孟石，吳再新，唐明贊，熊小慧，孟爽，周丹

(1. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410075；2. 中南大學(xué) 軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410075；3. 中南大學(xué) 軌道交通列車(chē)安全保障技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙，410075；4. 四川省鐵路產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都，610081)

地鐵列車(chē)作為目前城市出行的主要交通工具，具有節(jié)省土地、節(jié)約資源、減少污染等特點(diǎn)。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，城市客運(yùn)的壓力越來(lái)越增大，地鐵的運(yùn)營(yíng)速度也不斷提高[1-2]，香港地鐵、廣州地鐵三號(hào)線、深圳地鐵和舊金山BART地鐵設(shè)計(jì)最大速度均超過(guò)了120 km/h[3-4]。隨著列車(chē)速度不斷提高，列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行引起的隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)日益顯著[5-6]，尤其當(dāng)?shù)罔F列車(chē)通過(guò)隧道風(fēng)井時(shí)(與列車(chē)突入隧道的情況類(lèi)似)，會(huì)引起隧道內(nèi)交變壓力劇增，同時(shí)車(chē)內(nèi)壓力也發(fā)生劇烈變化，影響地鐵乘客耳部舒適度[7]。因此，亟需對(duì)地鐵列車(chē)通過(guò)隧道風(fēng)井的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究，確定地鐵隧道風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)合理參數(shù)，緩解地鐵列車(chē)通過(guò)隧道風(fēng)井時(shí)的壓力突變。

緩沖結(jié)構(gòu)多置于高速鐵路隧道入口位置，用來(lái)緩解隧道出口的微氣壓波[8]。XIANG等[9-10]對(duì)比了開(kāi)口緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)高速列車(chē)進(jìn)入隧道產(chǎn)生的初始?jí)嚎s波的影響，得到緩沖結(jié)構(gòu)參數(shù)與初始?jí)嚎s波對(duì)應(yīng)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。不同緩沖結(jié)構(gòu)形式與參數(shù)對(duì)列車(chē)突入隧道首波壓力波和微氣壓波緩解有不同效果[11-12]。陶偉明[13]對(duì)不同洞口緩沖結(jié)構(gòu)形式對(duì)高速鐵路隧道洞口微氣壓波的緩解效果進(jìn)行了研究。駱建軍等[14]對(duì)比分析了不同形式洞內(nèi)緩沖結(jié)構(gòu)下隧道內(nèi)外氣動(dòng)效應(yīng)。ZHANG等[15-16]采用數(shù)值模擬方法研究了列車(chē)進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓力梯度和微氣壓波，對(duì)比分析了不同參數(shù)斜切式緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)壓力梯度和微氣壓波的緩解效果。

對(duì)于地鐵系統(tǒng)，列車(chē)由車(chē)站開(kāi)始做勻加速運(yùn)動(dòng)，此過(guò)程中隧道內(nèi)壓力波緩慢增加，勻加速過(guò)程引起的隧道內(nèi)交變壓力變化不大[17]。YANG等[18-19]采用數(shù)值模擬方法對(duì)地鐵列車(chē)在相鄰車(chē)站之間的隧道內(nèi)運(yùn)行的氣動(dòng)性能進(jìn)行了研究，對(duì)比分析了列車(chē)氣動(dòng)阻力、隧道內(nèi)交變壓力以及列車(chē)風(fēng)的影響。XIONG 等[20]采用實(shí)車(chē)試驗(yàn)方法測(cè)量隧道風(fēng)井對(duì)地鐵列車(chē)內(nèi)部和外部壓力變化的影響，詳細(xì)分析了壓力變化對(duì)乘客耳朵舒適度的影響。楊波等[21]針對(duì)地鐵列車(chē)變速通過(guò)中間風(fēng)井時(shí)的氣動(dòng)性能進(jìn)行模擬，對(duì)比不同參數(shù)下列車(chē)表面壓力差異，并對(duì)車(chē)內(nèi)乘客舒適性進(jìn)行評(píng)估。

綜上所述，地鐵列車(chē)通過(guò)隧道風(fēng)井過(guò)程中活塞效應(yīng)加劇，隧道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大的壓力波動(dòng)，由于地鐵車(chē)幾乎沒(méi)有氣密性，列車(chē)內(nèi)外壓力波動(dòng)相同，當(dāng)車(chē)廂的內(nèi)部壓力波動(dòng)超過(guò)限值時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致乘客耳朵不適。而目前對(duì)風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)的研究多集中在高速列車(chē)突入隧道時(shí)的微氣壓波方面，對(duì)于地鐵隧道風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)列車(chē)氣動(dòng)性能影響的研究較少，且隧道風(fēng)井為地鐵列車(chē)帶來(lái)的空氣動(dòng)力效應(yīng)難以忽視。本研究基于滑移網(wǎng)格技術(shù)，模擬地鐵列車(chē)從起始車(chē)站出發(fā)做勻加速運(yùn)動(dòng)并以最大速度通過(guò)風(fēng)井時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)性能；研究有無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)、緩沖結(jié)構(gòu)布置方式以及橫截面積對(duì)列車(chē)表面氣動(dòng)壓力的影響；通過(guò)詳細(xì)分析隧道風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)列車(chē)氣動(dòng)效應(yīng)的影響，可為地鐵隧道系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)井時(shí)的壓力突變的緩解提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型及計(jì)算域

