冉騰飛,梁習(xí)鋒,熊小慧
(1.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京動車段,北京,102600;2.中南大學(xué)交通運輸工程學(xué)院軌道交通安全教育部重點實驗室,湖南長沙,410075;3.中南大學(xué)軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國際合作聯(lián)合實驗室,湖南長沙,410075;4.中南大學(xué)軌道交通列車安全保障技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,湖南長沙,410075)
隧道內(nèi)壓力波動幅值與列車運行速度的平方近似呈線性關(guān)系[1],因此,高速地鐵列車運行速度的提高會引起隧道內(nèi)壓力變化更加劇烈,并且當(dāng)?shù)罔F列車經(jīng)過隧道洞口及中間風(fēng)井等截面突變處時,隧道內(nèi)壓力會發(fā)生劇烈變化;當(dāng)劇烈的壓力波動傳入車內(nèi)時,會引起乘客耳膜壓痛甚至嘔吐,產(chǎn)生乘坐不舒適等問題[2],因此,有必要對高速地鐵列車在隧道中運行時的壓力舒適性問題進(jìn)行研究。國內(nèi)外學(xué)者主要采用數(shù)值計算的方法研究地鐵隧道空氣動力學(xué)問題,如:李志偉等[3]利用高速鐵路隧道空氣動力學(xué)的研究方法,分析了豎井位置、數(shù)量、截面積等參數(shù)對列車表面壓力的影響,但沒有考慮列車站間運行對隧道內(nèi)壓力的影響,也沒有考慮地鐵隧道結(jié)構(gòu)的特殊性;王秀珍[4]采用三維數(shù)值模擬方法研究了車速、隧道截面形狀、隧道長度等因素對地鐵列車氣動效應(yīng)的影響,但沒有考慮隧道斷面面積對隧道內(nèi)壓力的影響,也沒有考慮車內(nèi)壓力舒適性的問題;劉俊等[5]分析了不同速度的地鐵列車通過不同隧道時的空氣動力學(xué)效應(yīng),得到了不同密封指數(shù)下地鐵列車所需的最優(yōu)隧道斷面面積,但沒有考慮中間風(fēng)井對隧道內(nèi)氣動效應(yīng)的影響;劉伊江[6]計算了不同車速、不同隧道斷面下的壓力波及壓力變化梯度,但其計算模型完全參考了高速鐵路隧道空氣動力學(xué)的研究方法,未充分考慮地鐵隧道網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性;NIU等[7]分析了地鐵列車在隧道中的站間運行情況,但忽略了中間風(fēng)井對隧道內(nèi)氣動效應(yīng)的影響。與鐵路隧道相比,地鐵隧道的隧道截面積較小,地下段長度很大[8],而且隧道內(nèi)有中間風(fēng)井等通風(fēng)設(shè)施,這些構(gòu)造會導(dǎo)致隧道內(nèi)壓力發(fā)生劇烈變化。地鐵列車在運行過程中,需要頻繁地在車站間啟動加速與制動停車,在地下線路與高架線路間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,為此,本文依托下一代高速地鐵項目,通過對時速140 km/h 高速地鐵列車在隧道中運行時的氣動效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計算,得到高速地鐵隧道凈空斷面面積與列車密封指數(shù)的匹配關(guān)系。本文結(jié)合地鐵隧道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、特殊性以及地鐵列車的行車特點,對高速地鐵隧道內(nèi)的壓力變化及地鐵列車車內(nèi)壓力變化進(jìn)行研究。首先,利用動模型試驗驗證本文數(shù)值計算方法的正確性與可信度;然后,計算列車由明線駛?cè)胨淼琅c站間運行這2種運行工況下車體表面的壓力變化情況,確定哪種運行工況更危險;最后,計算在這種更危險運行工況下隧道凈空斷面面積與列車密封指數(shù)的匹配關(guān)系。
