安芳源， 許建林， 李 明， 賈永興＊

（1.蘭州交通大學(xué) 甘肅省軌道交通力學(xué)應(yīng)用工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州730070；2.中車唐山機(jī)車車輛有限公司技術(shù)研究中心，唐山063000）

1 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，電子商務(wù)快速發(fā)展，物流業(yè)水平需大幅提升才能適應(yīng)新形勢的要求。尤其是一些高附加值的貨物，如醫(yī)療、海鮮和電子配件等為代表的快運(yùn)貨物需要更高的運(yùn)輸能力和運(yùn)輸速度［1］。然而，目前我國鐵路開行的行包專列、行郵專列和集裝箱班列等在運(yùn)輸能力和速度上尚不能滿足客戶的要求。因此，貨運(yùn)動車組應(yīng)運(yùn)而生。我國雖然尚未開行貨運(yùn)動車組，但是已經(jīng)開始了對高速鐵路發(fā)展貨運(yùn)的探討［2］。

我國是一個(gè)多山國家，山區(qū)高速鐵路建設(shè)規(guī)模宏大，線路隧道密集，長大隧道特別是特長隧道多而長，貨運(yùn)動車組在隧道內(nèi)交會時(shí)會受到隧道交會壓力波的影響。列車通過隧道引起的隧道內(nèi)空氣流動，是復(fù)雜的三維可壓縮非定常不等熵的湍流流動。由于隧道壁面的限制和空氣的可壓縮性，列車通過隧道會產(chǎn)生相當(dāng)大的壓力瞬變，即隧道內(nèi)壓力波［3－5］。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要在高速列車單車過隧道時(shí)壓力變化的數(shù)值模擬，以及隧道洞口、地面效應(yīng)和開孔隔墻等對隧道壓力波的影響方面進(jìn)行了研究［6，7］。研究主要采用CFD軟件數(shù)值模擬、實(shí)車試驗(yàn)和動模型試驗(yàn)等方法［8－11］，而隧道壓力波對貨運(yùn)動車組的影響研究開展較晚?；谖覈F路線隧道較多且線隧比較長的現(xiàn)狀，開展相關(guān)研究尤為重要。

本文采用CFD三維數(shù)值模擬方法，研究貨運(yùn)動車組隧道內(nèi)交會車外壓力波特性。對貨運(yùn)動車組裝載門有無凹陷的模型進(jìn)行對比計(jì)算，探明壓力波特性以及對其是否有影響、影響程度及其壓力波特性。

2 問題描述數(shù)值計(jì)算方法

2.1 物理問題和計(jì)算模型

研究貨運(yùn)動車組以速度為350km／h在隧道內(nèi)交會時(shí)，裝載門有無凹陷對隧道交會壓力波的影響。

貨運(yùn)動車組的計(jì)算模型如圖1（a）所示，由8節(jié)車廂組成全尺寸無縮尺模型，忽略受電弓和轉(zhuǎn)向架，簡化了風(fēng)擋，保留了頭車底部排障器和車體兩側(cè)導(dǎo)流槽等結(jié)構(gòu)。軌面以上車高H＝4.2m，八編組車體總長為LTR＝55 H，車寬0.87 H。貨運(yùn)動車組裝載門的長和寬分別為LDO＝0.76 H 和WDO＝0.57 H，凹陷深度為0.12m。隧道模型軌面以上高度 HTU＝9.3m，LTU＝93.5 HTU。參照文獻(xiàn)［12］，貨運(yùn)動車組光滑啟動，然后在距離4.0 HTU處開始勻速運(yùn)行，在隧道中央交會。

為研究裝載門凹陷對隧道交會壓力波的影響，在無凹陷的貨運(yùn)動車組裝載門中心處布置1個(gè)測點(diǎn)，在有凹陷的貨運(yùn)動車組裝載門表面相應(yīng)位置向內(nèi)0.12m處布置1個(gè)測點(diǎn)。此外，為研究裝載門凹陷對貨運(yùn)動車組車外壓力波動的影響，每節(jié)車廂在裝載門中心橫斷面頂部和底部各布置1個(gè)測點(diǎn)；在簡化風(fēng)擋中間斷面上周向布置4個(gè)測點(diǎn)；頭車和尾車鼻錐處各設(shè)置1個(gè)測點(diǎn)。圖1（b，c）分別給出了隧道內(nèi)交會模型和車身表面壓力監(jiān)控測點(diǎn)的布置。隧道斷面依據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》制定，隧道凈空面積為100m2，洞口采用斜切洞口形式。隧道內(nèi)交會物理模型的幾何參數(shù)列入表1。

