方程湍流模型來描述列車過隧道和與隧道內(nèi)交會過程。文中數(shù)值計算軟件采用國際主流商用軟件ANSYS 15.0中的CFD模塊——Fluent，壓力與速度的耦合求解采用SIMPLE算法，離散中對時間項采用二階隱式格式，對流項采用高階精度的QUICK格式，擴散項采用二階中心格式?？紤]到所選標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，本次計算時間步長為1.0×10-4~1.5×10-4s。在國家超算廣州中心的天河2號超級計算機平臺，采用256個CPU進行并行計算，單個工況計算時長100 h以上。

2計算模型

2.1　模型及網(wǎng)格

對文中涉及到的位置和長度等參數(shù)采用無量綱化，相對于運行方向，x/H，y/H和z/H分別為縱向、橫向和垂向方向，x為距離列車鼻尖點長度，y為距軌道中心長度，z為距軌面高度。列車風(fēng)U由縱向分量u，橫向分量v和垂向分量w組成，列車運行速度為V。為便于數(shù)據(jù)分析，對數(shù)據(jù)進行無量綱化，如下：

對于本文采用8車編組和16車重聯(lián)編組高速列車作為計算模型，車長L=54.4H(8車編組)和108.6H(16車重聯(lián)編組)，車寬W=3.38 m，車高H=3.7 m。列車模型如圖1所示。由于車體以及轉(zhuǎn)向架等幾何形狀較為復(fù)雜，計算區(qū)域采用分塊劃分網(wǎng)格，車體表面采用三角形網(wǎng)格離散，列車周圍采用四面體網(wǎng)格離散，其他區(qū)域空間均采用六面體網(wǎng)格離散。考慮到計算機資源限制和本文主要關(guān)心列車周圍流場等因素，對車體周圍網(wǎng)格進行了局部加密，遠(yuǎn)離車體區(qū)域網(wǎng)格較為稀疏，疏密網(wǎng)格區(qū)域之間設(shè)置過渡因子。與動模型試驗結(jié)果對比后，確定此次數(shù)值計算中車體表面網(wǎng)格最小間距為0.01 m，隧道入口附近處最小網(wǎng)格間距為0.05 m，列車運行方向緩沖結(jié)構(gòu)附近處相鄰網(wǎng)格間距為0.1 m，隧道上網(wǎng)格間距為0.5 m。整個流場體網(wǎng)格數(shù)不少于2 500萬。圖2為隧道入口處網(wǎng)格圖。

(a)頭部；(b)重聯(lián)部位圖1　列車模型Fig.1 Train model

圖2　隧道入口網(wǎng)格圖Fig.2 Grid of tunnel portal

2.2　計算區(qū)域

為保證流場充分發(fā)展，避免邊界條件對列車周圍流場結(jié)構(gòu)影響，取車高H=3.7為特征長度，隧道前后計算域X方向長度為166H，Y方向?qū)挾葹?4H，Z方向高度為27H。列車初始位置位于距隧道入口17.5H處，選取總長為2 000 m(包括緩沖結(jié)構(gòu))的隧道用于模擬計算，入口設(shè)有開口式明洞緩沖結(jié)構(gòu)(長15 m)，隧道出口設(shè)有開口式明洞+帽檐緩沖結(jié)構(gòu)(長29 m)，單洞雙線隧道有效凈空面積為100 m2，線間距為5 m。單列車過隧道工況計算區(qū)域如圖3所示，交會工況

圖3　單列車過隧道計算區(qū)域示意圖Fig.3 Calculation region of train passing through the tunnel

計算域為在隧道出口計算域內(nèi)加入列車。列車風(fēng)測點布置于距隧道入口400 m處隧道截面上，距離地面高1.3 m處，測點1稱為靠近列車一側(cè)測點，測點2稱為遠(yuǎn)離列車一側(cè)測點，如圖4所示。

單位：m圖4　隧道布點示意圖Fig.4 Arrangement of measuring points in tunnel

2.3　邊界條件

數(shù)值模擬采用滑移網(wǎng)格方法。對于單列車過隧道工況邊界條件設(shè)置如圖3所示，列車車身表面給定運動邊界條件：X方向速度分量給定列車運行速度v，Y和Z向速度分量為0；壓力出口邊界條件中取靜壓為0。