地鐵列車在隧道中運行時,隧道內(nèi)空氣受到隧道壁面和車體表面的限制無法自由流動,并且空氣會受到隧道壁面和車體表面的強烈擠壓,因此,需要將隧道內(nèi)的空氣視為可壓的理想氣體。列車周圍流場的雷諾數(shù)Re約為106,基本上為湍流流動,因此,本文采用κ-ε湍流模型[9]對隧道內(nèi)的空氣進(jìn)行湍流模擬。
文中數(shù)值計算軟件采用Fluent,采用SIMPLEC 算法耦合求解壓力與速度;對流項采用高階精度的SECOND 格式離散,擴(kuò)散項采用二階中心格式離散。在離散過程中,時間項采用二階隱式格式。
圖1所示為數(shù)值計算采用6車編組的A 型地鐵列車,對地鐵列車外形進(jìn)行了簡化,忽略了轉(zhuǎn)向架、受電弓等的影響[9-11]。其中,列車高H=3.8 m,寬W=3 m,整車長Ltr=139.5 m,列車橫截面面積Av=9.785 m2。地鐵列車表面從頭車到尾車共布置6個測點,測點布置情況如圖1所示。
圖2所示為數(shù)值計算采用的隧道斷面計算模型。由圖2可見:數(shù)值計算采用隧道的盾構(gòu)直徑D分別為6.0,6.6,7.0 和7.6 m,對應(yīng)的凈空斷面面積At分別為26,32,35 和42 m2,對應(yīng)的阻塞比β(即列車橫截面積與隧道凈空斷面面積的比值)分別為0.376,0.306,0.280 和0.233。其中D=6 m 與At=26 m2分別為現(xiàn)有120 km/h速度等級地鐵隧道的盾構(gòu)直徑與凈空斷面面積。
圖1 A型地鐵列車計算模型Fig.1 Computational model of A-type subway train
圖2 隧道斷面計算模型Fig.2 Computational model of tunnel cross section
在CFD 計算中,網(wǎng)格質(zhì)量會影響數(shù)值計算結(jié)果的效率與精度,因此,本文采用ICEM CFD 軟件對隧道中的流體區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分:采用外C網(wǎng)格與O網(wǎng)格將列車壁面、隧道壁面和相應(yīng)的BLOCK的surface進(jìn)行映射,建立無厚度壁面;中間風(fēng)井與隧道連接處的結(jié)構(gòu)類似于T型管,可以劃分為三通網(wǎng)格[12],圖3所示為部分網(wǎng)格的劃分情況。
圖3 計算網(wǎng)格分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of mesh distribution
采用滑移網(wǎng)格法模擬地鐵列車在隧道中的運行,圖4所示為所采用的計算區(qū)域。為了滿足地鐵隧道通風(fēng)換氣、環(huán)控和消防等方面的要求,在較長的地鐵隧道中均需設(shè)置中間風(fēng)井,因此,本文在隧道運行區(qū)間的中間位置設(shè)置矩形截面的風(fēng)井[7]。其中,風(fēng)井壁面的長×寬×高為4 m×4 m×15 m,風(fēng)井出口域的長×寬×高為50 m×50 m×15 m。
為了保證列車周圍流場充分發(fā)展,在模擬地鐵列車由明線駛?cè)胨淼赖那闆r時,設(shè)置車頭距離隧道入口50 m,車尾距離流域入口150 m,如圖4(a)所示。
圖4 計算區(qū)域Fig.4 Computational domains
為了避免隧道出口邊界受尾流的影響,保證列車尾流在流場長度方向充分發(fā)展,避免出現(xiàn)流場阻塞效應(yīng)[13],沿隧道長度方向,在2 km 運行區(qū)間前后各添加長為1 km 的隧道,如圖4所示;同時,將隧道出口(站間運行時為隧道入口和隧道出口)的邊界條件設(shè)為壓力遠(yuǎn)場(即無反射波返回)[11]。
列車運動邊界條件如下:X方向速度分量為列車運行速度,Y和Z方向速度分量為0 m/s;流域側(cè)面、頂面給定為對稱面,流域底面、風(fēng)井壁面、隧道壁面及地面均給定為無滑移壁面邊界條件。同時,為了使流場得到充分發(fā)展,將中間風(fēng)井壓力出口邊界靜壓設(shè)為pout=0 Pa;在列車駛?cè)胨淼赖挠嬎阌蛑?,將壓力入口邊界靜壓設(shè)為pin=0 Pa[9]。
