李爽，楊明智

?

重聯(lián)動(dòng)車組通過隧道時(shí)氣動(dòng)性能研究

李爽，楊明智

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075)

為研究重聯(lián)動(dòng)車組通過隧道時(shí)重聯(lián)區(qū)域?qū)α熊嚉鈩?dòng)性能的影響，采用三維、可壓和非定常N-S方程的數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)重聯(lián)動(dòng)車組通過隧道時(shí)壓縮波與膨脹波的傳播特性，列車表面壓力和隧道壁面壓力變化特性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：數(shù)值計(jì)算與動(dòng)模型試驗(yàn)相比，壓力變化曲線吻合較好，幅值偏差不超過7%，重聯(lián)區(qū)域前段流線型頭部進(jìn)入隧道，產(chǎn)生膨脹波，重聯(lián)區(qū)域后段流線型頭部進(jìn)入隧道，產(chǎn)生壓縮波，由于重聯(lián)區(qū)域產(chǎn)生的膨脹波和壓縮波之間的時(shí)間間隔短，導(dǎo)致膨脹效應(yīng)和壓縮效應(yīng)相互抵消，車體表面和隧道壁面壓力變化不顯著，當(dāng)重聯(lián)區(qū)域經(jīng)過隧道壁面測點(diǎn)時(shí)，重聯(lián)區(qū)域車體表面壓力變化影響隧道壁面壓力變化，使隧道壁面測點(diǎn)壓力產(chǎn)生先升后降的波動(dòng)。

重聯(lián)動(dòng)車組；隧道；氣動(dòng)性能；壓力變化

近年來，客流量劇增，重聯(lián)動(dòng)車組能在不改變開行密度情況下增加運(yùn)力，因此重聯(lián)動(dòng)車組越來越被廣泛地運(yùn)用。相比于普通動(dòng)車組，重聯(lián)動(dòng)車組長度更長，2節(jié)頭車相聯(lián)的方式也使得重聯(lián)動(dòng)車組列車中部產(chǎn)生一個(gè)U型凹槽。由于U型凹槽的存在，將導(dǎo)致列車中部橫截面和縱截面的線型和面積顯著改變，也會(huì)導(dǎo)致重聯(lián)動(dòng)車組周圍流場結(jié)構(gòu)相比于非重聯(lián)動(dòng)車組更加復(fù)雜，在此，本文研究重聯(lián)動(dòng)車組通過隧道時(shí)，重聯(lián)區(qū)域(U型凹槽)對(duì)動(dòng)車組氣動(dòng)性能的影響。國內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)值模擬，動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和實(shí)車實(shí)驗(yàn)研究了動(dòng)車組外形對(duì)動(dòng)車組通過隧道時(shí)氣動(dòng)性能的影響。HUANG等[1]在詳細(xì)研究圓形隧道斷面和通風(fēng)式隧道洞門基礎(chǔ)上，提出一種實(shí)用的壓縮波快速數(shù)值預(yù)報(bào)方法。HUANG等[2]應(yīng)用動(dòng)態(tài)分層法對(duì)地鐵隧道列車引起的非定常氣動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，研究車表面壓力和氣流速度在隧道內(nèi)發(fā)展情況。Mu?oz-Paniagua等[3]采用遺傳算法，從減小最大壓力梯度和氣動(dòng)阻力最小的2個(gè)角度優(yōu)化了高速列車進(jìn)入隧道時(shí)的列車頭型。Rabani等[4]采用-RNG湍流模型對(duì)列車與隧道相互作用特性進(jìn)行數(shù)值模擬，研究列車速度，通風(fēng)井和隧道洞門對(duì)壓力波、阻力和側(cè)向力的影響，通風(fēng)井和擴(kuò)大式洞門能減少壓力梯度約28%。王瀟芹等[5]基于已研制的一維可壓縮非定常不等熵流動(dòng)和廣義黎曼變量特征線數(shù)值計(jì)算程序，給出了CRH3高速列車單車通過隧道和2列車隧道交會(huì)過程中隧道內(nèi)壓力波和車外壓力波的形成過程，分析同一編組上不同車廂內(nèi)外壓力和壓差變化規(guī)律。基于上述討論，罕有學(xué)者研究重聯(lián)動(dòng)車組通過隧道時(shí)的氣動(dòng)性能。本文對(duì)比非重聯(lián)動(dòng)車組和重聯(lián)動(dòng)車組通過隧道時(shí)波的傳播規(guī)律，列車表面和隧道壁面壓力變化規(guī)律，分析重聯(lián)區(qū)域?qū)α熊嚉鈩?dòng)性能的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型

