王英學(xué)，常喬磊，任文強(qiáng)，張羅遜

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間縫式開口隧道緩沖結(jié)構(gòu)氣動(dòng)特性分析

王英學(xué)，常喬磊，任文強(qiáng)，張羅遜

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

采用通用CFD工程分析軟件，對(duì)高速列車突入有間縫式開口緩沖結(jié)構(gòu)的隧道的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行三維數(shù)值模擬。分析間縫式單、雙開口緩沖結(jié)構(gòu)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，采用模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，對(duì)數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證。研究結(jié)果顯示：與常規(guī)既有的緩沖結(jié)構(gòu)相比，間縫式開口緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)壓力梯度的降低效率更高，經(jīng)濟(jì)性更好。從控制隧道出口微氣壓波的需要，提出應(yīng)綜合考慮單位米長(zhǎng)降低率與總降低率，來(lái)選擇緩沖結(jié)構(gòu)的形式及參數(shù)。

隧道；緩沖結(jié)構(gòu)；間縫；壓力梯度；緩解效率

高速列車進(jìn)入隧道時(shí)，列車前方空氣受壓，會(huì)形成壓縮波。該壓縮波沿列車運(yùn)行方向以聲速傳播，到達(dá)隧道出口，由于傳播空間突然急劇變大，會(huì)產(chǎn)生微氣壓波向隧道外擴(kuò)散，形成音爆現(xiàn)象，對(duì)隧道口周圍環(huán)境造成影響[1]。研究表明：微壓波大小與到達(dá)隧道出口時(shí)的壓縮波梯度大小成正比[2]，降低壓縮波在隧道入口產(chǎn)生的壓力梯度，就可實(shí)現(xiàn)控制隧道出口微壓波峰值的目的。本文將以隧道內(nèi)壓縮波的壓力梯度為參考指標(biāo)，探討分析一種新型緩沖結(jié)構(gòu)控制微氣壓波的效果。降低壓縮波在隧道入口產(chǎn)生的壓力梯度的措施主要包括:隧道入口處設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)、隧道內(nèi)設(shè)置豎井、利用救援通道作為泄壓通道、雙線隧道間聯(lián)絡(luò)通道、優(yōu)化列車車頭形狀等。國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)控制微氣壓波的效果及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法開展研究，得到了很多重要結(jié)論。駱建軍等[3]通過(guò)數(shù)值模擬得出緩沖結(jié)構(gòu)物能有效地降低壓力波和微氣壓波前的壓力梯度的結(jié)論。劉佩斯[4]結(jié)合京滬高速鐵路隧道項(xiàng)目研究了豎井對(duì)高速鐵路隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響，給出了與列車長(zhǎng)度,隧道長(zhǎng)度和車速有關(guān)的豎井最優(yōu)位置選擇公式。駱建軍等[5]研究了高速鐵路并聯(lián)隧道橫通道對(duì)隧道內(nèi)壓力變化的影響，得出在相同條件下，豎井的降壓效果最好，橫通道次之，避洞的降壓效果最差。趙文成[6]通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值推導(dǎo)對(duì)典型緩沖結(jié)構(gòu)(斷面擴(kuò)大無(wú)開口型緩沖結(jié)構(gòu)、喇叭型緩沖結(jié)構(gòu)和開口型緩沖結(jié)構(gòu))進(jìn)行了全面系統(tǒng)的參數(shù)研究。劉善華[7]利用數(shù)值模擬和大比例尺高速列車動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)研究了高速鐵路隧道洞口頂部開口緩沖結(jié)構(gòu)在不同運(yùn)營(yíng)速度下的最優(yōu)開口率及開口位置。Howe等[8?10]對(duì)等截面和變截面隧道多開口緩沖結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，提出了多開口緩沖結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)，并指出緩解效率是有限的，達(dá)到限值后不會(huì)隨長(zhǎng)度增加而提高。LIU等[10]對(duì)喇叭型緩沖結(jié)構(gòu)、斷面擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)及削竹式洞口的氣動(dòng)特性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。上述學(xué)者對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，主要針對(duì)總體緩解效果，并未考慮緩沖結(jié)構(gòu)單位長(zhǎng)度的緩解效率，本文將從此角度出發(fā)開展研究工作，為緩沖結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)選提供依據(jù)。在隧道入口處設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)由于其附加工程量少、控制微氣壓波效果明顯，因此被規(guī)范采用。目前，開口型緩沖結(jié)構(gòu)的開口位置，主要設(shè)置在頂部或側(cè)部。側(cè)部開口緩沖結(jié)構(gòu)開口寬度一般在2 m左右，頂部開口緩沖結(jié)構(gòu)的開口寬度一般在4 m左右[12]。為了達(dá)到較好的緩解微氣壓波效果，需要較高的開口率。在增加緩沖結(jié)構(gòu)開口長(zhǎng)度的同時(shí)，緩沖結(jié)構(gòu)的總體長(zhǎng)度也要相應(yīng)加長(zhǎng)，于是就會(huì)造成工程投資的增加。國(guó)家“863”課題提出了新型間縫式開口緩沖結(jié)構(gòu)，該緩沖結(jié)構(gòu)改變以前以隧道軸向?yàn)橹饕_口尺寸的開口形式，而是采用開口寬度遠(yuǎn)大于長(zhǎng)度的間縫開口形式，大大減小了緩沖結(jié)構(gòu)的總體長(zhǎng)度，提高了緩沖結(jié)構(gòu)的降低效率，繼而提高了緩沖結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。下面對(duì)間縫式開口緩沖結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)特性進(jìn)行分析。