2.2 網(wǎng)格劃分與計(jì)算方法

圖1 計(jì)算模型和監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.1 Numerical modeling and monitoring points

表1 隧道內(nèi)交會物理模型幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of tunnel crossing physical model

隧道內(nèi)交會時(shí)，流場采用Trim網(wǎng)格，車體壁面設(shè)置邊界層網(wǎng)格。選擇y＋＝40，對應(yīng)的車體壁面Prism第一層網(wǎng)格厚度為0.46mm，邊界層網(wǎng)格增長比設(shè)置為2.0，取6層邊界層，總厚度為28.98mm。貨運(yùn)動車組周圍網(wǎng)格分布如圖2所示。隧道洞口處網(wǎng)格如圖3所示。對貨運(yùn)動車組近場區(qū)域、流線型頭部和風(fēng)擋等位置進(jìn)行了局部加密。除此之外，對交會區(qū)間和動車組底部流動劇烈變化區(qū)域也進(jìn)行了局部加密，網(wǎng)格總數(shù)約為500萬。

隧道端口為無反射的自由流邊界，即無反射黎曼邊界條件。列車表面、隧道表面、路基表面和鋼軌表面均為無滑移壁面邊界。

采用三維可壓縮非定常湍流流動模型，湍流模型采用SST k-ω模型，貨運(yùn)動車組進(jìn)入隧道過程中，列車和隧道之間的相對運(yùn)動采用CFD軟件的重疊網(wǎng)格方法（Overset Mesh Method）處理。重疊網(wǎng)格又稱為Chimera網(wǎng)格或嵌套網(wǎng)格，在重疊網(wǎng)格方法中，不同區(qū)域的網(wǎng)格可以單獨(dú)生成，并進(jìn)行計(jì)算，最后以靈活的方式進(jìn)行耦合。網(wǎng)格間允許交錯(cuò)和重疊，進(jìn)而降低整個(gè)流場區(qū)域網(wǎng)格設(shè)計(jì)和生成的難度和工作量，同時(shí)可廣泛應(yīng)用高效率的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格流場求解器和成熟的邊界條件處理方法。因此，重疊網(wǎng)格方法適用于復(fù)雜外形繞流［13］和存在多體相對運(yùn)動［14，15］的流動問題。

圖2 貨運(yùn)動車組體網(wǎng)格Fig.2 Volume mesh of the freight EMU

圖3 隧道洞口處體網(wǎng)格Fig.3 Volume mesh of the tunnel hole

采用基于有限體積法的三維CFD軟件進(jìn)行貨運(yùn)動車組外部流場的數(shù)值模擬?？刂品匠痰乃矔r(shí)項(xiàng)采用一階隱格式離散，對流項(xiàng)采用二階逆風(fēng)格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式離散。分離流求解流動控制方程時(shí)，采用分離非耦合方法求解速度和壓力。分離流模型使用同位網(wǎng)格以及SIMPLE類算法。

3 計(jì)算結(jié)果和討論

3.1 數(shù)值方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所用的計(jì)算模型和計(jì)算方法的正確性，采用CRH380A列車以350km／h的速度通過線間距為5.0m，斷面面積為100m2，長度為1168m的單線隧道時(shí)得到的試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，與數(shù)值計(jì)算的壓力曲線對比。圖4是隧道內(nèi)200m處測點(diǎn)的壓力波對比?？梢钥闯觯疚臄?shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，壓力波規(guī)律基本一致，以實(shí)測結(jié)果為基準(zhǔn)，最大壓力值誤差為0.2%，最小壓力值誤差為6.5%，誤差值均在10%以內(nèi)，從而驗(yàn)證了使用重疊網(wǎng)格法計(jì)算非旋成體模型的隧道壓力波問題的正確性。

