王維洲 鐘登朝 胖 濤 梅元貴

(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.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

高速列車駛?cè)胨淼喇a(chǎn)生初始?jí)嚎s波，壓縮波以音速傳播至隧道出口處向外輻射形成壓力脈沖波，使得洞口外產(chǎn)生“轟鳴聲”，強(qiáng)度足夠大時(shí)還會(huì)產(chǎn)生音爆，嚴(yán)重影響隧道周圍環(huán)境和居民生活。針對(duì)這一問題，國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者開展了大量的試驗(yàn)和研究工作。日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)列車進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓縮波最大壓力梯度近似與車速的3次方成正比，提出在隧道進(jìn)口端加裝緩沖結(jié)構(gòu)的措施，并系統(tǒng)研究了開孔型的喇叭口擴(kuò)大型和等截面擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)，有效地解決了既有速度下的微氣壓波問題[1-3]。德國(guó)學(xué)者Hieke等針對(duì)300 km/h隧道微氣壓波問題，研究了洞口斜切、兩側(cè)開孔和頂部開孔等緩沖結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了線路測(cè)試驗(yàn)證[4-5]。法國(guó)學(xué)者Rety等研究了緩沖結(jié)構(gòu)洞門斜切角度對(duì)列車進(jìn)入隧道引起壓縮波梯度的影響規(guī)律[6]，Uystepruyst等研究了圓錐及拋物線漸變擴(kuò)大斷面和等截面擴(kuò)大型無(wú)開孔緩沖結(jié)構(gòu)的減緩氣動(dòng)效應(yīng)，并給出了等截面擴(kuò)大斷面面積與隧道斷面面積之比在不同速度等級(jí)下(250～400 km/h)的優(yōu)化值[7]。英國(guó)學(xué)者Vardy等采用動(dòng)模型試驗(yàn)方法研究了兩側(cè)開孔的長(zhǎng)大緩沖結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了大小孔的比較[8]。中國(guó)學(xué)者陶偉明研究了洞口緩沖結(jié)構(gòu)、洞身輔助坑道和隧道群開口連接明洞對(duì)微氣壓波的減緩效果[9]，馬偉斌等總結(jié)了多條線路的微氣壓波測(cè)試結(jié)果和變化規(guī)律[10]，吳劍等總結(jié)了300～350 km/h高速鐵路雙線隧道壓縮波的洞內(nèi)傳播激化特征[11]，趙勇等總結(jié)了350 km/h隧道緩沖結(jié)構(gòu)的型式、參數(shù)和氣動(dòng)效應(yīng)[12]，也得出了高速列車進(jìn)入大斷面雙線隧道產(chǎn)生的壓縮波最大梯度和微氣壓波與列車速度的3次方成正比的結(jié)論[13]。

截至目前，針對(duì)400 km/h隧道微氣壓波的研究較少，而400 km/h隧道微氣壓波問題更為嚴(yán)重，對(duì)隧道的防治措施也提出了更高要求?；诖?，本文采用基于CFD軟件的三維可壓縮非定常湍流流動(dòng)有限體積法和重疊網(wǎng)格法，研究400 km/h高速列車進(jìn)入未設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)、設(shè)置無(wú)開孔等截面、無(wú)開孔擴(kuò)大斷面型緩沖結(jié)構(gòu)隧道的初始?jí)嚎s波波形和壓力梯度的變化規(guī)律，比較了不同緩沖結(jié)構(gòu)斷面面積與隧道斷面面積比值對(duì)壓縮波波形和降低壓力梯度的影響規(guī)律，本文研究結(jié)果可為400 km/h隧道緩沖結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

1 研究方法

本文采用STAR CCM+流體仿真軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。模型計(jì)算采用的控制方程為三維可壓縮非定常的N-S方程，離散方法采用有限體積法，湍流模型選用k-SST模型。網(wǎng)格生成采用重疊網(wǎng)格方法，壁面采用全y+壁面處理。

重疊網(wǎng)格法將計(jì)算區(qū)域劃分為背景區(qū)域和重疊區(qū)域，重疊區(qū)域包含列車。設(shè)置Free Stream邊界、wall邊界、overset邊界3種邊界條件。地面、車體、緩沖結(jié)構(gòu)和隧道為wall邊界，車體周圍為overset邊界，其他為Free Stream邊界。受網(wǎng)格數(shù)量的限制，本文忽略了道床和軌道對(duì)高速列車通過(guò)隧道和緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生壓力波的影響。