3算法驗證

為驗證本文所采用計算方法的正確性，利用我國于2008~2009年在石太客運專線進行的200~250 km/h隧道氣動效應(yīng)實車試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)值算法驗證。選取實車試驗中列車以250 km/h通過隧道長3 598 m，線間距為4.6 m，有效凈空面積為92 m2的南小坪隧道，由超聲波風(fēng)速傳感器測得的列車風(fēng)縱向分量的時程曲線作為算法驗證所需的對比數(shù)據(jù)。數(shù)值計算中采用與實車試驗中相同的8車編組的高速列車，為便于網(wǎng)格離散，對模型進行了必要且合理的簡化處理，并建立相應(yīng)計算模型。

從圖5可以看出，通過對距隧道入口20 m處測點所得列車風(fēng)沿列車運行方向的分量u變化與實車試驗對比，其變化規(guī)律基本一致，且具有較好的吻合性。但是由于實際情況(溫度、濕度等)及列車尾流的復(fù)雜多變，無法完全精準(zhǔn)的模擬到當(dāng)時列車通過測點時的運行狀況及流場變化，導(dǎo)致測點處列車風(fēng)最大幅值相差相對較大。

圖5　實驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果比較Fig.5 Results comparison between experiment and calculation

4計算結(jié)果

當(dāng)列車進入隧道，將引發(fā)一系列相關(guān)的壓力現(xiàn)象。首先，壓縮波和膨脹波在隧道內(nèi)入口與出口間來回反射會不斷引起隧道內(nèi)壓力迅速變化。第二，列車頭部鼻尖前部壓縮空氣和尾部的膨脹氣體的作用會在隧道內(nèi)產(chǎn)生活塞效應(yīng)。第三，在進列車入封閉空間后，隧道內(nèi)流場狀態(tài)在有限的時間內(nèi)發(fā)生變化。上述現(xiàn)象所構(gòu)成的復(fù)雜的流場狀態(tài)在隧道內(nèi)任何不同位置不會發(fā)生重復(fù)，除數(shù)值模擬外，在實車及縮比試驗中也均不可能被完全重塑。

圖6為高速列車以250 km/h車速通過隧道時，距隧道400 m處不同方向上列車風(fēng)變化曲線。從圖6可知，隧道內(nèi)列車風(fēng)橫向分量v和垂向分量w變化幅值接近，且相對于縱向分量u來說很小，v和w不到u的10%。因此，不予考慮橫向分量和垂向分量對測量結(jié)果的影響。本文主要以列車風(fēng)縱向分量u為主，來研究編組、車速和交會等因素對隧道內(nèi)列車風(fēng)的影響。

圖6　單列車過隧道的不同方向列車風(fēng)Fig.6 Different directions of gusts introduced by train passing through tunnel

圖7為16車重聯(lián)編組高速列車以300 km/h車速通過隧道時，在隧道內(nèi)距隧道進口400 m處產(chǎn)生的縱向列車風(fēng)的變化曲線。從圖中可以看出，列車通過隧道時，靠近列車一側(cè)和遠(yuǎn)離列車一側(cè)列車風(fēng)變化有著顯著的差別。列車進入隧道形成活塞風(fēng)導(dǎo)致測點處風(fēng)速增大，當(dāng)列車頭部流線部分完全進入隧道后，活塞風(fēng)幾乎不再增大，對應(yīng)圖中的a-b段；圖中b處為列車頭部到達測點時引起的縱向列車風(fēng)突變；圖中c處為列車重聯(lián)部分通過測點時引起的縱向列車風(fēng)突變；圖中d處為列車尾部離開測點時引起的縱向列車風(fēng)突變。對比隧道兩側(cè)縱向列車風(fēng)可知，列車到達測點前，兩側(cè)縱向列車風(fēng)變化基本一致。列車通過測點時，相對遠(yuǎn)離列車一側(cè)而言，靠近列車一側(cè)空間狹小，氣流流動相對較慢，導(dǎo)致縱向列車風(fēng)相對較小；重聯(lián)部位通過測點時，測點處流場空間有個瞬間突變過程，此時列車風(fēng)也發(fā)生突變。通過圖7中的對比，還發(fā)現(xiàn)列車通過測點后(對應(yīng)圖7中d處)，兩側(cè)縱向列車風(fēng)變化差異尤為顯著，靠近列車一側(cè)因受列車尾流效應(yīng)影響較大，在列車尾部通過后列車風(fēng)還會繼續(xù)增大，隨著列車駛離，尾流效應(yīng)減弱，列車風(fēng)逐漸減小；遠(yuǎn)離列車一側(cè)區(qū)域受列車尾流效應(yīng)影響則相對較小，導(dǎo)致在列車通過后，列車風(fēng)隨之減小，且遠(yuǎn)離列車側(cè)列車風(fēng)變化幅值是近車側(cè)的56.4%。