圖4 隧道內(nèi)200m處測點(diǎn)的壓力波對比Fig.4 Comparison of pressure wave at 200min tunnel

3.2 貨運(yùn)動車組裝載門凹陷對壓力峰值的影響

為研究裝載門凹陷的影響，以表1的隧道物理模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究貨運(yùn)動車組裝載門凹陷對壓力峰值的影響。

3.2.1 有無凹陷對裝載門中心處最大正壓值的影響

隧道內(nèi)交會時(shí)，貨運(yùn)動車組車外壓力監(jiān)測點(diǎn)與單車駛?cè)胨淼拦r的壓力監(jiān)測點(diǎn)布置形式一致。數(shù)值模擬結(jié)果表明，貨運(yùn)動車組在隧道內(nèi)交會過程中，裝載門上中心監(jiān)測點(diǎn)的壓力分布存在較大差異。

表2統(tǒng)計(jì)了貨運(yùn)動車組以350km／h在隧道內(nèi)交會的過程中，近隧道壁面?zhèn)妊b載門和近隧道中心側(cè)裝載門中心監(jiān)測點(diǎn)的最大正壓值。可以看出，

（1）貨運(yùn)動車組在隧道內(nèi)交會過程中，有凹陷的裝載門上承受的最大正壓要高于無凹陷裝載門；近隧道中心側(cè)，有凹陷的裝載門比無凹陷的壓力增大54%～100%之間，近隧道壁面?zhèn)仍龃笤?5%～80%。

圖5 各裝載門最大正壓力值Fig.5 The maximum positive pressure value of each loading door

表2 隧道內(nèi)交會裝載門中心監(jiān)測點(diǎn)最大正壓Tab.2 The maximum positive pressure value of the loading crossing of tunnel doors at center monitoring point

表3 隧道內(nèi)交會裝載門中心監(jiān)測點(diǎn)最大負(fù)壓Tab.3 The maximum negative pressure value of the loading crossing of tunnel doors at center monitoring point

（2）交會工況下，隧道中心側(cè)（交會側(cè)）的最大正壓值比近隧道壁面?zhèn)雀螅@是由于交會側(cè)空間更狹小，流動變化更劇烈的緣故，與單列車駛?cè)胨淼拦r不同；

（3）與單列車駛?cè)胨淼拦r相同，從車頭到車尾方向，裝載門有無凹陷時(shí)最大正壓值的壓力差逐漸減小，但其相差的百分比則逐漸增大；近隧道中心側(cè)，相差比從68.5%增大到99.4%，近隧道壁面?zhèn)认嗖畋葟?5.3%增大到79.8%。

裝載門有無凹陷兩種情況下，各車廂近隧道壁面?zhèn)群徒淼乐行膫?cè)裝載門壓力差值如圖5所示。可以看出，兩種情況下，近隧道中心側(cè)的壓力差均明顯大于近隧道壁面?zhèn)鹊膲毫Σ?；且從車頭到車尾方向，壓力差有逐漸減小的趨勢。

表3統(tǒng)計(jì)了貨運(yùn)動車組以350km／h在隧道內(nèi)交會過程中，近隧道壁面?zhèn)妊b載門和近隧道中心側(cè)裝載門中心監(jiān)測點(diǎn)的最大負(fù)壓值。從表3可以看出，

（1）貨運(yùn)動車組在隧道內(nèi)交會過程中，有凹陷的裝載門上承受的最大負(fù)壓小于無凹陷裝載門。

（2）裝載門有凹陷的貨運(yùn)動車組交會時(shí)，近隧道壁面?zhèn)认啾人淼乐行膫?cè)（交會側(cè)）的最大負(fù)壓峰值更大；而裝載門無凹陷的貨運(yùn)動車組交會時(shí)，兩側(cè)裝載門的最大負(fù)壓峰值差距不大。

（3）從車頭到車尾方向，雖然壓力差逐漸減小，其相差的百分比也逐漸減小。除第7節(jié)車廂外，近隧道中心側(cè)的最大負(fù)壓值相差的百分比約為20%～25%，近隧道壁面?zhèn)鹊淖畲筘?fù)壓值相差的百分比約為20%。