為縮小網(wǎng)格計(jì)算規(guī)模，本文計(jì)算模型采用6車編組高速列車，列車模型見圖1。為便于研究，6編組非重聯(lián)動(dòng)車組和重聯(lián)動(dòng)車組在長度上相同，動(dòng)車組尺寸見圖2。為便于計(jì)算區(qū)域的定義和描述，取列車高度為特征高度。模型從頭車到尾車依次編號(hào)為頭車，中車1，中車2，中車3，中車4，尾車。數(shù)值計(jì)算采用1:1的模型比例，車長和車高分別為150 m(40.5)和3.7 m(1)。車速為300 km/h。線間距為5 m。隧道凈空面積70 m2，隧道長度為762 m。

(a) 非重聯(lián)動(dòng)車組；(b) 重聯(lián)動(dòng)車組

(a) 側(cè)視圖；(b) 正視圖

1.2 計(jì)算區(qū)域和邊界條件

為了真實(shí)模擬列車過隧道時(shí)車，地面和隧道的相對(duì)移動(dòng)，選擇列車頭部距隧道入口50 m作為列車運(yùn)行的起點(diǎn)。為保證流場的充分發(fā)展，減少壁面邊界條件對(duì)流場結(jié)構(gòu)的影響，隧道前后計(jì)算域方向長度82，方向?qū)挾?2，方向高度16，計(jì)算區(qū)域和邊界條件見圖3。給定高速列車運(yùn)動(dòng)邊界條件，方向速度分量等于給定的列車速度，和方向速度分量等于0。流域兩側(cè)面、頂面和出口定義為壓力出口。流域入口定義為壓力入口?？拷淼廊肟诤退淼莱隹趦啥嗣娑x為wall。車表面和地面定義為wall。壓力入口和壓力出口的參考?jí)壕鶠? Pa。

圖3 邊界條件和計(jì)算區(qū)域的大小

1.3 計(jì)算網(wǎng)格

由于列車與隧道之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為此，計(jì)算區(qū)域采用分區(qū)對(duì)接滑移網(wǎng)格技術(shù)，其中隧道和地面用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散。由于車體及轉(zhuǎn)向架等幾何形狀較為復(fù)雜，車體表面采用三角形網(wǎng)格離散，列車周圍用四面體網(wǎng)格離散。為能夠準(zhǔn)確捕捉列車突入隧道時(shí)在隧道內(nèi)產(chǎn)生的壓力變化，列車頭部，尾部和重聯(lián)區(qū)域進(jìn)行了加密處理。為體現(xiàn)物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在隧道壁面和列車周圍間設(shè)置用于交換數(shù)據(jù)的公共滑移面。頭車周圍網(wǎng)格見圖4，重聯(lián)區(qū)域周圍網(wǎng)格見圖5。

圖4 頭車周圍網(wǎng)格圖

圖5 重聯(lián)區(qū)域周圍網(wǎng)格圖

1.4 數(shù)值算法

列車以一定運(yùn)行速度通過隧道，周圍流場具有強(qiáng)非定常性問題。列車進(jìn)入隧道后，隧道內(nèi)氣體受隧道壁面和車體的強(qiáng)烈擠壓，氣體的壓縮性需要被考慮。本文采用非定常、黏性、可壓縮N-S方程和Standard?雙方程湍流模型模擬列車過隧道過程。數(shù)值模擬采用ANSYS 6.3中的CFD模塊—Fluent。采用SIMPLE算法處理壓力和速度耦合方程。采用Quick格式處理對(duì)流項(xiàng)。采用二階中心格式處理擴(kuò)散項(xiàng)。采用具有二階精度的隱格式計(jì)算時(shí)間項(xiàng)。每步迭代的物理時(shí)間是1×10?3s，每個(gè)時(shí)間步迭代50次。用Fluent中的UDF功能去監(jiān)控和處理數(shù)據(jù)。

