宋軍浩，姚拴寶，陳大偉，丁叁叁，楊明智

1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，青島 266111 2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075

3.中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410075

0 引 言

高速磁浮列車(chē)?yán)秒姶帕朔亓Γ沽熊?chē)懸浮在導(dǎo)軌上，采用直線(xiàn)電機(jī)無(wú)接觸導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，突破傳統(tǒng)輪軌列車(chē)黏著系數(shù)和振動(dòng)噪聲的限制，運(yùn)行速度可達(dá) 600 km/h 以上。更高的運(yùn)行速度帶來(lái)了更嚴(yán)峻的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，當(dāng)高速列車(chē)由明線(xiàn)進(jìn)入隧道，前方空氣在隧道內(nèi)壁面和列車(chē)車(chē)體形成的環(huán)狀空間內(nèi)被壓縮，產(chǎn)生壓力波作用在車(chē)體上，嚴(yán)重影響列車(chē)安全和乘客舒適度。壓縮波在隧道出口輻射產(chǎn)生的微氣壓波可能會(huì)對(duì)周?chē)慕ㄖＡЪ熬用癞a(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生爆破噪聲[1-2]。

目前對(duì)列車(chē)-隧道耦合空氣動(dòng)力學(xué)的研究主要集中在高速輪軌列車(chē)方面。國(guó)內(nèi)外研究表明，隧道出口微氣壓波幅值與列車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生的初始?jí)嚎s波及其傳播過(guò)程中由物理能量耗散和非線(xiàn)性效應(yīng)引起的出口壓力梯度有關(guān)。降低微氣壓波的基本思路主要在列車(chē)和隧道兩方面：一是優(yōu)化列車(chē)車(chē)體斷面面積或頭型流線(xiàn)[3-6]；二是優(yōu)化隧道入口形狀和在隧道內(nèi)設(shè)置豎井等緩沖結(jié)構(gòu)。Saito 等[7]基于聲學(xué)理論研究了兩級(jí)階梯緩沖入口截面面積比和開(kāi)孔率對(duì)壓力梯度的影響。陶偉明[8]對(duì)隧道入口喇叭口、直線(xiàn)斜切截面、等截面、擴(kuò)大截面等目前已有的微氣壓波減緩措施進(jìn)行了深入分析，得到多種微氣壓波減緩措施聯(lián)合作用下的減緩效果。王田天等[9]采用數(shù)值模擬和動(dòng)模型試驗(yàn)研究了隧道出口斷面擴(kuò)大斜切式緩沖結(jié)構(gòu)的尺寸、開(kāi)孔數(shù)等參數(shù)對(duì)隧道出口微氣壓波的減緩特性，最優(yōu)減緩率達(dá)70.9%。史憲明等[10]利用數(shù)值模擬對(duì)高速鐵路隧道外流場(chǎng)進(jìn)行了分析，基于隧道入口、隧道中部及隧道出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力梯度值的變化，得到隧道出口微氣壓波與套襯尺寸特征參數(shù)的比例關(guān)系。張童童等[11]提出了一種內(nèi)置式階梯型緩沖結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：當(dāng)緩沖結(jié)構(gòu)布置在距離隧道入口上游60 m 處、擴(kuò)張形式為三向擴(kuò)張、長(zhǎng)度30 m、截面積150 m2時(shí)，對(duì)壓力梯度的減緩效果為24.7%。閆亞光等[12]基于氣動(dòng)聲學(xué)理論，對(duì)隧道入口的喇叭口型緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)壓力梯度隨緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度增大而減小，該結(jié)構(gòu)可降低壓力梯度峰值63.9%。李文輝等[13]對(duì)變截面隧道和典型緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)效應(yīng)的減緩效果進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析了2 種結(jié)構(gòu)對(duì)隧道壓力波和微氣壓波的減緩效果。

目前，我國(guó)常溫常導(dǎo)高速磁浮列車(chē)設(shè)計(jì)速度高達(dá)600 km/h，首套高速磁浮系統(tǒng)已在青島成功下線(xiàn)。高速條件下引發(fā)的列車(chē)隧道氣動(dòng)效應(yīng)更加嚴(yán)峻。梅元貴等[14]采用三維數(shù)值模擬方法研究了隧道入口有/無(wú)設(shè)置開(kāi)口型緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)的微氣壓波特征，得到開(kāi)口型緩沖結(jié)構(gòu)和豎井結(jié)構(gòu)減緩微氣壓波的臨界隧道長(zhǎng)度分別為33 和34 km。張潔等[15]研究了隧道出口緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)600 km/h 高速磁浮列車(chē)通過(guò)隧道的初始?jí)嚎s波梯度和微氣壓波幅值的減緩作用，分析了緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度對(duì)微氣壓波幅值的影響。

