李 艷 徐銀光 李浩冉 李 田 楊邑宏

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；2. 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031;3. 中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院， 成都 610056)

隨著鐵路技術(shù)的快速發(fā)展和列車(chē)運(yùn)行速度的不斷提高，對(duì)列車(chē)高速通過(guò)隧道時(shí)氣動(dòng)效應(yīng)的研究愈發(fā)重要[1]。當(dāng)列車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)，隧道入口處產(chǎn)生初始?jí)嚎s波，該壓縮波傳遞到隧道出口引發(fā)微氣壓波，可能發(fā)出爆炸噪音，造成環(huán)境污染[2-5]。隧道內(nèi)劇變的壓力波作用于車(chē)體和隧道表面影響列車(chē)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，甚至?xí)?duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)和隧道設(shè)施產(chǎn)生破壞，嚴(yán)重危及行車(chē)安全[6-9]。

為探究高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)產(chǎn)生氣動(dòng)效應(yīng)的相關(guān)機(jī)理，減弱其帶來(lái)的危害程度，科研人員進(jìn)行了大量的研究。占俊[10]分析了350 km/h和400 km/h速度等級(jí)列車(chē)通過(guò)隧道工況下列車(chē)表面及其附近區(qū)域的氣動(dòng)特性，研究了速度和編組類(lèi)型對(duì)列車(chē)表面壓力的影響。韓運(yùn)動(dòng)[11]等對(duì)列車(chē)通過(guò)隧道及隧道交會(huì)工況下的壓力波特性進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試，探究了運(yùn)行速度和隧道長(zhǎng)度等因素對(duì)隧道壓力波的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：車(chē)體表面壓力變化幅值與列車(chē)速度的平方成正比；車(chē)內(nèi)壓力幅值與列車(chē)速度的n次方成正比，n的范圍為1.3～1.8，且n隨隧道長(zhǎng)度的變化而變化。劉峰[12]等采用實(shí)車(chē)試驗(yàn)方法對(duì)高速動(dòng)車(chē)組穿越雙線隧道引發(fā)的隧道壁面氣動(dòng)壓力進(jìn)行測(cè)試，分析不同位置測(cè)點(diǎn)在列車(chē)通過(guò)階段和列車(chē)駛出階段的壓力峰值，研究結(jié)果表明：列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)，壁面測(cè)點(diǎn)壓力峰峰值隨車(chē)速的增加迅速增加；列車(chē)駛出隧道后，壓力峰峰值開(kāi)始周期性衰減，衰減周期為2倍聲速在隧道內(nèi)的傳播時(shí)間；在同一周期內(nèi)，隧道入口處測(cè)點(diǎn)壓力衰減率較大，出口次之，隧道中部最小。陶偉明[13]研究了洞口緩沖結(jié)構(gòu)、洞身輔助坑道和隧道群開(kāi)口連接明洞等對(duì)微氣壓波的緩解效果，發(fā)現(xiàn)喇叭口式和擴(kuò)大常截面式緩沖結(jié)構(gòu)的緩解效果要明顯優(yōu)于直線斜切式和等截面開(kāi)口式緩沖結(jié)構(gòu)；聯(lián)合使用多種微氣壓波減緩措施可多階段地緩解微氣壓波。段忠輝[14]等對(duì)高速列車(chē)進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓縮波波形變化及衰減規(guī)律進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：壓縮波在隧道內(nèi)向隧道出口方向傳播時(shí)，基本是以平面波形式向前傳播的；在隧道縱向上，平面壓縮波在隧道內(nèi)向前傳播時(shí)，波的最大壓力峰值及波形曲線壓力梯度發(fā)生變化。

目前，對(duì)列車(chē)以400 km/h速度通過(guò)隧道時(shí)列車(chē)氣動(dòng)特性的研究較少，對(duì)此速度等級(jí)下列車(chē)表面不同位置壓力變化規(guī)律和隧道出口附近不同位置微氣壓波變化規(guī)律的研究更是鮮有涉及。本文通過(guò)建立高速列車(chē)通過(guò)隧道的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)400 km/h高速列車(chē)通過(guò)隧道的相關(guān)氣動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行探討。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 控制方程

高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)會(huì)引起隧道內(nèi)部和隧道周?chē)鲌?chǎng)的變化，該三維、穩(wěn)態(tài)可壓縮流場(chǎng)可利用k-ε兩方程湍流模型結(jié)合有限體積法求解。流體流動(dòng)的控制方程可寫(xiě)成以下通用形式：

(1)