2 算法驗(yàn)證

采用動(dòng)模型試驗(yàn)來驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果，以提高算法和計(jì)算結(jié)果的可信性。這次動(dòng)模型試驗(yàn)在中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)模型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。該試驗(yàn)系統(tǒng)是基于列車、隧道和線路等制作成縮比模型，通過彈射系統(tǒng)使高速列車縮比模型在模擬線路上高速運(yùn)行，真實(shí)再現(xiàn)列車通過隧道的空氣三維非定常流動(dòng)現(xiàn)象。動(dòng)模型試驗(yàn)采用的模型尺寸為數(shù)值計(jì)算的1/16.8，隧道凈空面積為59 m2，列車模型采用3車編組，車速為300 km/h。在保證阻塞比一致的同時(shí)，高速列車與隧道壁面布點(diǎn)位置按比例與數(shù)值模擬計(jì)算完全一致。動(dòng)模型試驗(yàn)中，列車表面監(jiān)控點(diǎn)距離頭車鼻尖點(diǎn)1.06 m，距離軌道頂面0.21 m；隧道壁面監(jiān)控點(diǎn)距離隧道入口17.50 m，距離軌道頂面0.12 m。動(dòng)模型試驗(yàn)中的車型和隧道斷面見圖6。

數(shù)值模擬和動(dòng)模型試驗(yàn)的車體表面壓力和隧道壁面壓力變化曲線見圖7。兩者的波形圖波動(dòng)規(guī)律一致，僅幅值大小和幅值出現(xiàn)時(shí)間存在差異，并且差異小于7%，因此，本文所采用的數(shù)值算法是準(zhǔn)確的，結(jié)果是可信的。

(a) 隧道模型；(b) 高速列車模型

(a) 車體表面壓力；(b) 隧道壁面壓力

3 結(jié)果和討論

3.1 隧道內(nèi)壓力波傳播規(guī)律

當(dāng)動(dòng)車組以300 km/h速度駛?cè)胨淼浪查g，氣流受隧道壁面限制被劇烈壓縮，壓力劇增形成壓縮波。尾車駛?cè)胨淼罆r(shí)，車尾處負(fù)壓低于大氣壓，膨脹波產(chǎn)生。隧道入口和隧道出口都屬于自由界面，根據(jù)波的傳播和反射機(jī)理，膨脹波在自由界面反射后變?yōu)閴嚎s波，壓縮波在自由界面反射后變?yōu)榕蛎洸?。壓縮波和膨脹波在隧道內(nèi)均以當(dāng)?shù)匾羲賯鞑ィ⒃谒淼蓝纯诒环瓷浠厮淼纼?nèi)。當(dāng)壓縮波或膨脹波在某時(shí)刻到達(dá)車體表面和隧道壁面測點(diǎn)位置時(shí)，將造成車體表面和隧道壁面的壓力上升或下降。

圖8所示為動(dòng)車組頭車測點(diǎn)(P5)壓力變換過程與馬赫波傳播關(guān)系(測點(diǎn)距離頭車鼻尖點(diǎn)7.4 m，距離軌道頂面2.4 m)。測點(diǎn)壓力上升或下降的時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn)，用序號(hào)a1~a12表示。C表示壓縮波，E表示膨脹波。壓縮波和膨脹波按被隧道出入口反射時(shí)刻排序，用C1~C5，E1~E5表示。由于重聯(lián)區(qū)域兩流線型頭部相距較近，導(dǎo)致前段流線型頭部經(jīng)過隧道入口產(chǎn)生的膨脹波與后段流線型頭部經(jīng)過隧道入口產(chǎn)生的壓縮波在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上相距很近，因此統(tǒng)一用字母M(直線)表示重聯(lián)區(qū)域產(chǎn)生的膨脹波和壓縮波。