為了模擬真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，本文數(shù)值計(jì)算模型采用與實(shí)際運(yùn)營(yíng)相同的6車(chē)編組的地鐵列車(chē)，如圖1(a)所示。地鐵列車(chē)模型的寬度(W)和高度(H)分別為3.00 m 和3.77 m，列車(chē)的截面積為9.47 m2，列車(chē)總長(zhǎng)為139.28 m，頭尾車(chē)車(chē)長(zhǎng)為23.69 m，中間車(chē)車(chē)長(zhǎng)為22.10 m，地鐵列車(chē)的主要尺寸分別如圖1(a)和(b)所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型Fig. 1 Computational mode

本文主要考慮隧道風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)列車(chē)氣動(dòng)性能的影響，需要保證列車(chē)以最大車(chē)速勻速通過(guò)風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)，風(fēng)井與車(chē)站之間的距離為800.0 m，風(fēng)井橫截面積為25.0 m2。為了方便分析，將風(fēng)井前緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度定義為L(zhǎng)1，風(fēng)井后緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度定義為L(zhǎng)2，緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積定義為Sh，如圖1(c)所示。由于地鐵在起始車(chē)站開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，其屏蔽門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，因此，將車(chē)站簡(jiǎn)化成長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)、寬、高分別為160.0、9.2 和6.2 m，車(chē)站兩端都設(shè)置有車(chē)站風(fēng)井，橫截面積為16.0 m2。隧道橫截面積為Stu=27.8 m2，風(fēng)井長(zhǎng)度為20.0 m，車(chē)站風(fēng)井與外界大氣連通，為了準(zhǔn)確模擬外界空氣域，將其設(shè)置為邊長(zhǎng)為100.0 m的正方體。為了保證流場(chǎng)充分發(fā)展，減小隧道出口對(duì)隧道內(nèi)氣動(dòng)性能的影響，風(fēng)井后隧道長(zhǎng)度為3 000.0 m，具體如圖2所示。

圖2 計(jì)算域和邊界條件Fig. 2 Computational domain and boundary conditions

為了詳細(xì)分析整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中列車(chē)表面壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，在列車(chē)表面布置壓力測(cè)點(diǎn)。由于列車(chē)和隧道模型為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此，僅在列車(chē)的一側(cè)布置壓力測(cè)點(diǎn)。對(duì)于列車(chē)表面，每節(jié)列車(chē)中間表面均勻布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距軌面高度為2.5 m，共6個(gè)測(cè)點(diǎn)。

1.2 網(wǎng)格生成方案

由于地鐵列車(chē)外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是轉(zhuǎn)向架和頭尾車(chē)流線型部分，因此，列車(chē)周?chē)捎盟拿骟w網(wǎng)格進(jìn)行離散；整個(gè)計(jì)算域的其他部分形狀較為規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行離散。考慮到頭尾車(chē)部分列車(chē)表面壓力變化較大以及風(fēng)井位置對(duì)壓力波傳播的影響，分別對(duì)列車(chē)頭尾部以及風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)附近網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，列車(chē)表面網(wǎng)格最小邊長(zhǎng)為0.01 m，遠(yuǎn)離列車(chē)和風(fēng)井的部分網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為0.20 m，列車(chē)周?chē)W(wǎng)格如圖3所示。每個(gè)工況計(jì)算網(wǎng)格規(guī)模總數(shù)約3 000萬(wàn)個(gè)。

圖3 列車(chē)周?chē)W(wǎng)格Fig. 3 Grid around the train

1.3 邊界條件

計(jì)算域的邊界條件見(jiàn)圖2。圖2 中，列車(chē)的位置為起始位置，位于車(chē)站的中間，為了避免隧道兩側(cè)端面和風(fēng)井頂部計(jì)算域?qū)毫Σǖ姆瓷渥饔茫瑢⑺淼纼啥顺隹诤屯饨绱髿庥蜻吔鐥l件均設(shè)置為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)，列車(chē)表面、隧道、風(fēng)井以及車(chē)站均設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件。