1 數(shù)值模擬分析

開口型緩沖結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)優(yōu)化開口面積，實(shí)現(xiàn)將首波壓力梯度分解為多個(gè)小的次級(jí)波釋放的目的，開口面積是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一。提出緩沖結(jié)構(gòu)沿隧道環(huán)向開口尺寸遠(yuǎn)大于隧道軸向開口尺寸的間縫式緩沖結(jié)構(gòu)，對(duì)間縫式緩沖結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1.1 流體數(shù)值分析控制方程

流體流動(dòng)要受到物理守恒定律的支配，這些定律即對(duì)應(yīng)流場(chǎng)控制方程，包括：連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。如式(1)~式(3)所示[13]。

1.2 紊流模型的選取

在流體分析時(shí)，紊流模型的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果有很大影響，而可選的紊流模式又較多。許多學(xué)者在車隧氣動(dòng)分析中，所選取的紊流模型也略有差別，比較常用的有模型[5]及LES模型[14]等。為完善該方法李雪松等[15?16]對(duì)大渦模型(LES)開展了一些研究工作。為模擬車體與隧道邊界的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，Shin等[17]采用滑移區(qū)塊法進(jìn)行了模擬分析。張來(lái)平等[18]采用動(dòng)網(wǎng)格法對(duì)非定常流問題進(jìn)行了分析。本文利用商用工程軟件Ansys中的Fluent模塊，綜合應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格法，模擬分析列車進(jìn)入隧道氣動(dòng)過(guò)程，紊流模型選用大渦模型(LES)，計(jì)算中介質(zhì)采用理想氣體。

1.3 數(shù)值模擬參數(shù)

數(shù)值模擬中，隧道凈空面積T=100 m2，隧道長(zhǎng)度=500 m，隧道出入口取300 m，列車啟動(dòng)時(shí)刻距離隧道入口100 m。假設(shè)傳播介質(zhì)為理想氣體，隧道出入口周圍邊界設(shè)置為無(wú)限遠(yuǎn)域(pressure far field)。列車模型采用CRH3型列車，列車截面積S=11.62 m2，隧道阻塞比(=S/T)=0.116，列車速度取=350 km/h。計(jì)算中，在隧道內(nèi)距入口200 m處設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)比壓縮波首波壓力梯度變化情況，分析緩沖結(jié)構(gòu)緩解微氣壓波的效果。

隧道及隧道出入口空氣域選取如圖1所示。間縫式單開口緩沖結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分及結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)記如圖2所示，間縫式雙開口緩沖結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分及結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)記如圖3所示。