(a) 馬赫波傳播圖；(b) 列車表面測點(diǎn)壓力變化歷程

當(dāng)動(dòng)車組頭車進(jìn)入隧道瞬間，壓力劇增形成初始?jí)嚎s波(C1)。由于初始?jí)嚎s波(C1)影響，車體表面壓力在a1時(shí)刻開始上升。尾車進(jìn)入隧道引起初始膨脹波(E2)，導(dǎo)致車體表面壓力在a3時(shí)刻下降。頭車引起的壓縮波經(jīng)隧道出口反射形成膨脹波(E1)，膨脹波(E1)在a4時(shí)刻到達(dá)列車表面測點(diǎn)，壓力繼續(xù)下降。初始膨脹波經(jīng)反隧道出口反射形成的壓縮波(C2)在a6時(shí)刻到達(dá)列車表面測點(diǎn)，壓力開始上升。初始?jí)嚎s波經(jīng)隧道出入口2次反射，在a7時(shí)刻以壓縮波(C3)形式再次遇到列車表面測點(diǎn)，壓力繼續(xù)上升。初始?jí)嚎s波經(jīng)過隧道出入口3次反射形成的膨脹波(E3)在a9時(shí)刻到達(dá)列車表面測點(diǎn)，壓力下降。a11時(shí)刻壓力繼續(xù)下降，主要是由于初始膨脹波經(jīng)過隧道出入口2次反射形成的膨脹波(E4)到達(dá)車體表面測點(diǎn)引起的。初始膨脹波經(jīng)過隧道出入口3次反射形成的壓縮波(C4)到達(dá)列車表面測點(diǎn)，使得壓力在a12時(shí)刻開始上升。直到動(dòng)車組出隧道以后，車體表面壓力恢復(fù)到進(jìn)入隧道之前 狀態(tài)。

由于重聯(lián)區(qū)域外形突變產(chǎn)生的車體表面壓力變化差異主要在b1，b2，b3和b4 4個(gè)區(qū)域。當(dāng)重聯(lián)區(qū)域前段流線型頭部經(jīng)過隧道入口產(chǎn)生的膨脹波(M1)在a2時(shí)刻到達(dá)測點(diǎn)時(shí)，車體表面壓力下降。當(dāng)重聯(lián)區(qū)域后段流線型頭部經(jīng)過隧道入口時(shí)，隧道內(nèi)產(chǎn)生壓縮波(M2)，車體表面壓力又開始上升，使得重聯(lián)動(dòng)車組車體表面壓力在b1區(qū)域有先下降后上升的波動(dòng)。前段流線型頭部產(chǎn)生的膨脹波(M1)經(jīng)隧道出口反射形成的壓縮波(M2)在時(shí)間上先于后段流線型產(chǎn)生的壓縮波(M1)經(jīng)隧道出口反射形成的膨脹波(M2)到達(dá)車身表面測點(diǎn)，使得車體表面壓力在b2區(qū)域有先上升后下降的波動(dòng)。膨脹波(M1)經(jīng)隧道出入口2次反射形成的膨脹波(M3)在a8時(shí)刻到達(dá)測點(diǎn)時(shí)，車體表面壓力繼續(xù)下降。壓縮波(M1)經(jīng)隧道出入口2次反射形成的壓縮波(M3)到達(dá)測點(diǎn)時(shí)，測點(diǎn)壓力上升。又由于初始?jí)嚎s波(C1)經(jīng)3次反射形成的膨脹波(E3)與壓縮波(M3)幾乎在同一時(shí)間到達(dá)測點(diǎn)，并且壓縮波(M3)的波強(qiáng)度要小于膨脹波(E3)，所以車體表面壓力在b3區(qū)域一直下降。膨脹波(M1)經(jīng)隧道出入口3次反射形成的壓縮波(M4)，在a10時(shí)刻到達(dá)測點(diǎn)，使得車體表面壓力上升。壓縮波(M1)經(jīng)隧道出入口3次反射形成的膨脹波(M4)使得車體表面壓力下降，因此，車體表面壓力在b4區(qū)域有先上升后下降的波動(dòng)。