目前對(duì)速度600 km/h 的高速磁浮列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究較少。本文在已有研究基礎(chǔ)上，針對(duì)高速磁浮列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)的出口微氣壓波問(wèn)題，提出一種在隧道冗余空間使用諧振腔陣列結(jié)構(gòu)的緩沖裝置，采用三維、非定常、可壓縮N-S 方程和SST k-ω 湍流模型，結(jié)合重疊網(wǎng)格技術(shù)對(duì)高速磁浮列車(chē)通過(guò)帶有不同諧振腔結(jié)構(gòu)隧道的出口微氣壓波進(jìn)行數(shù)值模擬，分析諧振腔結(jié)構(gòu)對(duì)隧道出口微氣壓波的減緩效果，并采用動(dòng)模型試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 計(jì)算模型

如圖1 所示，高速磁浮列車(chē)模型采用實(shí)車(chē)3 編組列車(chē)真實(shí)外形，由頭車(chē) + 中間車(chē) + 尾車(chē)組成，全長(zhǎng)81.2 m，高4.2 m，寬3.7 m。車(chē)體表面平順化，無(wú)凸出附屬結(jié)構(gòu)，風(fēng)擋簡(jiǎn)化為全包風(fēng)擋。

圖1 高速磁浮列車(chē)計(jì)算模型Fig.1 High-speed maglev train model

隧道模型采用T 形軌道梁的單線(xiàn)隧道。隧道長(zhǎng)度400 m、凈空截面積80 m2，隧道內(nèi)距離隧道入口20 m 處開(kāi)始沿隧道長(zhǎng)度方向布置諧振腔結(jié)構(gòu)，如圖2（a）、（b）所示。當(dāng)聲波傳至隧道與諧振腔構(gòu)成的空間時(shí)，在諧振腔的聲阻耗損作用下消耗一部分能量，從而達(dá)到消聲目的[16-18]。為盡量減小對(duì)隧道阻塞比的影響，腔體緊貼隧道內(nèi)壁設(shè)置。諧振腔傳播模型如圖2（c）所示，連接管橫截面積S、連接管長(zhǎng)度L、腔室體積V 等參數(shù)決定了腔室的固有頻率（連接管直徑d=0.56 m，對(duì)應(yīng)橫截面積S=0.25 m2；連接管長(zhǎng)度L=0.4 m），不同的腔室體積V 對(duì)應(yīng)不同的固有頻率。對(duì)2 種方案的諧振腔陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比：方案1 采用不同腔室體積混合組合，腔室體積V 范圍在17.9～111.9 m3之間；方案2 采用相同的腔室體積（V=36.5 m3）。2 種方案下，400 m 長(zhǎng)度隧道內(nèi)的腔體數(shù)量分別為28 和47 個(gè)。

圖2 隧道內(nèi)諧振腔結(jié)構(gòu)Fig.2 Resonators in the tunnel

1.2 計(jì)算域及邊界條件

采用對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)的重疊網(wǎng)格法來(lái)模擬高速磁浮列車(chē)通過(guò)隧道產(chǎn)生的壓力波問(wèn)題。將計(jì)算區(qū)域劃分為背景區(qū)域（包含整個(gè)求解域）和重疊區(qū)域（包含運(yùn)動(dòng)對(duì)象），實(shí)現(xiàn)列車(chē)與隧道的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和數(shù)據(jù)交互，其精度和可信度在列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究中已得到認(rèn)可[19-20]。列車(chē)駛?cè)胨淼狼傲鲌?chǎng)充分發(fā)展，隧道出、入口大氣區(qū)域長(zhǎng)度設(shè)為250 m，車(chē)頭距離隧道入口約100 m，如圖3 所示。計(jì)算域大氣外場(chǎng)出、入口設(shè)置為無(wú)反射邊界條件，車(chē)體設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件。

圖3 計(jì)算區(qū)域Fig.3 Computational domain

1.3 網(wǎng)格劃分

在商業(yè)軟件STAR-CCM+中，采用Trimmed網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行體網(wǎng)格劃分（圖4）。車(chē)體面網(wǎng)格尺寸為0.05 m，表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面，壁面邊界層設(shè)置為10 層，增長(zhǎng)比1.2，第一層網(wǎng)格厚度y+在100～150 之間。對(duì)列車(chē)和隧道的運(yùn)行空間及隧道內(nèi)諧振腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，體網(wǎng)格總量約3 500 萬(wàn)。

圖4 計(jì)算模型體網(wǎng)格Fig.4 Volume mesh of simulation model

采用三維、非定常、可壓縮N-S 方程和SST k-ω 湍流模型進(jìn)行流場(chǎng)求解，時(shí)間步長(zhǎng)0.001 1 s，每個(gè)計(jì)算步內(nèi)迭代15 次。