為驗證數(shù)值計算結(jié)果的正確性與可信度,利用中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點實驗室自主研制1:20 縮比的動模型試驗裝置,對時速為100 km/h的地鐵列車勻速通過盾構(gòu)直徑為6 m、長度為1 km 隧道時的場景進(jìn)行動模型試驗,并進(jìn)行相同工況的數(shù)值計算驗證。圖5所示為動模型試驗裝置的列車和隧道模型,數(shù)值計算方法為可壓、非定常N-S方程與κ-ε湍流方程[9]。
圖5 動模型試驗?zāi)P虵ig.5 Model of moving model test
圖6所示為動模型試驗中的測點布置示意圖。其中,隧道壁面上共布置6個測點,車體表面上共布置6個測點。
圖6 動模型測點布置示意圖Fig.6 Measurement points on model
圖7所示為數(shù)值計算與動模型試驗中車體表面2 號測點和隧道壁面3 號測點的壓力對比波形;相應(yīng)的測點壓力變化的結(jié)果對比如表1所示。
圖7 壓力對比波形Fig.7 Comparison of pressure curves
由圖7可見:這2種方法得到的測點壓力曲線變化規(guī)律一致,僅最大值、最小值和峰峰值略有差異,最大相對誤差為5.9%,在數(shù)值計算誤差容許范圍內(nèi),說明該數(shù)值計算方法能夠較好地模擬地鐵列車通過隧道時所引發(fā)的空氣動力效應(yīng)問題,從而驗證了本文數(shù)值計算方法的正確性與可信度。
表1 壓力變化結(jié)果對比Table 1 Comparison of pressure variations kPa
在地鐵列車的眾多運行工況中,列車由明線駛?cè)胨淼篮驼鹃g運行的工況為隧道內(nèi)壓力波動較為劇烈的情況。其中,不同運行工況下的列車運行速度如圖8所示。
圖8 列車運行速度圖Fig.8 Running velocity diagrams of train
圖8(a)中,列車以vc=38.89 m/s 的速度勻速運行51.43 s,因此,列車由明線駛?cè)胨淼肋^程中的運行區(qū)間長度為d1=vct=2 000 m;圖8(b)中,為使數(shù)值模擬簡單有效,將列車的站間運行看成勻加速、勻速與勻減速運行的過程[7],其中列車以a1=1 m/s2的加速度勻加速運行至t1=38.89 s,再以vc=38.89 m/s 的速度勻速運行t2=51.43 s,最后以a2=-1 m/s2的加速度勻減速運行t3=90.32 s 停止運行。因此,地鐵列車站間運行的區(qū)間長度為d2=
為了分析列車在不同工況下運行時隧道內(nèi)的壓力變化,確定更加危險的運行工況,對不同運行工況下高速地鐵列車在斷面面積At=26 m2的隧道中運行時的氣動效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計算。其中,在不同運行工況下,車體表面1號測點的壓力波對比如圖9所示。
圖9 不同運行工況下車體表面測點壓力變化曲線Fig.9 Pressure curves of train surface’s measurement points with different operating conditions
從圖9可以看出,不同運行方式對車體表面測點壓力變化的影響很大。
當(dāng)列車由明線駛?cè)胨淼罆r,測點壓力的第1次上升①是列車頭部駛?cè)胨淼罆r產(chǎn)生的初始壓縮波傳播到測點引起的;測點壓力的第1次下降②是列車尾部駛?cè)胨淼罆r,產(chǎn)生的初始膨脹波傳播到測點引起的;測點壓力波的第2次下降③是初始壓縮波在傳播過程中遇到中間風(fēng)井時,一部分壓縮波以膨脹波的形式向隧道入口返回過程中傳播到車體表面測點引起的。隧道內(nèi)的壓縮波與膨脹波在隧道入口與中間風(fēng)井間不斷反射,反射回來的壓力波傳播到測點,導(dǎo)致測點壓力不斷變化。當(dāng)列車經(jīng)過中間風(fēng)井④時,測點壓力劇烈變化,頭車經(jīng)過中間風(fēng)井時產(chǎn)生的壓縮波導(dǎo)致測點壓力迅速增大;當(dāng)列車經(jīng)過中間風(fēng)井時,中間風(fēng)井處氣流紊亂,測點壓力劇烈變化;尾車經(jīng)過中間風(fēng)井時產(chǎn)生膨脹波,導(dǎo)致測點壓力迅速下降。之后,車體表面測點壓力變化逐漸趨于穩(wěn)定。