圖9所示為隧道壁面測點(diǎn)壓力變換過程與馬赫波的傳播關(guān)系(測點(diǎn)距離隧道入口667.0 m，距離軌道頂面2.0 m)。測點(diǎn)壓力上升或下降的時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn)，用序號(hào)d1~d14表示。壓縮波和膨脹波表示方式與圖8相同。

(a) 馬赫波傳播圖；(b) 隧道壁面測點(diǎn)壓力變化歷程

動(dòng)車組頭車進(jìn)入隧道引起的壓縮波、動(dòng)車組尾車進(jìn)入隧道引起的膨脹波以及壓縮波與膨脹波在隧道出入口反射形成的膨脹波和壓縮波，到達(dá)隧道壁面測點(diǎn)位置時(shí)，將造成測點(diǎn)壓力上升或下降。由于壓縮波和膨脹波到達(dá)隧道壁面測點(diǎn)的時(shí)刻與到達(dá)車體表面測點(diǎn)的時(shí)刻不同，所以隧道壁面測點(diǎn)壓力上升或下降的時(shí)刻與車體表面測點(diǎn)不同。隧道壁面測點(diǎn)壓力在d1，d6，d7，d12和d13時(shí)刻上升，在d2，d5，d8和d11時(shí)刻下降。

由于重聯(lián)區(qū)域外形突變產(chǎn)生的隧道壁面測點(diǎn)壓力變化差異主要位于f1，f2和f3 3個(gè)區(qū)域。當(dāng)重聯(lián)區(qū)域前段流線型頭部經(jīng)過隧道入口產(chǎn)生膨脹波(M1)，在d3時(shí)刻到達(dá)測點(diǎn)，使得隧道壁面壓力下降。重聯(lián)區(qū)域后段流線型頭部經(jīng)過隧道入口產(chǎn)生壓縮波(M1)使得隧道壁面壓力又開始上升，因此，隧道壁面壓力在f1區(qū)域首先產(chǎn)生一個(gè)先下降后上升的波動(dòng)。膨脹波(M1)經(jīng)隧道出口反射形成的壓縮波(M2)先于壓縮波經(jīng)隧道出口反射形成的膨脹波(M2)到達(dá)車身表面測點(diǎn)，隧道壁面壓力在f1區(qū)域又產(chǎn)生一個(gè)先上升后下降的波動(dòng)。因此，表示重聯(lián)動(dòng)車組的隧道壁面壓力曲線在f1區(qū)域共產(chǎn)生2個(gè)壓力波動(dòng)，第1個(gè)先下降后上升的波動(dòng)，第2個(gè)先上升后下降的波動(dòng)。在d9時(shí)刻，膨脹波(M1)經(jīng)隧道出入口2次反射形成的膨脹波(M3)到達(dá)測點(diǎn)，使得隧道壁面壓力下降。壓縮波(M1)經(jīng)隧道出入口2次反射形成的壓縮波(M3)到達(dá)測點(diǎn)時(shí)，測點(diǎn)壓力上升，因此，隧道壁面壓力在f2區(qū)域首先產(chǎn)生一個(gè)先下降后上升的波動(dòng)。膨脹波(M1)經(jīng)隧道出入口3次反射形成的壓縮波(M4)，在d10時(shí)刻到達(dá)測點(diǎn)，使得測點(diǎn)壓力上升。壓縮波(M1)經(jīng)3次反射形成的膨脹波(M4)到達(dá)測點(diǎn)時(shí)，測點(diǎn)壓力下降。因此f2區(qū)域同f1區(qū)域一樣，表示重聯(lián)動(dòng)車組的隧道壁面壓力曲線共產(chǎn)生2個(gè)壓力波動(dòng)，第1個(gè)先下降后上升的波動(dòng)，第2個(gè)先上升后下降的波動(dòng)。

