崔景東 李 炎 劉炎舉 黃帥帥

?

隧道內(nèi)列車活塞風(fēng)效應(yīng)數(shù)值模擬分析

崔景東 李 炎 劉炎舉 黃帥帥

（蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 蘭州 730070）

隨著長及特長單線鐵路隧道的大量修建，利用列車活塞風(fēng)改善隧道內(nèi)空氣質(zhì)量，降低隧道通風(fēng)能耗已成為可能。采用數(shù)值模擬方法以英國Patchway隧道作為物理模型，利用Flunet17.0軟件建立相應(yīng)動(dòng)網(wǎng)格模型。模擬計(jì)算獲得的活塞風(fēng)速平均值與實(shí)測值吻合度較好，表明該模擬方法準(zhǔn)確性較高。在此基礎(chǔ)上，改變行車速度，對隧道內(nèi)列車活塞風(fēng)效應(yīng)做系列模擬計(jì)算。研究結(jié)果表明：以patchway隧道和列車數(shù)據(jù)為基本參數(shù)，列車行車速度每增加5m/s，平均活塞風(fēng)速約以19.48%遞增，平均增壓約以50%左右遞增，表明列車行車車速與活塞風(fēng)速、風(fēng)壓存在正相關(guān)關(guān)系。該研究可為工程上列車活塞風(fēng)效應(yīng)估算提供借鑒。

隧道；活塞風(fēng)效應(yīng)；數(shù)值模擬

0 引言

列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)引起活塞風(fēng)屬自然通風(fēng)范疇。隨著國內(nèi)長及特長單線鐵路隧道和城市地鐵大量修建，合理利用活塞風(fēng)改善隧道內(nèi)空氣質(zhì)量，降低單線隧道通風(fēng)能耗成為可能。

國內(nèi)外學(xué)者對活塞風(fēng)相關(guān)問題已有一定研究。研究內(nèi)容主要涉及兩方面，一是列車在不同運(yùn)行狀態(tài)下（會(huì)車、駛向救援站等）活塞風(fēng)變化情況[1,2]，二是不同行車速度下列車活塞風(fēng)速及風(fēng)壓變化規(guī)律[3-8]。研究方法主要是數(shù)值模擬法，本文也采用數(shù)值模擬方法研究隧道內(nèi)列車活塞風(fēng)效應(yīng)，通過將模擬計(jì)算活塞風(fēng)速平均值與實(shí)測值相對比，驗(yàn)證計(jì)算方法正確性。在此基礎(chǔ)上，模擬不同列車速度在隧道內(nèi)運(yùn)行，對活塞風(fēng)速和風(fēng)壓變化規(guī)律。

1 數(shù)值模擬計(jì)算相關(guān)內(nèi)容

1.1 數(shù)學(xué)模型

列車在隧道中運(yùn)行時(shí)，隧道內(nèi)部流場會(huì)發(fā)生復(fù)雜變化。為方便計(jì)算，本文對計(jì)算模型在滿足條件基礎(chǔ)上做合理簡化[9]：①隧道內(nèi)風(fēng)流視為不可壓流動(dòng)；②隧道內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)為湍流；③假定隧道內(nèi)壁面絕熱，且流體具有同向性紊流粘性，滿足Boussinesq假設(shè)；④列車在隧道內(nèi)部勻速行駛。因假定列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)，所以本文紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)-雙方程模型。流動(dòng)同時(shí)滿足以下方程[10]。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

方程：

1.2 物理模型

英國patchway隧道有實(shí)測數(shù)據(jù)，故本文模擬計(jì)算物理模型根據(jù)patchway隧道建立。英國patchway隧道和列車基本參數(shù)見表1[11]。為簡化計(jì)算，使用Gambit6.3.26軟件建立二維縱截面模型時(shí)，將隧道和列車均簡化為矩形。列車由洞外駛?cè)攵磧?nèi)，隧道內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)距隧道入口150m。

表1 Patchway隧道和列車基本參數(shù)

1.3 網(wǎng)格劃分及動(dòng)網(wǎng)格設(shè)定

模型計(jì)算區(qū)域劃分見圖1。圖1中包含7個(gè)計(jì)算區(qū)域，各區(qū)域名稱見表2。

根據(jù)各區(qū)域流動(dòng)特點(diǎn)，分別做網(wǎng)格劃分。區(qū)域6流場變化劇烈，該部分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量多；區(qū)域4和區(qū)域7靠近列車部分網(wǎng)格較密，遠(yuǎn)離列車部分較?。粎^(qū)域2和區(qū)域5，采用標(biāo)準(zhǔn)-雙方程模型中默認(rèn)壁面函數(shù)法，靠近隧道壁面粘性底層厚度不超過第一個(gè)網(wǎng)格寬度[3]；區(qū)域1和區(qū)域3對模擬計(jì)算結(jié)果影響不大，這兩部分網(wǎng)格稀疏。