當(dāng)列車在站間運行時,在加速運行過程⑤中,車體表面測點主要在負(fù)壓區(qū)波動,且壓力緩慢降低,這是由于列車在啟動加速過程中引起的壓縮波不明顯,從而削弱了測點在正壓區(qū)的波動。列車在時刻⑥開始勻速運行,測點壓力基本不變。當(dāng)列車經(jīng)過中間風(fēng)井⑦時,車體表面壓力迅速增大,并劇烈變化;當(dāng)列車通過中間風(fēng)井后,測點壓力迅速減小至0 Pa 附近,并保持穩(wěn)定。從時刻⑧開始,列車在隧道內(nèi)減速運行⑨,由于地鐵隧道較長且隧道出口無反射波返回,車體表面測點壓力經(jīng)歷較小的正壓波動后逐漸趨于平緩。
在不同運行工況下,地鐵列車在隧道中運行過程中,車體表面測點的壓力變化峰峰值沿車長方向的變化規(guī)律如圖10所示,其中,測點距鼻尖量綱一距離為車體表面各測點距離鼻尖的水平距離x與列車高度H的比值。
圖10 不同運行工況下沿車長方向車體表面壓力變化峰峰值Fig.10 Train surface’s pressure peak-to-peak value along length direction under different running conditions
從圖10可以看出:列車由明線駛?cè)胨淼罆r,車體表面測點壓力變化峰峰值沿車長方向從車頭向車尾呈下降趨勢;當(dāng)列車在站間運行時,車體表面測點壓力變化峰峰值沿車長方向變化較小,呈緩慢上升趨勢;當(dāng)列車由明線駛?cè)胨淼罆r,車體表面測點最大壓力峰峰值是站間運行時的1.37倍。
由于地鐵列車由明線駛?cè)胨淼罆r的車體表面壓力變化峰峰值比列車站間運行時的壓力峰峰值更大,即地鐵列車由明線駛?cè)胨淼罆r的氣動效應(yīng)更加劇烈,因此,本文選擇列車由明線駛?cè)胨淼肋@種運行工況對后續(xù)的隧道凈空斷面面積優(yōu)化問題進(jìn)行研究。
車內(nèi)壓力舒適性是評價列車乘坐舒適性的重要標(biāo)準(zhǔn),而車內(nèi)壓力波動主要與地鐵隧道阻塞比和列車密封指數(shù)有關(guān),因此,有必要根據(jù)氣壓變化環(huán)境下人體舒適性準(zhǔn)則,對密封指數(shù)不同的地鐵列車在不同阻塞比的隧道中運行時的車內(nèi)壓力變化進(jìn)行研究,從而確定列車密封指數(shù)與隧道凈空斷面面積的匹配關(guān)系。
當(dāng)?shù)罔F列車車內(nèi)的壓力變化幅值及壓力變化率超出某個臨限值時,會影響司乘人員的乘坐舒適性[2],甚至引起嘔吐、失聰,因此,有必要對列車車內(nèi)的壓力變化進(jìn)行限制。不同國家和地區(qū)所制訂的氣壓變化環(huán)境下人體舒適性標(biāo)準(zhǔn)不相同[14],其中,部分國家和地區(qū)的相關(guān)壓力舒適性標(biāo)準(zhǔn)如表2所示[15]。
表2中,我國“地鐵設(shè)計規(guī)范”適用于地鐵列車最高運行速度不超過100 km/h 時的情況,而時速為140 km/h 高速地鐵隧道的壓力舒適性標(biāo)準(zhǔn)尚無依據(jù)可循,為此,本文綜合借鑒我國“地鐵設(shè)計規(guī)范”及高速鐵路單線隧道的壓力舒適性標(biāo)準(zhǔn),分別計算列車密封指數(shù)與阻塞比的對應(yīng)關(guān)系,再將2種壓力舒適性標(biāo)準(zhǔn)下的密封指數(shù)與阻塞比的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行對比分析,得到地鐵隧道凈空斷面面積及列車密封指數(shù)的合理建議值。
其中,我國“地鐵設(shè)計規(guī)范”的壓力舒適性評定標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)隧道內(nèi)空氣總壓力變化值超過700 Pa 時,車內(nèi)壓力變化率dpi/dt不得大于415 Pa/s。我國高速鐵路單線隧道的壓力舒適性評定標(biāo)準(zhǔn)為:車廂內(nèi)3 s 壓力變化幅值(即任意3 s 內(nèi)的壓力變化峰峰值)小于800 Pa。