圖7　單列車過隧道列車風(fēng)變化Fig.7 Curves of gusts introduced by train passing through tunnel

4.1　隧道內(nèi)不同位置列車風(fēng)比較

圖8為8車編組高速列車以300 km/h車速單列車通過隧道時，隧道內(nèi)距隧道入口400 m測點(隧道前部)和960 m測點(位于隧道中部)附近處列車風(fēng)縱向分量變化曲線。從圖8中可以看出，列車未到達測點前和列車通過測點后，不同位置處列車風(fēng)變化曲線有較大差異，而當(dāng)列車通過測點時，列車風(fēng)變化基本相似。靠近列車一側(cè)測點處列車風(fēng)縱向分量絕對值的最大峰值相差不超過2.5%；對于遠(yuǎn)離列車一側(cè)測點處列車風(fēng)縱向分量絕對值的最大峰值，隧道前部位置處大于隧道中部位置處列車風(fēng)16.4%。

(a)近車側(cè);(b)遠(yuǎn)車側(cè)圖8　單列車過隧道時隧道內(nèi)不同位置列車風(fēng)變化Fig.8 Curves of gusts introduced by train passing through tunnel at different positions

圖9為8車編組高速列車以300 km/h車速于隧道內(nèi)交會時，隧道內(nèi)距隧道入口400 m測點(隧道前部)和960 m測點(位于隧道中部)附近處列車風(fēng)縱向分量變化曲線。從圖9中可以看出，不同位置處列車風(fēng)變化曲線顯著不同，由于隧道中間測點位于列車交會處，兩段產(chǎn)生的活塞風(fēng)在此處發(fā)生變化一致，但方向相反而相互抵消，故此處測點已無法產(chǎn)生活塞風(fēng)效應(yīng)了。對于靠近列車一側(cè)測點處列車風(fēng)縱向分量絕對值的最大峰值，隧道前部位置處大于隧道中部位置處列車風(fēng)27.9%；遠(yuǎn)離列車一側(cè)測點處列車風(fēng)縱向分量絕對值的最大峰值相差不超過4.5%。

圖10為16車編組高速列車以300 km/h車速通過隧道，列車尾部位于隧道內(nèi)距隧道入口400 m測點(隧道前部)和960 m測點(位于隧道中部)附近處時隧道橫截面速度分布。從圖中可知，列車尾流對隧道內(nèi)靠近列車側(cè)區(qū)域影響顯著。

(a)近車側(cè);(b)遠(yuǎn)車側(cè)圖9　隧道內(nèi)交會時隧道內(nèi)不同位置列車風(fēng)變化Fig.9 Curves of gusts introduced by trains meeting in the tunnel at different positions

(a)靠近隧道入口(400 m);(b)隧道中心附近(960 m)圖10　隧道內(nèi)橫截面速度分布云圖Fig.10 Velocity distribution of cross section in tunnel

圖11(a)為16車編組高速列車以300 km/h車速通過隧道，隧道內(nèi)距隧道入口400 m截面1(隧道前部)和960 m截面2(位于隧道中部)附近處列車風(fēng)X方向分量的風(fēng)車速比沿隧道周向分布，圖11(b)為距地面0.47H高的隧道非交會壁面處軸向列車風(fēng)x方向分量的風(fēng)車速比分布。從圖11(a)中可知，從地面沿隧道周向0~3.4H范圍內(nèi)，列車風(fēng)x分量的風(fēng)車速比的最大值、最小值和峰峰值均變化很小，分別維持在0.11，0.19和0.3左右。從3.4H~6.8H范圍內(nèi)，風(fēng)車速比的最大值和峰峰值逐漸增大，最大值和峰峰值增幅分別超過了68%和228%?？芍?，列車尾流隧道內(nèi)靠近列車側(cè)影響顯著，且越靠近地面，尾流效應(yīng)越顯著，風(fēng)車速比最小值略微減小。不同隧道截面處，隧道周向壓力分布規(guī)律基本一致，幅值有一定差異。列車引起的隧道內(nèi)近車側(cè)區(qū)域不同截面上的相同位置處列車風(fēng)x方向分量正峰值相差很小。