圖1中動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域4，6，7與靜止網(wǎng)格區(qū)域2，5之間通過滑移網(wǎng)格交界面進(jìn)行連接；列車和區(qū)域6為剛體運(yùn)動(dòng)，具體運(yùn)動(dòng)方式通過UDF進(jìn)行編譯，將速度值賦給列車壁邊和區(qū)域6前后兩條邊；區(qū)域4和區(qū)域7中空氣隨列車運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，故屬于變形運(yùn)動(dòng)。

圖1 模型計(jì)算域劃分圖

表2 各區(qū)域名稱

1.4 邊界條件

如圖1所示，物理模型取Patchway隧道相同邊界條件，區(qū)域1和區(qū)域3分別采用壓力進(jìn)口邊界和壓力出口邊界；區(qū)域4，6，7和區(qū)域2，5之間采用滑移網(wǎng)格交界面，以模擬列車運(yùn)動(dòng)狀況；列車壁邊設(shè)為wall邊界，取列車速度；隧道壁邊設(shè)為wall邊界；其余邊界采用默認(rèn)wall邊界。

1.5 其他相關(guān)參數(shù)設(shè)定

實(shí)際隧道和列車壁面并不是光滑，在Fluent17.0軟件中應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)定，相關(guān)參數(shù)具體取值參照英國patchway隧道和列車，見表3。

表3 Patchway隧道和列車表面參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

列車從距離隧道入口35m處出發(fā)，監(jiān)測點(diǎn)設(shè)于距隧道入口150m，列車分別以25m/s、30m/s和35m/s在隧道內(nèi)運(yùn)行。

2.1 活塞風(fēng)模型計(jì)算驗(yàn)證

圖2 列車活塞風(fēng)速模擬平均值與實(shí)測平均值

本次模擬計(jì)算列車行車速度為35m/s，與實(shí)際車速相同。列車活塞風(fēng)速模擬平均值與實(shí)測平均值，在圖2所示。

由圖2中得出：

（1）模擬列車活塞風(fēng)平均值與實(shí)測值吻合度較好，說明本文模擬計(jì)算方法正確計(jì)算結(jié)果可靠度高；

（2）列車車尾經(jīng)過測點(diǎn)后活塞風(fēng)速趨于穩(wěn)定；

（3）根據(jù)列車運(yùn)行時(shí)間，可以將活塞風(fēng)速變化狀況分為三個(gè)階段：車頭未過測點(diǎn)階段（=0～4.0s）、車身經(jīng)過測點(diǎn)階段（=4.0～9.9s）、車尾過測點(diǎn)后階段（=9.9～31.5s）。

將每個(gè)階段活塞風(fēng)平均值與實(shí)測值做對比，結(jié)果見表4。

表4 各階段模擬與實(shí)測活塞風(fēng)平均值相對差

表4中結(jié)果表明：

（1）第三階段吻合度最好，這個(gè)階段也是隧道中利用活塞風(fēng)通風(fēng)主要階段，此處也再次證明本文模擬計(jì)算可靠性；

（2）第一、二階段屬活塞風(fēng)發(fā)展階段，未達(dá)到穩(wěn)定，波動(dòng)性較大（因測點(diǎn)距隧道入口150m處），故相對差較大。

2.2 活塞風(fēng)速變化規(guī)律

列車分別以25m/s、30m/s和35m/s在隧道中運(yùn)行，模擬計(jì)算得到平均活塞風(fēng)速隨時(shí)間變化情況見圖3。

圖3 平均活塞風(fēng)速隨時(shí)間變化曲線

因本文主要研究第三階段，即車尾過測點(diǎn)后階段（活塞風(fēng)穩(wěn)定階段），將該階段活塞風(fēng)平均值列入表5中。

表5 不同車速活塞風(fēng)速平均值對比

由圖3及表5可以得出：

（1）列車在不同速度下運(yùn)行時(shí)，平均活塞風(fēng)速隨時(shí)間變化曲線趨勢完全相同；

（2）隨著列車行車速度提高，平均活塞風(fēng)速也隨之增大；

（3）以表1和表3數(shù)據(jù)為基本參數(shù)，模擬計(jì)算得到平均活塞風(fēng)速存在于列車速度如表5中所表達(dá)百分比關(guān)系，取平均值，1/0約為49.43%；

（4）以表1和表3數(shù)據(jù)為基本參數(shù)，0每增加5m/s，模擬計(jì)算得到平均活塞風(fēng)速約以19.48%（以0=25m/s時(shí)1為基準(zhǔn)）遞增。

2.3 活塞風(fēng)壓變化規(guī)律

活塞風(fēng)壓是活塞風(fēng)壓源，其大小決定活塞風(fēng)速大小。為保證風(fēng)壓穩(wěn)定性，本文選取了列車車頭到達(dá)隧道內(nèi)部250m、500m、750m和1000m處模擬結(jié)果，研究活塞風(fēng)壓變化規(guī)律。隧道內(nèi)不同位置處壓力云圖見圖4。

活塞風(fēng)壓，即活塞風(fēng)增壓，一般由隧道內(nèi)車頭和車尾壓力絕對值疊加得到（車頭為正壓，車尾為負(fù)壓）。不同車速條件下活塞風(fēng)增壓平均值見表6。