裝載門有無凹陷的貨運(yùn)動車組在隧道內(nèi)交會時(shí)，各車廂近隧道壁面?zhèn)群徒淼乐行膫?cè)裝載門最大負(fù)壓差值如圖6所示?？梢钥闯觯瑑煞N情況下，近隧道中心側(cè)的壓力差均略大于近隧道壁面?zhèn)鹊膲毫Σ?；且從車頭到車尾方向，壓力差有逐漸減小的趨勢。

3.2.2 裝載門有無凹陷對車頭鼻錐處壓力波動的影響

圖7比較了裝載門有無凹陷的貨運(yùn)動車組在隧道內(nèi)交會時(shí)，車頭鼻錐處的壓力時(shí)間歷程曲線。裝載門有凹陷的車外最大正壓值為10.66kPa，裝載門無凹陷的車外最大正壓值為9.93kPa，相差7.3%。可以看出，頭頭交錯(cuò)時(shí)，車頭外壓力急劇下降；頭尾交錯(cuò)時(shí)，車頭外壓力急劇升高。

3.2.3 裝載門有無凹陷對平直車身壓力波動的影響

平直車身第4節(jié)風(fēng)擋頂部壓力監(jiān)測點(diǎn)的壓力時(shí)間歷程曲線如圖8所示，可以得到與鼻錐處壓力波動有同樣的規(guī)律。

平直車身6個(gè)風(fēng)擋頂部壓力監(jiān)測點(diǎn)的壓力時(shí)間歷程曲線如圖9所示?？梢钥闯?，裝載門凹陷的貨運(yùn)動車組風(fēng)擋最大正壓值明顯大于裝載門無凹陷的貨運(yùn)動車組。

圖6 各裝載門最大負(fù)壓力值Fig.6 The maximum negative pressure value of each loading door

圖7 車頭鼻錐處壓力時(shí)間歷程曲線對比Fig.7 Comparison of pressure time curve of front nose core

圖8 裝載門有無凹陷對第4節(jié)風(fēng)擋處壓力波動的影響Fig.8 Effect of loading doors with no depression on the fourth quarter windshield pressure fluctuations

圖9 裝載門有無凹陷對風(fēng)擋處壓力波動的影響Fig.9 Influence of loading and unloading depression on pressure fluctuation in windscreen

表4統(tǒng)計(jì)了裝載門有無凹陷時(shí)，風(fēng)擋最大正壓值及其相差百分比?？梢钥闯?，裝載門有凹陷的貨運(yùn)動車組風(fēng)擋處最大正壓值均大于裝載門無凹陷的貨運(yùn)動車組，相差的百分比基本維持在20%～30%。

表4 風(fēng)擋處最大正壓值統(tǒng)計(jì)Tab.4 The maximum positive pressure value of inter-car windshield

4 結(jié) 論

本文對貨運(yùn)動車組隧道內(nèi)交會時(shí)產(chǎn)生的的壓力波進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)論如下。

（1）凹陷的裝載門最大正壓值遠(yuǎn)大于無凹陷的裝載門，其壓差百分比在35%～100%。

（2）靠近隧道壁面一側(cè)的裝載門受凹陷的影響比靠近隧道中心一側(cè)（交會側(cè)）的裝載門小，從車頭到車尾，有無凹陷的裝載門最大正壓值的差異分別從1231.2Pa和1095.8Pa減小到1028Pa和814.8Pa。

（3）凹陷的裝載門使平直車身處的最大正壓值增大約20%～30%。

（4）從車頭到車尾方向，有無凹陷的裝載門引起的車外壓力差逐漸減小，但相差的百分比逐漸增大。從車頭到車尾方向，有無凹陷的裝載門中心最大正壓值的差異百分比分別從35.3%（近隧道壁面?zhèn)龋┖?8.5%（近隧道中心側(cè)）增大到79.8%（近隧道壁面?zhèn)龋┖?9.4%（近隧道中心側(cè)）。裝載門中心最大負(fù)壓值的差異百分比維持在20%～25%。