(a)隧道周向列車風(fēng)的風(fēng)車速比分布;(b)隧道軸向列車風(fēng)的風(fēng)車速比分布圖11　列車風(fēng)風(fēng)車速比沿隧道周向和軸向分布Fig.11 Distribution of gust and train speed ratio along circumferential and axial of tunnel

圖12為16車編組高速列車以300 km/h車速通過隧道，隧道內(nèi)距隧道入口400 m處隧道截面周向上不同位置處測點列車風(fēng)x方向分量變化曲線。列車靠近測點截面過程，截面上測點受活塞風(fēng)影響，其x方向分量受流向與列車運行方向相同，列車通過測點截面過程，截面附近列車風(fēng)x方向分量流向基本與列車運行方向相反，列車駛離截面時，靠近列車側(cè)隧道壁面底部區(qū)域列車風(fēng)x方向分量在列車未全部駛離截面前就開始與列車運行方向相同，而從近車側(cè)區(qū)域中部到遠(yuǎn)車側(cè)區(qū)域的列車風(fēng)x方向分量方向變化則延遲很多。

圖12　列車周向壁面不同位置處列車風(fēng)變化曲線Fig.12 Train gust of different location on the circumferential tunnel surface

4.2　編組對列車風(fēng)的影響

圖13為8車編組和16車重聯(lián)編組高速列車以300 km/h車速單車通過隧道時，隧道內(nèi)距隧道進口390 m附近尾車流場速度分布云圖。從圖13中可以看出，圖13(b)中紅色區(qū)域范圍顯著大于圖13(a)，且紅色相對較深。因此，16車重聯(lián)編組列車尾車引起的尾流影響范圍和強度均明顯大于8車編組的。

(a)8車編組;(b)16車重聯(lián)編組圖13　尾車流場速度分布云圖(距隧道入口400 m附近)Fig.13 Velocity contours of flow field around tail vehicle

圖14為300 km/h車速下，8車編組和16車重聯(lián)編組高速列車單列車通過隧道時，距隧道進口400 m處隧道內(nèi)靠近列車側(cè)和遠(yuǎn)離列車側(cè)測點列車風(fēng)變化曲線。從圖14中可以看出，8車編組列車(長201.4 m)在到達測點前已全部進入隧道，列車在隧道內(nèi)運行時，列車前部氣流受擠壓后可以通過車體與隧道壁面間空隙向列車后部流動，導(dǎo)致列車前部活塞風(fēng)出現(xiàn)下降后重新達到一個平衡。與16車重連編組有所不同，8車編組列車到達測點處時，列車風(fēng)會發(fā)生較大上升。對于單列車通過隧道時，16車重聯(lián)編組在隧道內(nèi)靠近列車一側(cè)和遠(yuǎn)離列車一側(cè)區(qū)域產(chǎn)生的列車風(fēng)正峰值比8車編組的分別大65.23%和70.49%；隧道內(nèi)靠近列車一側(cè)列車風(fēng)負(fù)峰值16車重聯(lián)編組比8車編組的小36.99%，隧道內(nèi)遠(yuǎn)離列車一側(cè)列車風(fēng)負(fù)峰值16車重聯(lián)編組比8車編組的大20.18%。

(a)靠近列車側(cè);(b)遠(yuǎn)離列車側(cè)圖14　不同編組列車過隧道列車風(fēng)變化Fig.14 Curves of gusts introduced by different marshalling train passing through tunnel

4.3　車速對列車風(fēng)的影響

表1列出了16車重聯(lián)編組高速列車以250，300，330和350km/h車速通過隧道時，列車風(fēng)峰值計算結(jié)果。

表1　列車風(fēng)與速度比計算結(jié)果

表中速度比CV定義為：CV=u/V，式中u為列車風(fēng)風(fēng)速縱向分量(m/s)；V為列車運行速度(m/s)。

圖15為風(fēng)速與列車運行速度的關(guān)系曲線。從圖上可以看出，隧道壁面距隧道入口400 m處列車風(fēng)風(fēng)速與車速近似呈線性關(guān)系。表中列出的速度比CV也體現(xiàn)出了這點，靠近列車一側(cè)測點速度比CV約0.46，遠(yuǎn)離列車一側(cè)測點速度比CV約0.11，即速度比CV與列車運行速度無關(guān)。