表2 各國隧道壓力控制標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Tunnel pressure control standards in various countries
假定車內(nèi)壓力變化率與車內(nèi)外壓差呈正比[11],即
式中:pi為車內(nèi)部壓力;pe為車外部壓力;τ為列車密封指數(shù)。式(1)可以等效成
由式(2)可得車內(nèi)壓力遞推公式:
式中:Δt為數(shù)值計算過程中的時間步長。
在初始時刻t=0 s 時,pi0=0,車內(nèi)壓力變化可以通過式(3)由車外壓力變化迭代計算得到。
圖11所示為地鐵列車勻速駛?cè)虢孛娣e為26 m2隧道過程中,車體表面1號測點的壓力變化曲線及不同密封指數(shù)下對應(yīng)位置的車內(nèi)壓力變化。
由圖11可見:受列車密封指數(shù)影響,車內(nèi)壓力變化小于車體表面壓力變化;隨著密封指數(shù)降低,車內(nèi)壓力逐漸接近車體表面壓力。
圖11 不同密封指數(shù)下車體表面1號測點的車內(nèi)外壓力變化Fig.11 Pressure variation of No.1 measurement point on train’s surface inside carriage with various tightness indexes
圖12 不同密封指數(shù)下沿車長方向車內(nèi)壓力變化曲線Fig.12 Carriage pressure variation along length direction with different tightness indexes
在不同密封指數(shù)下,沿車長方向的車內(nèi)最大壓力變化率及3 s時壓力變化幅值如圖12所示。由圖12可見:當(dāng)列車由明線駛?cè)胨淼罆r,車內(nèi)最大壓力變化率及3 s 壓力變化幅值從頭車向尾車呈下降趨勢;隨著密封指數(shù)增大,車內(nèi)最大壓力變化率及3 s 壓力變化幅值均減小,變化趨勢趨于平緩;當(dāng)列車由明線駛?cè)胨淼罆r,車內(nèi)壓力變化從車頭向車尾呈下降趨勢,因此,可以將頭車1號測點對應(yīng)位置的車內(nèi)壓力變化作為評定壓力舒適性的標(biāo)準(zhǔn)。
高速地鐵列車在勻速駛?cè)氩煌枞人淼赖倪^程中,頭車1號測點對應(yīng)位置的車內(nèi)最大壓力變化率及3 s 壓力變化幅值與阻塞比的關(guān)系曲線如圖13所示。
圖13 不同密封指數(shù)下車內(nèi)壓力變化與阻塞比關(guān)系曲線Fig.13 Relation curves of carriage pressure variation and blockage ratio with different tightness indexes
在圖13中,車內(nèi)最大壓力變化率及3 s壓力變化幅值與阻塞比的關(guān)系趨勢線及決定系數(shù)R2如表3與表4所示。表3與表4中,車內(nèi)最大壓力變化率及3 s 壓力變化幅值均與阻塞比服從冪函數(shù)關(guān)系,并且R2在0.99以上。
表3 不同密封指數(shù)下最大壓力變化率與阻塞比關(guān)系趨勢線Table 3 Corresponding relations between the maximum pressure variation rate and blockage ratio with different tightness indexes
表4 不同密封指數(shù)下3 s壓力變化幅值與阻塞比關(guān)系趨勢線Table 4 Corresponding relations between pressure variation amplitude in 3 s and blockage ratio with different tightness indexes