單位：m

圖2 單間縫緩沖結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

影響間縫式緩沖結(jié)構(gòu)氣動(dòng)降低效果的主要因素為開口率和開口距離(開口率=緩沖結(jié)構(gòu)開口面積/隧道橫斷面面積)，不同開口距離對(duì)應(yīng)不同的開口寬度。計(jì)算中間縫式開口環(huán)向弧段長(zhǎng)度為17.6 m，開口距緩沖結(jié)構(gòu)入口距離=6 m。對(duì)于單間縫緩沖結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變開口縱向長(zhǎng)度，研究開口率對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)降低效果的影響。具體計(jì)算工況參數(shù)如表1所示。雙間縫緩沖結(jié)構(gòu)，保持開口距離=6 m、開口間距=12 m不變，通過(guò)改變開口縱向長(zhǎng)度參數(shù)和來(lái)分析開口率對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)氣動(dòng)降低效果的影響。具體計(jì)算工況參數(shù)如表2所示。

圖3 雙間縫緩沖結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

表1 單間縫緩沖結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算參數(shù)

表2 雙間縫緩沖結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算參數(shù)

1.4 間縫式單開口緩沖結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

單間縫緩沖結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的壓力梯度曲線如圖4所示，具體計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在開口距離=6 m時(shí)：

1) 單間縫緩沖結(jié)構(gòu)的壓力梯度曲線顯示2個(gè)波峰，首波及二次波波峰。

2) 隨著開口率的增大，首波壓力梯度波峰不斷降低，二次波波峰不斷上升。

3) 開口長(zhǎng)度為1.28 m時(shí)(開口率為22.53%)，首波和二次波波峰相等，壓力梯度降低率最高。工況2為單間縫緩沖結(jié)構(gòu)的最優(yōu)形式。

圖4 壓力梯度曲線

表3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

注：無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)，壓力梯度曲線為單峰曲線，峰值為13.7 kPa/s

1.5 間縫式雙開口緩沖結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

雙間縫緩沖結(jié)構(gòu)各工況計(jì)算得到的壓力梯度曲線如圖5所示，具體計(jì)算結(jié)果如表4所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在開口距離=6 m，開口間距=12 m時(shí)：

1) 雙間縫緩沖結(jié)構(gòu)的壓力梯度曲線顯示出3個(gè)波峰，首波及2個(gè)次級(jí)波波峰。

2) 隨著總開口率增大，首波壓力梯度波峰不斷降低，而次級(jí)壓力梯度峰值會(huì)有所升高。

3) 第一開口寬度為1.0 m，第二開口寬度為0.4 m時(shí)，首波和二次波波峰接近，壓力梯度降低率最高。工況5為雙間縫緩沖結(jié)構(gòu)的最優(yōu)形式。

圖5 壓力梯度曲線

表4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

1.6 間縫式開口緩沖結(jié)構(gòu)與常規(guī)頂部開口型緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)比

由于間縫式開口緩沖結(jié)構(gòu)環(huán)向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于縱向長(zhǎng)度，使緩沖的長(zhǎng)度大大減小，從而提高了緩沖結(jié)構(gòu)的降低效率。下邊將間縫式開口緩沖結(jié)構(gòu)與常規(guī)頂部開口型緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，常規(guī)頂部單開口和雙開口緩沖結(jié)構(gòu)最優(yōu)形式如圖6和圖7所示，具體參數(shù)如表5所示。

圖6 頂部單開口緩沖結(jié)構(gòu)示意圖

綜合對(duì)比間縫式單開口緩沖結(jié)構(gòu)兩種最優(yōu)工況和頂部單開口緩沖結(jié)構(gòu)的最優(yōu)工況，其中延米降低率=壓力梯度降低率/有效長(zhǎng)度，具體情況如表6所示。

從上述對(duì)比可以看出：總壓力梯度降低率方面，間縫式開口緩沖結(jié)構(gòu)和頂部開口緩沖結(jié)構(gòu)效果相當(dāng)，但延米降低率，間縫式緩沖結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯，間縫式開口緩沖結(jié)構(gòu)降低效率更高、經(jīng)濟(jì)性更好。

圖7 頂部雙開口緩沖結(jié)構(gòu)示意圖

表5 頂部開口型緩沖結(jié)構(gòu)最優(yōu)工況參數(shù)表

注：其中為緩沖結(jié)構(gòu)有效長(zhǎng)度，單開口=+，雙開口=+++

表6 間縫式開口與頂部開口型緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)比

2 間縫式雙開口緩沖結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 間縫式緩沖結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)