式中：Ω——該流場(chǎng)中的某一控制體；

t——時(shí)間；

ρ——理想氣體的密度；

Γφ——廣義擴(kuò)散系數(shù)；

S——面積；

sφ——廣義源項(xiàng)；

U——?jiǎng)恿浚?/p>

φ——通用變量。

1.2 幾何模型、計(jì)算域及邊界條件

為研究列車(chē)以400 km/h速度通過(guò)隧道的氣動(dòng)特性，以1節(jié)頭車(chē)(6.8H)、6節(jié)中間車(chē)(6.3H)和1節(jié)尾車(chē)(6.8H)8車(chē)編組的CR400AF列車(chē)為研究對(duì)象，車(chē)體橫截面積為11.814 m2。為簡(jiǎn)化網(wǎng)格劃分的計(jì)算量，節(jié)約計(jì)算資源，省略掉了受電弓，并對(duì)風(fēng)擋、轉(zhuǎn)向架等進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化后的幾何模型如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化后的列車(chē)模型圖

考慮到流場(chǎng)的充分發(fā)展和尾流的擾動(dòng)，固定計(jì)算區(qū)域尺寸如下：隧道兩側(cè)計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)600 m，寬60 m，高40 m；隧道長(zhǎng)650 m，斷面積100 m2；列車(chē)與隧道的初始距離為100 m，列車(chē)中心線距隧道中心線2.5 m。隧道長(zhǎng)度650 m為400 km/h速度下最不利隧道長(zhǎng)度。使用滑移網(wǎng)格的方法模擬列車(chē)與其周?chē)h(huán)境之間的相互運(yùn)動(dòng)，列車(chē)所在的移動(dòng)計(jì)算域網(wǎng)格以列車(chē)運(yùn)行速度相對(duì)于上述固定計(jì)算域網(wǎng)格滑移運(yùn)動(dòng)，兩計(jì)算域的交界面用于兩套網(wǎng)格之間的數(shù)據(jù)交換，流場(chǎng)分區(qū)示意如圖2所示。

圖2 流場(chǎng)分區(qū)示意圖

將沿列車(chē)運(yùn)行方向的兩計(jì)算域兩側(cè)、固定計(jì)算域中隧道兩側(cè)的側(cè)面及頂面設(shè)置為壓力出口邊界條件，兩計(jì)算域相互滑移的面設(shè)置為交界面。計(jì)算域中的其他面均設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模擬，如圖3所示。兩個(gè)計(jì)算域均采用四面體類(lèi)型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

圖3 計(jì)算域和邊界條件示意圖(m)

1.3 求解設(shè)置和測(cè)點(diǎn)布置

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型求解列車(chē)通過(guò)隧道的流場(chǎng)。壓力-速度耦合使用SIMPLEC算法處理，對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和時(shí)間項(xiàng)分別采用二階迎風(fēng)格式、中心差分格式和二階隱式方法離散。時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s。

為研究列車(chē)以400 km/h速度通過(guò)雙線隧道的氣動(dòng)特性，在車(chē)體表面、隧道壁面以及隧道出口附近布置了多個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。在列車(chē)頭車(chē)靠近隧道一側(cè)的車(chē)頭流線型部分布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)(HP1～HP8)，頭車(chē)非流線型部分的車(chē)體兩側(cè)布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)(HP9、HP10)，第1節(jié)中間車(chē)兩側(cè)布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)(MP1、MP2)，第2～6節(jié)中間車(chē)布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)(MP3～MP12)，尾車(chē)非流線型部分車(chē)體兩側(cè)布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)(TP1、TP2)，布置情況與頭車(chē)非流線型壓力測(cè)點(diǎn)HP9、HP10相同。

圖4 車(chē)體測(cè)點(diǎn)布置情況圖

隧道壁面壓力測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。沿x軸正方向距隧道口20 m處和50～650 m處每隔50 m在隧道斷面上布置1個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距離地面高度3 m。

圖5 隧道測(cè)點(diǎn)布置圖

沿列車(chē)行進(jìn)方向在隧道出口附近布置4組測(cè)點(diǎn)(MPW1～MPW5，MPW6～MPW10，MPW11～MPW15，MPW16～MPW20)，分別對(duì)應(yīng)沿y軸正方向與x軸距離2.5 m、7.5 m、12.5 m、17.5 m；沿x軸正方向距隧道出口10 m、20 m、30 m、40 m、50 m，測(cè)點(diǎn)布置情況如圖6所示。

圖6 微氣壓波測(cè)點(diǎn)布置圖

2 計(jì)算結(jié)果

列車(chē)通過(guò)雙線隧道時(shí)，頭車(chē)流線型車(chē)體靠近隧道壁面各測(cè)點(diǎn)的壓力變化情況如圖7所示。從圖7可以看出：頭車(chē)進(jìn)入隧道后產(chǎn)生的第一個(gè)壓縮波傳播到測(cè)點(diǎn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)壓力上升，尾車(chē)進(jìn)入隧道后產(chǎn)生的第一個(gè)膨脹波傳播到測(cè)點(diǎn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)壓力下降，而后由于該壓縮波和膨脹波沿隧道傳播到隧道口處發(fā)生反射和轉(zhuǎn)化，使得列車(chē)頭部測(cè)點(diǎn)的壓力發(fā)生劇烈變化，且靠近壁面各測(cè)點(diǎn)的壓力變化規(guī)律相似。