f3區(qū)域壓力變化差異并非由重聯(lián)區(qū)域產(chǎn)生的膨脹波或壓縮波導(dǎo)致的。重聯(lián)區(qū)域經(jīng)過隧道壁面測點(diǎn)時(shí)動(dòng)車組周圍流場壓力分布的側(cè)視圖見圖10。重聯(lián)區(qū)域和非重聯(lián)動(dòng)車組對(duì)應(yīng)區(qū)域周圍壓力分布的側(cè)視圖，俯視圖和斜視圖見圖11。從圖可知，當(dāng)重聯(lián)區(qū)域到達(dá)隧道壁面測點(diǎn)時(shí)，重聯(lián)車鉤及其與司機(jī)室之間區(qū)域的正壓值較大。重聯(lián)區(qū)域車體表面壓力變化會(huì)對(duì)隧道壁面壓力變化產(chǎn)生影響，導(dǎo)致隧道壁面測點(diǎn)壓力有小幅上升。當(dāng)重聯(lián)區(qū)域駛離隧道壁面測點(diǎn)位置后，重聯(lián)區(qū)域車體表面壓力變化不再對(duì)隧道壁面壓力變化產(chǎn)生影響，導(dǎo)致隧道壁面測點(diǎn)壓力下降。重聯(lián)區(qū)域經(jīng)過隧道壁面測點(diǎn)時(shí)引起的壓力波動(dòng)與重聯(lián)區(qū)域側(cè)面壓力曲線(見圖12)疊加在非重聯(lián)動(dòng)車組相應(yīng)位置的隧道壁面測點(diǎn)壓力曲線上，產(chǎn)生的波動(dòng)相同。因此表示重聯(lián)動(dòng)車組的隧道壁面壓力曲線在f3區(qū)域產(chǎn)生先上升后下降的波動(dòng)。

(a)，(b)，(c) 非重聯(lián)動(dòng)車組；(d)，(e)，(f) 重聯(lián)動(dòng)車組

(a) 非重聯(lián)動(dòng)車組；(b) 重聯(lián)動(dòng)車組

圖12 明線運(yùn)行時(shí)重聯(lián)區(qū)域z=2.0 m車體側(cè)截面的壓力分布

3.2 列車表面壓力變化

重聯(lián)區(qū)域測點(diǎn)布置見圖13。重聯(lián)區(qū)域測點(diǎn)壓力變化時(shí)間曲線見圖14。重聯(lián)動(dòng)車組在隧道中運(yùn)行時(shí)重聯(lián)區(qū)域流線見圖15。重聯(lián)動(dòng)車組動(dòng)車組通過隧道過程中，圖15中流線L3在T29測點(diǎn)位置偏折，由下降趨勢變?yōu)樯仙厔?。流線L1也在T29測點(diǎn)位置偏折，由向內(nèi)趨勢變?yōu)橄蛲廒厔荨Ｒ虼死@流流過T29測點(diǎn)位置時(shí)，形成局部正壓區(qū)。從圖14可知，T29測點(diǎn)壓力曲線基本位于正壓區(qū)波動(dòng)，其印證了T29測點(diǎn)區(qū)域形成局部正壓區(qū)的結(jié)論。T26和T31 2個(gè)測點(diǎn)壓力曲線都位于壓力值為0直線下方且波動(dòng)規(guī)律一致，壓力幅值差異較小，T27，T28和T30測點(diǎn)壓力曲線在正負(fù)值之間波動(dòng)，波動(dòng)規(guī)律一致，幅值差異較大，說明除T29測點(diǎn)區(qū)域外，T26至T31測點(diǎn)之間區(qū)域的列車表面壓力在正負(fù)值區(qū)間波動(dòng)。T26和T31測點(diǎn)區(qū)域的兩端，列車表面壓力在負(fù)值區(qū)間波動(dòng)。

單位：cm

圖14 重聯(lián)區(qū)域測點(diǎn)壓力變化歷程

圖15 重聯(lián)區(qū)域流線圖

列車表面壓力分布見圖16，L代表車長，代表測點(diǎn)距頭車鼻尖點(diǎn)距離。重聯(lián)區(qū)域?qū)ax的影響主要集中在中車2和中車3，最大能使中車3max下降40%，對(duì)頭車和中車1的影響很小。重聯(lián)區(qū)域?qū)in的影響主要集中在中車2，中車3，中車4和尾車。重聯(lián)區(qū)域min波動(dòng)較為劇烈。重聯(lián)區(qū)域?qū)Ζさ挠绊懼饕性谥熊?和中車4，最大能使中車4的Δ降低4%。max，min和Δ沿車長方向(頭車至尾車)呈下降趨勢。