模型實(shí)驗(yàn)采用西南交通大學(xué)新建成的滑軌式高速列車氣動(dòng)發(fā)射裝置。氣動(dòng)壓力波發(fā)生裝置采用以壓縮空氣為動(dòng)力的空氣炮，將列車模型在炮管內(nèi)加速到實(shí)驗(yàn)需要的速度后發(fā)射，列車模型依靠慣性在導(dǎo)軌上滑行通過(guò)模型隧道，模擬列車進(jìn)出隧道的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)車隧氣動(dòng)壓力波的發(fā)生。

模型試驗(yàn)中選取相似比為1/18的列車模型，列車采用輕質(zhì)鋁材加工。隧道模型采用有PC(聚碳酸酯)圓管加工。模型實(shí)中列車、隧道的參數(shù)選取如表7所示。

2.2 間縫式緩沖結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在滬昆客運(yùn)專線實(shí)際工程中應(yīng)用了間縫式雙開口緩沖結(jié)構(gòu)，在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間對(duì)其緩沖效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，洞內(nèi)壓力測(cè)點(diǎn)位于距隧道洞口200 m處。

表7 列車實(shí)體和模型參數(shù)表

2.3 數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試3種情況下，最優(yōu)形式的間縫式雙開口緩沖結(jié)構(gòu)壓力梯度峰值和速度的關(guān)系如圖8所示。

圖8 雙間縫緩沖結(jié)構(gòu)壓力梯度峰值對(duì)比

從圖8可以看出，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的壓力梯度峰值曲線和數(shù)值計(jì)算、模型實(shí)驗(yàn)的曲線基本一致?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的壓力梯度降低率和模型實(shí)驗(yàn)非常接近，略低于數(shù)值計(jì)算得到的降低率，但相差不大，在誤差允許的范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

1) 列車經(jīng)過(guò)單間縫緩沖結(jié)構(gòu)壓力梯度曲線有2個(gè)波峰，在開口距離確定的條件下，隨著開口率的增大，壓力梯度峰值曲線首波波峰不斷下降，二次波波峰不斷上升。通過(guò)分析，確定出優(yōu)選開口參數(shù)，壓力梯度降低率達(dá)到30%以上。

2) 列車經(jīng)過(guò)雙間縫緩沖結(jié)構(gòu)壓力梯度曲線有3個(gè)波峰，隨著總開口率增大，首波壓力梯度波峰不斷降低，而次級(jí)壓力梯度峰值會(huì)有所升高。通過(guò)分析，確定出優(yōu)選開口參數(shù)，壓力梯度降低率達(dá)到45%以上。

3) 與常規(guī)的頂部開口型緩沖結(jié)構(gòu)相比，間縫式緩沖結(jié)構(gòu)延米降低率的優(yōu)勢(shì)明顯，說(shuō)明間縫式緩沖結(jié)構(gòu)降低效率更高、經(jīng)濟(jì)性更好。

4) 通過(guò)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了印證。該新型緩沖結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)應(yīng)用于工程實(shí)際，由于其簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)形式，將有很廣闊的應(yīng)用前景。

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Seam opening tunnel buffer structure aerodynamic characteristic research

WANG Yingxue, CHANG Qiaolei, REN Wenqiang, ZHANG Luoxun

(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Using CFD numeral simulation software，the efficiency of new type of tunnel hood, seam opening buffer structure, relieving train-tunnel aerodynamic effect was analyzed in 3-dimension model. The best structure parameter of single and double seam opening tunnel buffer structure was obtained. The calculation results were compared with experiment and field test results. The research results showed that comparing with other kind of hood structures, seam opening buffer structure has higher reduction efficiency of relief pressure gradient and better economy. It is proposed that both total reduction and reduction efficiency should be considered when selecting the form of the buffer structure.

tunnel; buffer structure; seam; pressure gradient; relief efficiency

U451.3

A

1672 ? 7029(2018)01 ? 0017 ? 07

2016?12?01

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011AA11A103-3-3-2)

王英學(xué)(1972?)，男，吉林東遼人，教授，從事隧道施工力學(xué)和車隧空氣動(dòng)力學(xué)研究；E?mail：wangyingxue@swjtu.edu.cn