圖7 頭車(chē)測(cè)點(diǎn)壓力變化規(guī)律圖

通過(guò)對(duì)比隧道壁面一側(cè)各節(jié)車(chē)廂表面壓力測(cè)點(diǎn)的壓力變化幅值可知：中間車(chē)4的壓力變化幅值最大，為 5 357.1 Pa，中間車(chē)7的壓力變化幅值最小，為 5 109.8 Pa，中間車(chē)4的壓力變化幅值比中間車(chē)7大4.8%，各節(jié)車(chē)廂靠近隧道壁面一側(cè)測(cè)點(diǎn)的壓力變化幅值相近，相互之間的差異均小于5%。

靠近隧道壁面一側(cè)各節(jié)車(chē)廂表面壓力測(cè)點(diǎn)的負(fù)壓幅值如圖8所示。從圖8可以看出，隨著測(cè)點(diǎn)與頭車(chē)鼻尖距離的增加，各節(jié)車(chē)廂表面的負(fù)壓幅值逐漸增大，尾車(chē)的負(fù)壓幅值最大，為 -4 952.6 Pa，頭車(chē)的負(fù)壓幅值最小，為 -4 332.46 Pa，二者相差14.3%。

圖8 各車(chē)廂車(chē)體表面測(cè)點(diǎn)負(fù)壓幅值圖

靠近列車(chē)一側(cè)隧道壁面各測(cè)點(diǎn)壓力變化幅值沿列車(chē)行駛方向的變化規(guī)律如圖9所示。從圖9可以看出：在隧道入口前20 m，隧道壁面壓力變化幅值隨測(cè)點(diǎn)距隧道口距離的增加而迅速增大，20 m后增加變緩，150～250 m處又迅速增大，在250 m處達(dá)到最大，隨后緩慢減小，450 m處開(kāi)始迅速減小直到500 m，500～600 m處減小較慢，600～650 m處又開(kāi)始迅速減小。因此，測(cè)點(diǎn)位置對(duì)隧道壁面測(cè)點(diǎn)壓力變化幅值的影響明顯大于對(duì)車(chē)體表面測(cè)點(diǎn)的影響。單車(chē)通過(guò)長(zhǎng)650 m、橫截面積為100 m2的雙線隧道時(shí)，距隧道入口250 m處測(cè)點(diǎn)的最大壓力變化幅值為 8 083.67 Pa，隧道出口處測(cè)點(diǎn)的最小壓力變化幅值為 1 717.34 Pa。

圖9 隧道壁面壓力變化幅值沿列車(chē)行駛方向變化規(guī)律圖

垂直于隧道軸線不同橫向距離各測(cè)點(diǎn)組微氣壓波幅值的變化規(guī)律如圖10所示。當(dāng)測(cè)點(diǎn)與隧道出口的縱向距離一定時(shí)，測(cè)點(diǎn)距隧道軸線橫向距離越遠(yuǎn)，微氣壓波幅值越小。不同測(cè)點(diǎn)組微氣壓波具體的變化規(guī)律不盡相同。距隧道軸線最近為2.5 m的測(cè)點(diǎn)組(MPW1～MPW5)，其微氣壓波幅值隨著與隧道出口距離的增加而逐漸降低，降低的幅度也隨之減慢；而對(duì)于更加遠(yuǎn)離隧道軸線的其他測(cè)點(diǎn)組，其微氣壓波幅值在距離隧道出口0～40 m處逐漸降低，但在40～50 m處卻開(kāi)始增加，且測(cè)點(diǎn)組距隧道中心線的縱向距離越遠(yuǎn)，該測(cè)點(diǎn)組距隧道出口50 m處測(cè)點(diǎn)較距隧道出口40 m處測(cè)點(diǎn)的微氣壓波幅值增加得越多。

圖10 垂直于隧道軸線不同橫向距離測(cè)點(diǎn)組微氣壓波幅值變化規(guī)律圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬8車(chē)編組高速列車(chē)通過(guò)650 m隧道的氣動(dòng)效應(yīng)，得出以下主要結(jié)論：

(1)列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)，各中間車(chē)車(chē)體不同表面測(cè)點(diǎn)的壓力幅值差異小于5%且壓力變化規(guī)律基本一致；隨著測(cè)點(diǎn)與頭車(chē)鼻尖距離的增加，車(chē)體表面的負(fù)壓幅值逐漸增大，尾車(chē)負(fù)壓幅值最大，頭車(chē)負(fù)壓幅值最小，二者相差14.3%。

(2)沿列車(chē)行駛方向，隧道壁面壓力變化幅值呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，在隧道中部250 m和隧道出口位置，不同測(cè)點(diǎn)壓力變化幅值最大相差79%。

(3)當(dāng)微氣壓波測(cè)點(diǎn)與隧道出口的縱向距離一定時(shí)，其距隧道軸線橫向的距離越遠(yuǎn)，微氣壓波幅值越小。