圖16 列車表面壓力分布圖

3.3 隧道壁面壓力變化

隧道壁面壓力分布見圖17，L代表隧道長度，代表測點(diǎn)距隧道入口距離。相比于非重聯(lián)動(dòng)車組，重聯(lián)動(dòng)車組通過隧道時(shí)導(dǎo)致隧道壁面壓力的max，min和Δ都要更小些。這主要是因?yàn)橹芈?lián)區(qū)域進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生了膨脹波和壓縮波，并且壓縮波和膨脹波經(jīng)隧道出入口反射回隧道內(nèi)，并在隧道內(nèi)傳播。重聯(lián)區(qū)域?qū)λ淼廊肟诙?0.1L?0.3L)和出口段(0.8L?1.0L)的max，min和Δ影響比較小，對(duì)隧道中部(0.4L?0.6L)的max和Δ影響比較大。

圖17 隧道壁面壓力分布圖

4 結(jié)論

1) 重聯(lián)區(qū)域前段流線型頭部進(jìn)入隧道后，隧道內(nèi)產(chǎn)生膨脹波，使車體表面和隧道壁面壓力下降。重聯(lián)區(qū)域后段流線型頭部進(jìn)入隧道后，隧道內(nèi)產(chǎn)生壓縮波，使車體表面和隧道壁面壓力上升。重聯(lián)區(qū)域產(chǎn)生的壓縮波和膨脹波在隧道內(nèi)傳播，并在隧道洞口被反射回隧道內(nèi)，增加了列車表面和隧道壁面的壓力波動(dòng)。由于重聯(lián)產(chǎn)生的膨脹波和壓縮波之間的時(shí)間間隔小，導(dǎo)致膨脹效應(yīng)和壓縮效應(yīng)相互抵消，車體表面和隧道壁面的壓力變化不顯著。

2) 重聯(lián)動(dòng)車組通過隧道全程，重聯(lián)區(qū)域后段流線型頭部的司機(jī)室與車鉤之間位置(T29測點(diǎn)位置)形成局部正壓區(qū)。重聯(lián)區(qū)域的2司機(jī)室頂端位置(T26和T31測點(diǎn)位置)之間，除局部正壓區(qū)以外的區(qū)域，壓力值在正負(fù)值之間波動(dòng)。2司機(jī)室頂端位置的兩端，列車表面壓力在負(fù)值區(qū)間波動(dòng)。重聯(lián)區(qū)域經(jīng)過隧道壁面測點(diǎn)時(shí)，由于重聯(lián)區(qū)域車體表面壓力變化對(duì)隧道壁面壓力變化的影響，測點(diǎn)壓力產(chǎn)生小幅波動(dòng)(先上升后下降)。

3) 重聯(lián)區(qū)域?qū)︻^車和中車1的max，min和Δ的影響較小，對(duì)中車3，中車4和尾車表面max，min和Δ影響比較大。最大能使中車3的max下降40%，最大能使中車4的Δ降低4%。max，min和Δ沿車長方向(頭車至尾車)呈下降趨勢。隧道壁面max，min和Δ受重聯(lián)區(qū)域影響而降低。重聯(lián)區(qū)域?qū)λ淼乐胁?0.4L?0.6L)的max和Δ影響比較大。重聯(lián)區(qū)域?qū)λ淼辣诿鏈y點(diǎn)壓力影響小于對(duì)車體表面測點(diǎn)壓力的影響。

[1] HUANG Y D, GAO W, Kim C N. A numerical study of the train-induced unsteady airflow in a metro tunnel with natural ventilation ducts using the dynamic layering method[J]. J Hydrodyn, 2010, 22(2): 164?172.

[2] HUANG Y, HONG T H, CHANG N K. A numerical simulation of train-induced unsteady airflow in a tunnel of Seoul metro[J]. J Mech Sci Technol, 2012, 26(3): 785?792.

[3] Mu?oz-Paniagua J, García J, Crespo A. Genetically aerodynamic optimization of the nose shape of a high-speed train entering a tunnel[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2014, 130: 48?61.