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

為研究諧振腔結(jié)構(gòu)對(duì)隧道內(nèi)壓力波和隧道出口微氣壓波的影響，在隧道一側(cè)壁面和隧道出口位置設(shè)置測(cè)點(diǎn)。在隧道內(nèi)壁面每隔50 m 設(shè)置一個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，如圖5 所示，測(cè)點(diǎn)（P1～P7）高度相同（距離地面4 m）。參考微氣壓波的行業(yè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，微氣壓波測(cè)點(diǎn)布置在隧道出口外10、20 和50 m 處。

圖5 隧道內(nèi)壁面壓力測(cè)點(diǎn)和隧道出口微氣壓波測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.5 Distribution of monitoring points on tunnel wall and at the entrance

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 不同結(jié)構(gòu)下的壓力波特性

圖6 為高速磁浮列車(chē)以600 km/h 的速度通過(guò)400 m 隧道時(shí)，隧道中部測(cè)點(diǎn)P4 的壓力波動(dòng)曲線(xiàn)。為分析高速磁浮列車(chē)通過(guò)隧道的整個(gè)過(guò)程，圖中給出了頭尾車(chē)進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓力波特性和頭尾車(chē)運(yùn)行軌跡，其中黑實(shí)線(xiàn)表示壓縮波（斜率為聲速），黑虛線(xiàn)表示膨脹波（斜率為車(chē)速）。列車(chē)在t=0.623 s 到達(dá)隧道入口，產(chǎn)生壓縮波，以當(dāng)?shù)芈曀賯鞑ブ了淼乐胁繙y(cè)點(diǎn)P4，測(cè)點(diǎn)壓力開(kāi)始增大；在列車(chē)車(chē)體進(jìn)入隧道過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)壓力持續(xù)增大；t=1.698 s，尾車(chē)進(jìn)入隧道產(chǎn)生的膨脹波以當(dāng)?shù)芈曀俚竭_(dá)該測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)壓力開(kāi)始下降；之后列車(chē)通過(guò)該測(cè)點(diǎn)，隧道壁面壓力持續(xù)下降。在隧道內(nèi)安裝諧振腔裝置后，車(chē)體進(jìn)入隧道過(guò)程中的阻塞比增大，導(dǎo)致隧道壁面壓力幅值增大，如方案1 的B 點(diǎn)所示，由8 235 Pa 增大至8 750 Pa，增大了6.25%。方案1 和2 對(duì)阻塞比的影響相同，2 種方案隧道壁面壓力波正峰值分別為8 750和8 787 Pa，負(fù)峰值分別為9 159 和9 011 Pa，峰值變化率 ＜ 2%。

圖6 不同方案下隧道內(nèi)壁表面壓力波特性Fig.6 Propagation characteristics of pressure waves in different schemes

2.2 不同結(jié)構(gòu)下的微氣壓波特性

表1 為2 種方案下隧道出口不同距離處的微氣壓波幅值?？梢钥吹?，列車(chē)以600 km/h 的速度通過(guò)80 m2單線(xiàn)隧道時(shí)，在隧道出口外20 和50 m 處產(chǎn)生的微氣壓波幅值分別為898 和387 Pa。在方案1 下，20 和50 m 處的微氣壓波幅值分別為589 和259 Pa，分別減緩了34.41%和33.07%，平均減緩率為33.74%。在方案2 下，20 和50 m 處的微氣壓波幅值分別為522 和232 Pa，分別減緩了41.87%和40.05%，平均減緩率為40.96%。在2 種方案下，諧振腔結(jié)構(gòu)均對(duì)隧道出口外的微氣壓波現(xiàn)象有明顯的減緩作用，且在相同隧道長(zhǎng)度條件下，方案2 效果優(yōu)于方案1。

表1 不同方案下的微氣壓波幅值Table 1 Amplitudes of tunnel portal micro-pressure waves in different schemes

圖7 為隧道內(nèi)初始?jí)嚎s波的壓力梯度變化曲線(xiàn)。隧道內(nèi)初始?jí)嚎s波在傳播過(guò)程中，波前壓力梯度逐漸增大。在隧道內(nèi)安裝諧振腔結(jié)構(gòu)之后，聲波在隧道內(nèi)傳播，一部分能量傳入諧振腔結(jié)構(gòu)的連接管和共振腔體，連接管和共振腔體吸收和消耗部分聲波能量，減緩了初始?jí)嚎s波在傳播過(guò)程中壓力梯度的增大，進(jìn)而減緩了隧道出口外的微氣壓波幅值。

圖7 隧道內(nèi)初始?jí)嚎s波的壓力梯度變化曲線(xiàn)Fig.7 Pressure gradient curve of initial compressive wave in the tunnel

2.3 諧振腔數(shù)量對(duì)微氣壓波的影響

圖8 為不同諧振腔數(shù)量（7、14、21 和28 個(gè)腔體）時(shí)，隧道出口外20 和50 m 處微氣壓波的減緩效果百分比（腔體均從隧道入口端開(kāi)始布置）?？梢钥?/p>