表2列出了16車重聯(lián)編組高速列車以250，300，330和350 km/h車速遠(yuǎn)離距隧道入口400 m處截面后，截面上測點列車風(fēng)x方向分量的風(fēng)車速比的最大值。由于列車遠(yuǎn)離測點后，隧道內(nèi)此區(qū)域列車風(fēng)仍處于波動狀態(tài)，因此采用列車通過測點后一段時間內(nèi)的列車風(fēng)x方向分量的風(fēng)車速比的最大值來進行對比分析，發(fā)現(xiàn)其列車風(fēng)x方向分量的風(fēng)車速比隨車速增大，而先增大后減小，在330 km/h附近達到最大值。

圖15　單列車過隧道列車風(fēng)隨車速變化Fig.15 Curves of gusts introduced by train passing through tunnel with the train speed

表2　列車風(fēng)的風(fēng)車速比

4.4　交會對列車風(fēng)的影響

圖16為16車重聯(lián)編組高速列車以250 km/h車速單車通過隧道和于隧道內(nèi)交會時，隧道內(nèi)距隧道進口390 m附近尾車流場速度分布云圖。從圖16中可以看出，圖16(a)中靠近列車一側(cè)區(qū)域風(fēng)速顯著大于圖16(b)中相應(yīng)區(qū)域；圖16(b)中遠(yuǎn)離列車一側(cè)區(qū)域風(fēng)速大于圖16(a)中相應(yīng)區(qū)域。

圖17為16車重聯(lián)編組單列車以250 km/h車速過隧道和隧道中心交會時，靠近列車一側(cè)和遠(yuǎn)離列車一側(cè)測點列車風(fēng)變化曲線。從圖中可知，不論單列車還是交會，對于列車通過測點過程來說，列車風(fēng)變化波形相似，幅值上的差異較為顯著。從圖17(a)可知，列車隧道內(nèi)交會時頭部通過測點時靠近列車一側(cè)列車風(fēng)大于單列車時；列車單列車過隧道時重聯(lián)部位通過測點后造成的列車風(fēng)比交會時大，單列車時列車尾部通過測點后列車風(fēng)正峰值比交會時大42.35%。由圖中可知，列車交會時隧道出口處進入的列車產(chǎn)生的壓縮波和膨脹波改變了隧道內(nèi)距隧道入口端400 m附近處的壓力變化，進而導(dǎo)致此處列車風(fēng)發(fā)生改變，使之區(qū)別于單列車通過隧道時列車風(fēng)變化。從圖17(b)可知，不論是單列車還是交會，列車通過測點后，遠(yuǎn)離列車一側(cè)列車風(fēng)會迅速降低；交會時列車1通過測點時產(chǎn)生的列車風(fēng)絕對值最大值比單列車通過隧道時大60.62%，交會時列車2通過測點時產(chǎn)生的列車風(fēng)絕對值最大值比單列車通過隧道時大159.06%。

(a)單車；(b)交會圖16　尾車流場速度分布云圖(距隧道入口390 m附近)Fig.16 Velocity contours of flow field around tail vehicle

(a)靠近列車一側(cè)；(b)遠(yuǎn)離列車一側(cè)圖17　列車過隧道與隧道內(nèi)交會時列車風(fēng)變化Fig.7 Curves of gusts introduced by train passing through and meeting in tunnel

圖18為16車重聯(lián)編組列車于隧道內(nèi)交會時列車風(fēng)風(fēng)速與列車運行速度的關(guān)系曲線。從圖18上可以看出，受另外交會列車進隧道帶來的活塞風(fēng)影響，導(dǎo)致距隧道入口400 m處列車風(fēng)風(fēng)速與車速變化已不再是線性規(guī)律?？芍淼莱隹诙诉M入的列車產(chǎn)生的壓縮波和膨脹波對隧道入口進入的列車周圍及隧道內(nèi)流場狀態(tài)造成了顯著影響，導(dǎo)致列車隧道內(nèi)交會時列車風(fēng)變化明顯區(qū)別于單列車過隧道。