根據(jù)圖13(a)和表3所示的車內(nèi)最大壓力變化率與阻塞比的關(guān)系曲線及趨勢線可以得到不同列車密封指數(shù)下,當(dāng)滿足我國“地鐵設(shè)計規(guī)范”中的壓力舒適性評定標(biāo)準(zhǔn)(pt<415 Pa/s,Δp≥700 Pa)時,地鐵列車運行所需的阻塞比β1與相應(yīng)的隧道截面積At1,其中,列車密封指數(shù)與阻塞比的對應(yīng)關(guān)系如表5所示。
同樣,根據(jù)圖13(b)與表4中的車內(nèi)3 s 時壓力變化幅值與阻塞比的關(guān)系曲線及趨勢線可以得到不同列車密封指數(shù)下,當(dāng)滿足我國高速鐵路單線隧道的相關(guān)壓力舒適性控制標(biāo)準(zhǔn)([p]<800 Pa/(3 s))時,地鐵列車運行所需的阻塞比β2與相應(yīng)的隧道截面積At2,其中,列車密封指數(shù)與阻塞比的對應(yīng)關(guān)系如表6所示。
將表5和表6中相同列車密封指數(shù)下對應(yīng)的阻塞比進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn):同一列車密封指數(shù)對應(yīng)的At1比At2更大,即在相同列車密封指數(shù)下,“地鐵設(shè)計規(guī)范”中對At的要求比高速鐵路單線隧道中對At的要求更高,因此,可以選取表5中隧道截面積At1與列車密封指數(shù)的匹配值作為隧道凈空斷面面積優(yōu)化的參考值,即根據(jù)“地鐵設(shè)計規(guī)范”中的相關(guān)壓力控制標(biāo)準(zhǔn),匹配隧道凈空斷面面積與列車密封指數(shù)。
表5 滿足“地鐵設(shè)計規(guī)范”中壓力舒適性標(biāo)準(zhǔn)時的列車密封指數(shù)與阻塞比的對應(yīng)關(guān)系Table 5 Corresponding relations between tightness index and blockage ratio when meeting requirement of pressure comfort standard in“Code for design of metro”
表6 滿足高速鐵路單線隧道中壓力舒適性標(biāo)準(zhǔn)時的列車密封指數(shù)與阻塞比的對應(yīng)關(guān)系Table 6 Corresponding relations between tightness index and blockage ratio when meeting requirement of pressure comfort standard in high-speed railway singlelane tunnel
由表5可知速度為140 km/h的高速地鐵列車在不同阻塞比的隧道中運行,當(dāng)滿足我國“地鐵設(shè)計規(guī)范”中的壓力舒適性評定標(biāo)準(zhǔn)(pt<415 Pa/s,Δp≥700 Pa)時,需滿足以下條件:
1) 當(dāng)采用目前120 km/h 速度等級地鐵常用的隧道斷面面積26 m2時,地鐵列車密封指數(shù)需達(dá)到6 s;
2)當(dāng)?shù)罔F列車密封指數(shù)為4 s 時,地鐵隧道凈空斷面面積需增大到30.5 m2;
3)當(dāng)?shù)罔F列車密封指數(shù)為3 s時,地鐵隧道凈空斷面面積需要增大到35.7 m2。
1) 速度為140 km/h 的高速地鐵列車在隧道中運行時,需滿足以下條件:當(dāng)采用目前120 km/h速度等級地鐵常用的隧道斷面面積26 m2時,地鐵列車密封指數(shù)需達(dá)到6 s;當(dāng)?shù)罔F列車密封指數(shù)為4 s和3 s時,地鐵隧道凈空斷面面積需分別增大到30.5 m2和35.7 m2。
2)地鐵列車由明線駛?cè)胨淼罆r的氣動效應(yīng)比列車站間運行時的氣動效應(yīng)更加嚴(yán)重。
3)當(dāng)高速地鐵列車由明線駛?cè)胨淼罆r,不同列車密封指數(shù)下的車內(nèi)壓力變化與阻塞比服從冪指數(shù)關(guān)系;阻塞比越大,車內(nèi)壓力變化越大。