圖8 不同諧振腔數(shù)量對(duì)隧道出口微氣壓波的減緩效果Fig.8 Alleviative effect of different number of resonators on the micro-pressure wave at the tunnel exit

3 動(dòng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證

出，腔體數(shù)量越多，微氣壓波減緩效果越好。對(duì)腔體數(shù)量-微氣壓波減緩效果進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，可以看到微氣壓波減緩效果與腔體數(shù)量成線(xiàn)性關(guān)系，擬合曲線(xiàn)相關(guān)性指數(shù)R2為0.999 6。

3.1 試驗(yàn)方法

采用動(dòng)模型試驗(yàn)方法對(duì)數(shù)值模擬優(yōu)選隧道諧振腔結(jié)構(gòu)方案2 進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本次動(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)平臺(tái)進(jìn)行（該平臺(tái)獲得了CNAS 資質(zhì)認(rèn)證[21]）。如圖9 所示，該平臺(tái)采用高壓空氣加速系統(tǒng)和分級(jí)逐步機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，全長(zhǎng)164 m，分為加速段、勻速段和減速段。1∶20 模型車(chē)在加速段通過(guò)彈射從靜止進(jìn)行加速，達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)速度后，進(jìn)入勻速段并通過(guò)隧道，然后在減速段進(jìn)行減速，在較短距離內(nèi)安全停車(chē)。測(cè)試設(shè)備全程采集數(shù)據(jù)，并取勻速段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

圖9 動(dòng)模型試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)Fig.9 Moving model rig system

3.2 結(jié)果對(duì)比分析

列車(chē)模型以600 km/h 速度單車(chē)通過(guò)原始隧道和方案2 隧道，隧道壁面壓力波動(dòng)和隧道出口微氣壓波幅值與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如圖10 所示。數(shù)值模擬與動(dòng)模型試驗(yàn)的隧道壁面壓力時(shí)程曲線(xiàn)一致性較好，在原始隧道內(nèi)，隧道測(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)峰值最大誤差為5.22%，在方案2 下，最大誤差為4.82%。將隧道出口外20 和50 m 處微氣壓波幅值的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：在原始隧道中，隧道出口微氣壓波最大誤差為9.1%，在方案2 下，最大誤差為9.7%，均在10%以?xún)?nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所采用的數(shù)值模擬方法能夠準(zhǔn)確模擬列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)的氣動(dòng)效應(yīng)，隧道內(nèi)諧振腔結(jié)構(gòu)對(duì)隧道出口微氣壓波減緩效果明顯。

圖10 動(dòng)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of moving model rig test and numerical simulation results

3.3 不同速度條件下的微氣壓波

采用動(dòng)模型試驗(yàn)方法對(duì)比500、550 和600 km/h這3 個(gè)速度條件下，原始隧道與方案2 隧道出口外20 m 處微氣壓波減緩情況，結(jié)果如圖11 所示?？梢钥吹?，方案2 隧道出口的微氣壓波幅值在3 個(gè)速度條件下均減小，減緩效果分別為39.7%、33.5%和22.3%。減緩效果與列車(chē)速度正相關(guān)：列車(chē)速度越高，減緩效果越明顯。

4 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬與動(dòng)模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了隧道內(nèi)諧振腔結(jié)構(gòu)對(duì)高速磁浮列車(chē)通過(guò)隧道的氣動(dòng)效應(yīng)減緩特性的影響。主要結(jié)論如下：

1）在隧道冗余空間內(nèi)安裝諧振腔結(jié)構(gòu)使得隧道凈空截面積變小，阻塞比增大，隧道表面壓力增大。當(dāng)列車(chē)以 600 km/h 速度通過(guò) 80 m2單線(xiàn)隧道時(shí)，隧道中部壁面最大壓力幅值8 750 Pa，比原始隧道增大了6.25%。

2）諧振腔結(jié)構(gòu)明顯耗散了壓力波的能量，減緩了初始?jí)嚎s波在傳播過(guò)程中壓力梯度的增大。在列車(chē)速度600 km/h 條件下，隧道出口外20 和50 m 處微氣壓波幅值的平均減緩率為40.96%，但仍超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。建議采取在隧道出口加緩沖結(jié)構(gòu)、豎井結(jié)構(gòu)等多種措施進(jìn)一步減緩微氣壓波。

3）諧振腔結(jié)構(gòu)減緩效果與諧振腔參數(shù)和數(shù)量有關(guān)。在隧道長(zhǎng)度為400 m 的條件下，微氣壓波減緩效果與腔體數(shù)量成線(xiàn)性關(guān)系。不同速度條件下，微氣壓波減緩效果與列車(chē)速度正相關(guān)。