表6 不同車速條件下活塞風(fēng)增壓平均值

由圖4和表6可以得出：

（1）不同行車速度下，活塞風(fēng)壓變化規(guī)律相似；

（2）不同行車速度下，活塞風(fēng)壓在250m處增壓較大，這表明距隧道入口越近，活塞風(fēng)增壓受其他條件（如隧道入口壓力波）影響較大；距隧道入口越遠(yuǎn)，活塞風(fēng)增壓逐漸趨于穩(wěn)定；

（3）總體來說，表6中不同列車速度下活塞風(fēng)增壓波動(dòng)性較大；對表6中不同行車速度下增壓做平均，0每增加5m/s，模擬計(jì)算得到平均增壓約以50%左右遞增（以表1和表3數(shù)據(jù)為基本參數(shù)）。

3 結(jié)論和建議

通過對模擬計(jì)算結(jié)果分析，本文給出如下結(jié)論和建議：

（1）本文以英國Patchway隧道為物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過計(jì)算值與實(shí)測值對比表明本文計(jì)算方法正確，計(jì)算結(jié)果可靠性高；

（2）隨著列車行車速度提高，平均活塞風(fēng)速和風(fēng)壓呈增大趨勢；

（3）以表1和表3數(shù)據(jù)為基本參數(shù)，0每增加5m/s，平均活塞風(fēng)速約以19.48%遞增，平均增壓約以50%左右遞增；

（4）根據(jù)結(jié)論3，以國內(nèi)常見單線隧道和列車參數(shù)為基本參數(shù)，通過系列計(jì)算，可以建立活塞風(fēng)速和增壓相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，為工程上估算活塞風(fēng)速和風(fēng)壓提供借鑒。

[1] 曾艷華,白赟,周小涵,等.列車?？克淼纼?nèi)救援站過程中活塞風(fēng)變化數(shù)值模擬分析[J].中國鐵道科學(xué),2016, 37(4):128-133.

[2] 閆春利,雷波.行車對數(shù)和位置對活塞風(fēng)井通風(fēng)特性的影響[J].制冷與空調(diào),2018,32(1):1-6.

[3] 甘甜,王偉,趙耀華,等.地鐵活塞風(fēng)Fluent動(dòng)網(wǎng)格模型建立與驗(yàn)證[J].建筑科學(xué),2011,27(8):75-81.

[4] 陳榮,王國志,鄧斌,等.列車通過隧道時(shí)流場二維數(shù)值模擬分析[J].鐵道建筑,2013(1):52-55.

[5] JYKim, KYKim. Experimental and numerical analyses of train-induced unsteady tunnel flow in subway[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2007,22(2):166-172.

[6] KE Mingtsun, CHENG Tsungche. Numerical Simulation for Optimizing the Desgin of Subway Environmental Control System[J]. Building and Environment, 2002,37(11):1139-1152.

[7] JKMok, JYoo. Numerical study on high speed train and tunnel hood interaction[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2001,89:17-29.

[8] Chang-Hoon Shin, Warn-Gyu Park. Numerical study of flow characteristics of the high speed train entering into a tunnel[J]. Mechanics Research Communications,2003, 30:287-296.

[9] 王從陸,吳超.基于移動(dòng)參考框架礦內(nèi)運(yùn)輸工具活塞風(fēng)數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào),2007(8):838-841.

[10] 鄔長福,鄧權(quán)龍,李樂農(nóng).基于動(dòng)網(wǎng)格井巷活塞風(fēng)影響因素?cái)?shù)值模擬研究[J].中國礦業(yè),2015,24(8):110-114.

[11] 李炎.鐵路隧道列車活塞風(fēng)特性分析及理論研究[D].蘭州:蘭州交通大學(xué),2010.

Numerical Simulation Analysis of the Effect of Piston Wind on Train in Tunnel

Cui Jingdong Li Yan Liu Yanju Huang Shuaishuai

( School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou, 730070 )

With the extensive construction of long and long single-track railway tunnels, it has become possible to use piston winds to improve the air quality in tunnels and reduce the ventilation energy consumption of tunnels. This paper adopts the numerical simulation method to use the British patchway tunnel as the physical model, and uses Flunet17.0 software to establish the corresponding dynamic grid model. The simulation results show that the average value of the piston wind speed agrees well with the measured value, which indicates that the accuracy of the simulation method is higher.Based on this, change the speed of the train and do a series of simulation calculations on the effects of the piston wind on the tunnel.The research results show that with patchway tunnel and train data as the basic parameters, the average speed of the piston increases by approximately 19.48% for every 5 m/s of the speed of the train, and the average boost increases by approximately 50%, indicating that the train speed and the piston wind speed There is a positive correlation between wind pressure and wind pressure. The research in this paper can provide reference for estimating the piston wind effect of trains in engineering.

tunnel; piston wind effect; numerical simulation

U459.1

A

1671-6612（2019）02-188-05

崔景東（1993.2-），男，碩士，E-mail：1045263100@qq.com

2018-06-19