初始條件：列車運(yùn)行速度為400 km/h，遠(yuǎn)場(chǎng)壓力值取為 101 325 Pa，參考溫度為288 K。列車采用光滑啟動(dòng)的方法從靜止?fàn)顟B(tài)加速到運(yùn)行速度，然后包含列車的重疊區(qū)域保持勻速狀態(tài)運(yùn)行直至設(shè)定的計(jì)算時(shí)刻結(jié)束。

2 計(jì)算模型及計(jì)算域

2.1 動(dòng)車組計(jì)算模型

本文采用國(guó)內(nèi)400 km/h某型4節(jié)編組動(dòng)車組的全尺寸模型，列車模型保留了轉(zhuǎn)向架和風(fēng)擋，忽略了受電弓。模型全長(zhǎng)209 m,列車車高4.1 m,鼻長(zhǎng)12 m,截面面積為11.88 m2。

2.2 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

本文的計(jì)算域高100 m，寬200 m，長(zhǎng)803 m。選取長(zhǎng)200 m的雙線隧道，隧道內(nèi)凈空面積為100 m2。為減少網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省計(jì)算資源，采用分區(qū)域劃分網(wǎng)格的方法，對(duì)背景區(qū)域和重疊區(qū)域分別進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格時(shí)，流場(chǎng)變化不大的空間網(wǎng)格尺寸較大，在流場(chǎng)變化劇烈的空間(如緩沖結(jié)構(gòu)、頭車、車尾、轉(zhuǎn)向架以及風(fēng)擋等)設(shè)置加密塊，同時(shí)要求不同網(wǎng)格尺寸之間平穩(wěn)過(guò)渡，保證網(wǎng)格數(shù)量在各個(gè)空間的合理分配，避免網(wǎng)格數(shù)量過(guò)大導(dǎo)致計(jì)算迭代誤差過(guò)大。此外，為提高計(jì)算精度，在車體表面、風(fēng)擋、隧道壁面處生成了邊界層網(wǎng)格。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 初始?jí)嚎s波的形成

將動(dòng)車組進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)的時(shí)刻定義為零時(shí)刻，動(dòng)車組進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)隧道內(nèi)的壓力分布如圖1所示。由圖1可以看出，t=-0.108 s時(shí)，列車鼻尖距離緩沖結(jié)構(gòu)洞口1個(gè)鼻長(zhǎng)，緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)壓力開始升高，靠近列車的緩沖結(jié)構(gòu)壁面大于遠(yuǎn)離車體一側(cè)的壓力，越靠近緩沖結(jié)構(gòu)洞口壓力變化越大，壓力梯度就越大，此時(shí)隧道內(nèi)壁面受到列車引起壓力增大的影響還不明顯。t=0時(shí)，列車車頭剛好到達(dá)緩沖結(jié)構(gòu)洞口，緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)壓力繼續(xù)升高，隧道內(nèi)壁面的壓力也開始升高，靠近列車的緩沖結(jié)構(gòu)壁面遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離車體一側(cè)的壓力，初始?jí)嚎s波正在形成。t=0.216 s時(shí)，列車駛?cè)刖彌_結(jié)構(gòu)2個(gè)鼻長(zhǎng)的距離，車頭前方空間壓力持續(xù)增大。進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)洞口一段距離后，隧道壁面等壓線從“斜切式”形狀變成“正切式”形狀，壓縮波從三維效應(yīng)變成一維平面波。t=0.432 s 時(shí)，列車駛?cè)胨淼?個(gè)鼻長(zhǎng)的距離，車頭前方空間壓力增量接近飽和。

圖1 列車進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)的壓力分布圖

3.2 不同速度下無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)比

350 km/h和400 km/h速度下的壓力時(shí)間歷程曲線如圖2所示， 350 km/h和400 km/h速度下的壓力梯度時(shí)間歷程曲線如圖3所示。由圖2和圖3可以看出，400 km/h速度下的初始?jí)嚎s波峰值比350 km/h速度下的初始?jí)嚎s波峰值增大了32%，相應(yīng)地，最大壓力梯度增大了35.8%。