[4] Rabani M, Faghih A K. Numerical analysis of airflow around a passenger train entering the tunnel[J]. Tunn Undergr Space Technol, 2015, 45: 203?213.

[5] 王瀟芹, 梅元貴, 周朝暉. CRH3高速列車隧道壓力波特性淺析[J]. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 30(1): 117?121. WANG Xiaoqin, MEI Yuangui, ZHOU Chaohui. Exploring study on tunnel pressure wave characteristics of CRH3 high-speed train[J]. Journal of Lanzhou Jiaotong University, 2011, 30(1): 117?121.

[6] Suzuki M. Unsteady aerodynamic force acting on high-speed trains in a tunnel [J]. QR of RTRI, 2014, 42(2): 89?93.

[7] 梅元貴, 張成玉, 許建林, 等. 高速列車隧道進(jìn)口波基本特性數(shù)值研究[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)報(bào), 2015, 33(5): 686? 695. MEI Yuangui, ZHANG Chengyu, XU Jianlin, et al. Numerical research on basic characteristics of tunnel entry waves induced by a high-speed train running into the tunnel[J]. Aata Aerodynamica Sinica, 2015, 33(5): 686?695.

[8] 駱建軍, 姬海東. 高速列車進(jìn)入有緩沖結(jié)構(gòu)隧道的壓力變化研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2011, 33(9): 114?118. LUO Jianjun, JI Haidong. Study on changes of pressure waves induced by a high-speed train entering into a tunnel with hood[J]. Journal of the China Railway Society, 2011, 33(9): 114?118.

[9] 李志偉, 梁習(xí)峰, 張健. 豎井對(duì)隧道內(nèi)瞬變壓力的影響[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 42(8): 2514? 2519. LI Zhiwei, LIANG Xifeng, ZHANG Jian. Influence of shaft on alleviating transient pressure in tunnel[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2011, 42(8): 2514?2519.

[10] 張雷, 田紅旗, 楊明智, 等. 帽檐斜切式洞門斜率對(duì)隧道氣動(dòng)性能的影響[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 44(2): 817?822. ZHANG Lei, TIAN Hongqi, YANG Mingzhi, et al. Influence on tunnel aerodynamic effects by slope of hat oblique tunnel portal[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(2): 817? 822

[11] 牛紀(jì)強(qiáng). 高速列車通過隧道時(shí)產(chǎn)生的列車風(fēng)研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015, 12(6): 1268?1276. NIU Jiqiang. Research on gusts caused by high-speed trains passing through tunnel[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2015, 12(6): 1268?1276.

Study on the aerodynamic performance of a couple multiple units high-speed train entering into a tunnel

LI Shuang, YANG Mingzhi

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to study how the coupling region affects aerodynamic performance of the couple multiple units trains when they go through a tunnel, based on unsteady N-S equation of three-dimensional and compressible viscous fluid, transient pressure propagation over time and the pressure on the vehicle body and tunnel were simulated. The results show that the calculated results agree with those of the experimental model. The switch of pressure curves attained by two methods are accorded completely, and amplitude merely presented difference is only about 7%. When the first streamline head on coupling region entering into a tunnel, the expansion wave occurred. When the second streamline head on coupling region entering into a tunnel, the compression wave occurred. Due to the short time interval between the expansion wave and the compression wave generated in coupling region, the effect of expansion and compression cancel out, and the pressure on the vehicle body surface and the tunnel wall surface is insignificant. When the coupling region passing through the monitor point of the tunnel wall, the pressure change on surface of the vehicle body surface effect the pressure change on tunnel wall, so the pressure of monitor point on tunnel wall lead fluctuation of first rising and last declining.

couple multiple units; tunnel; aerodynamic performance; pressure change

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.01.003

U271.91

A

1672 ? 7029(2019)01 ? 0016 ? 09

2017?12?29

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB1200602-11，2016YFB1200602-12)

楊明智(1972?)，男，湖南望城人，副教授，從事空氣動(dòng)力學(xué)研究；E?mail：yqyymz@126.com

(編輯 陽麗霞)