圖18　隧道內(nèi)交會列車風(fēng)隨車速變化Fig.18 Curves of gusts introduced by train meeting in tunnel with train speed

5結(jié)論

1)列車尾流造成的列車風(fēng)比列車通過時劇烈的多，且主要影響隧道內(nèi)靠近列車一側(cè)區(qū)域，遠(yuǎn)離列車一側(cè)區(qū)域受尾流影響相對較小；靠近列車一側(cè)隧道壁面處列車風(fēng)顯著大于遠(yuǎn)離列車一側(cè)，針對本文所采用隧道而言，車速300 km/h，重聯(lián)編組情況下，靠近列車一側(cè)列車風(fēng)幅值是遠(yuǎn)離列車一側(cè)的2.5倍。

2)隧道內(nèi)不同位置處列車風(fēng)有一定差別。對于單列車過隧道，靠近列車一側(cè)列車風(fēng)最大峰值，隧道前部和隧道中部處基本相同；遠(yuǎn)離列車一側(cè)列車風(fēng)最大峰值，隧道前部顯著大于隧道中部處。對于隧道內(nèi)交會，靠近列車一側(cè)列車風(fēng)最大峰值，隧道中部顯著大于隧道前部處；遠(yuǎn)離列車一側(cè)列車風(fēng)最大峰值，隧道前部和隧道中部處基本相同。

3)編組對隧道內(nèi)列車風(fēng)影響顯著，尤其是尾流效應(yīng)造成的列車風(fēng)更加突出；車速300 km/h時，16車重聯(lián)編組的靠近列車一側(cè)和遠(yuǎn)離列車一側(cè)列車風(fēng)峰值比8車編組的分別大72.2%和20.2%。

4)不管靠近列車一側(cè)，還是遠(yuǎn)離列車一側(cè)區(qū)域，列車風(fēng)風(fēng)速與車速均近似呈線性關(guān)系。

5)迎面列車引起的壓縮波和膨脹波對列車風(fēng)幅值有顯著影響，車速250 km/h時，單列車過隧道靠近列車一側(cè)列車風(fēng)比交會大56%，交會時遠(yuǎn)離列車一側(cè)列車風(fēng)比單列車大31%；交會時列車風(fēng)風(fēng)速與車速變化已不再是線性規(guī)律，且列車運行速度超過300 km/h，遠(yuǎn)離列車一側(cè)列車風(fēng)會大于靠近列車一側(cè)的。

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(編輯蔣學(xué)東)

Research on gusts caused by high-speed trains passing through tunnel

NIU Jiqiang1，2

(1.School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China；

2.Key Laboratory of Traffic Safety on Track Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract:By numerical calculation method, train going through tunnel and trains intersecting in the middle of tunnel at different speed (200，250，300 and 350 km/h) were simulated, and gusts introduced by train was analyzed.Numerical calculation method was modified by the full-scale test data.The results show that, gusts caused by wake of train are the biggest.Gusts in tunnel are significantly influenced by the number of train carriages.Gusts introduced by 16-carriage train are greater than that of 8-carriage train, and the growth reaches 70.49%.It is an approximate linear relationship at nearby side and far side of train between the gusts speed and train speed when train passing through tunnel.While it is no longer linear relationship between gusts speed and variation of train speed when trains crossing in tunnel.The gusts introduced by trains crossing in tunnel is 1.6 times of one introduced by train going through tunnel.Two trains crossing in the middle of the tunnel have a certain influence on the amplitude of gusts.At the nearby side of train, gusts caused by train passing through the tunnel are bigger than that introduced by marshaling train crossing in the tunnel.At the far side of train, gusts caused by train meeting in the tunnel are bigger than that introduced by marshaling train passing through the tunnel.

Key words：high-speed train; gusts; tunnel; marshalling; intersecting

通訊作者：牛紀(jì)強(1988-)，男，山東臨沂人，博士研究生，從事列車空氣動力學(xué)研究；E-mail:jiqiangniu@163.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51105384)；高鐵聯(lián)合基金資助項目(U1134203);湖南省研究生科研創(chuàng)新資助項目(CX2015B046)

收稿日期：2015-04-11

中圖分類號：U266.2

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2015)06-1268-09