圖2 350 km/h和400 km/h速度下壓力時(shí)間歷程曲線圖

圖3 350 km/h和400 km/h速度下壓力梯度時(shí)間歷程曲線圖

3.3 緩沖結(jié)構(gòu)的不同形狀研究

斷面形狀為方形和拱形的緩沖結(jié)構(gòu)與隧道的斷面面積之比均為2.6，長(zhǎng)度為3倍的鼻長(zhǎng)。隧道內(nèi)距離隧道口7D(D表示隧道的水力直徑，取10.64 m)的隧道頂部中央測(cè)點(diǎn)處，拱形和方形緩沖結(jié)構(gòu)的壓力時(shí)間歷程曲線和壓力梯度時(shí)間歷程曲線分別如圖4、圖5所示，壓力幅值和梯度變化如表1所示。由圖4可以看出，有緩沖結(jié)構(gòu)的壓力波波形要復(fù)雜得多，且壓力有3次明顯的躍升。t=0時(shí)，列車進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生初始?jí)嚎s波，產(chǎn)生第一次壓力躍升；t=0.32 s時(shí)，壓縮波傳播到隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置，t=0.324 s時(shí)，列車到達(dá)隧道入口，阻塞比增大，產(chǎn)生第二次壓力躍升；t=0.54 s時(shí)，壓縮波傳播到隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置，當(dāng)初始?jí)嚎s波到達(dá)隧道入口時(shí)，一部分以壓縮波的形式傳播進(jìn)隧道內(nèi)，一部分以膨脹波的形式反射回緩沖結(jié)構(gòu)洞口，再?gòu)木彌_結(jié)構(gòu)洞口以壓縮波的形式反射回隧道內(nèi)，產(chǎn)生第三次壓力躍升。t=0.754 s時(shí)，壓縮波傳播到隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)。

圖4 不同緩沖結(jié)構(gòu)形式的壓力對(duì)比圖

圖5 不同緩沖結(jié)構(gòu)形式的壓力梯度對(duì)比圖

表1 壓力幅值和梯度變化表

由表1和圖5可以看出，與無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)相比，方形緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)初始?jí)嚎s波的壓力梯度峰值減小了57%，拱形緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)初始?jí)嚎s波的壓力梯度峰值減小了51.6%；與無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)相比，方形緩沖結(jié)構(gòu)的初始?jí)嚎s波峰值增大了4.8%，拱形緩沖結(jié)構(gòu)的初始?jí)嚎s波峰值增大了5.6%。因此，方形緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)初始?jí)嚎s波的減緩效果優(yōu)于拱形緩沖結(jié)構(gòu)。

3.4 緩沖結(jié)構(gòu)的不同斷面比研究

在方形緩沖結(jié)構(gòu)型式的基礎(chǔ)上，對(duì)不同斷面積比進(jìn)行數(shù)值模擬分析。不同斷面比緩沖結(jié)構(gòu)壓力對(duì)比如圖6所示，不同緩沖結(jié)構(gòu)形式壓力梯度對(duì)比如圖7所示，不同斷面比壓力幅值和梯度變化如表2所示。由圖6、圖7和表2可以看出，3種不同斷面比的緩沖結(jié)構(gòu)都對(duì)初始?jí)嚎s波有減緩效果，其中斷面比為2.6的方形緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)初始?jí)嚎s波的減緩效果最佳，壓力梯度減小了57%；斷面比2.8的減緩效果次之，達(dá)到了53.3%；斷面比2.0的減緩效果最小，減小了44.8%。在初始?jí)嚎s波峰值方面，斷面比越大，初始?jí)嚎s波的峰值就越大，斷面比2.0、2.6、2.8方形緩沖結(jié)構(gòu)的初始?jí)嚎s波峰值分別增大了3.1%、4.8%、5%。

圖6 不同斷面比緩沖結(jié)構(gòu)的壓力對(duì)比圖

表2 不同斷面比壓力幅值和梯度變化表

4 結(jié)論

本文采用CFD軟件的三維數(shù)值模擬方法，研究了400 km/h高速列車進(jìn)入隧道產(chǎn)生的初始?jí)嚎s波特征，在對(duì)350 km/h和400 km/h速度下無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)壓縮波分析的基礎(chǔ)上，研究了等截面無(wú)開孔擴(kuò)大斷面型緩沖結(jié)構(gòu)不同形狀、不同斷面積比對(duì)初始?jí)嚎s波的影響規(guī)律，得出主要結(jié)論如下：

(1)列車運(yùn)行速度越高，列車進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生的初始?jí)嚎s波峰值越大，相應(yīng)的壓力梯度也越大，隧道入口增設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)初始?jí)嚎s波特別是最大壓力梯度有很好的減緩效果。

(2)在斷面比同為2.6時(shí)，方形緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)初始?jí)嚎s波的減緩效果達(dá)到57%，拱形緩沖結(jié)構(gòu)的減緩效果為53.3%，因此方形緩沖結(jié)構(gòu)比拱形緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)初始?jí)嚎s波壓力梯度的降低效果更好。

(3)當(dāng)列車速度為400 km/h時(shí)，斷面比為2.0、2.6、2.8的方形緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)初始?jí)嚎s波的減緩效果分別為44.8%、57%、53.3%，因此方形緩沖結(jié)構(gòu)的最佳截面比為2.6。