2 數(shù)值方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬算法的準(zhǔn)確性，在深圳地鐵11號(hào)線車(chē)公廟站和福田站之間進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)，2個(gè)車(chē)站之間的隧道長(zhǎng)度約為2 845 m，隧道截面積為19.82 m2，隧道內(nèi)設(shè)置風(fēng)井，風(fēng)井橫截面積為28.52 m2，中間風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為32 m，橫截面積為60.14 m2，如圖4 所示。為了減小試驗(yàn)過(guò)程中外界環(huán)境對(duì)試驗(yàn)列車(chē)的影響，在壓力測(cè)試期間只有試驗(yàn)列車(chē)通過(guò)該實(shí)驗(yàn)區(qū)間，試驗(yàn)用列車(chē)為8車(chē)編組的A型地鐵列車(chē)，列車(chē)寬3.0 m，高3.8 m，列車(chē)橫截面積為9.78 m2，8 節(jié)車(chē)廂總長(zhǎng)度為185.6 m，中間車(chē)22.8 m，頭車(chē)與尾車(chē)24.4 m，如圖5所示。

圖4 實(shí)車(chē)試驗(yàn)段隧道、風(fēng)井參數(shù)Fig. 4 Parameters of tunnels and airshafts in the full-scale test

圖5 實(shí)車(chē)試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 5 Full-scale test model

為測(cè)試列車(chē)表面壓力隨時(shí)間的變化，于每節(jié)列車(chē)的中間位置布置壓力測(cè)點(diǎn)，距離軌道頂面的距離為2.27 m。采用Kulite LL-250-15A 傳感器測(cè)量列車(chē)表面壓力，該傳感器的測(cè)量范圍可達(dá)103.24 kPa，靈敏度為0.969 mV/kPa，通過(guò)多通道IMC記錄系統(tǒng)和IMC FAMOS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和后處理。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，采用200次/s的采樣頻率和50 Hz的濾波頻率，可以充分捕捉列車(chē)表面壓力峰值，保證瞬時(shí)壓力變化真實(shí)特性的完整性。列車(chē)以勻加速—?jiǎng)蛩佟獎(jiǎng)驕p速的狀態(tài)運(yùn)行，并以最高車(chē)速113 km/h通過(guò)隧道風(fēng)井。

為了驗(yàn)證數(shù)值方法的準(zhǔn)確性，按照實(shí)車(chē)試驗(yàn)的場(chǎng)景建立數(shù)值模型。圖6所示為地鐵列車(chē)在隧道中勻速運(yùn)行并通過(guò)風(fēng)井過(guò)程中第7節(jié)列車(chē)數(shù)值模擬與實(shí)車(chē)試驗(yàn)壓力時(shí)程對(duì)比。從圖6可以看出：列車(chē)表面壓力在通過(guò)隧道風(fēng)井過(guò)程中產(chǎn)生突變(t1～t2區(qū)間)。在列車(chē)通過(guò)風(fēng)井過(guò)程中，由于壓縮波的作用，列車(chē)表面壓力迅速上升，且在尾車(chē)通過(guò)風(fēng)井產(chǎn)生的膨脹波傳播至列車(chē)表面之前達(dá)到最大，由于實(shí)車(chē)試驗(yàn)線路條件十分復(fù)雜，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果難以完全一致，但二者壓力變化規(guī)律是相同的，證明了本文采用的數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。

圖6 壓力時(shí)程數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig. 6 Comparison of numerical simulation results with full-scale test results of pressure time history

3 結(jié)果與討論

本文采用滑移網(wǎng)格的方法模擬列車(chē)由車(chē)站勻加速出發(fā)并以最大速度勻速通過(guò)隧道風(fēng)井的過(guò)程。圖7 所示為地鐵列車(chē)運(yùn)行時(shí)程圖，其中X為車(chē)站-隧道模型關(guān)鍵里程點(diǎn)的橫坐標(biāo)。列車(chē)初始位置位于車(chē)站中間位置，列車(chē)從車(chē)站由靜止開(kāi)始，做勻加速運(yùn)動(dòng)，加速度為1 m/s2，在隧道內(nèi)加速到最大速度120 km/h，然后在隧道內(nèi)勻速運(yùn)行并以最大速度通過(guò)隧道風(fēng)井，列車(chē)通過(guò)隧道風(fēng)井后仍運(yùn)行一段時(shí)間，直至列車(chē)表面壓力趨于平穩(wěn)。

3.1 風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)的影響

風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)等效于增大隧道斷面面積，可以減小列車(chē)通過(guò)風(fēng)井過(guò)程的交變壓力，從而降低列車(chē)表面壓力的變化幅值。為了解風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)列車(chē)通過(guò)風(fēng)井時(shí)氣動(dòng)性能的影響規(guī)律，選擇無(wú)風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)與風(fēng)井前后緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度均為25 m的工況進(jìn)行對(duì)比分析。圖8所示為有、無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)第3 節(jié)列車(chē)表面壓力曲線(圖中T1時(shí)刻為列車(chē)表面測(cè)點(diǎn)通過(guò)風(fēng)井時(shí)刻)。當(dāng)列車(chē)由隧道進(jìn)入緩沖結(jié)構(gòu)或者通過(guò)風(fēng)井時(shí)，由于隧道斷面擴(kuò)大，產(chǎn)生壓縮波并沿著列車(chē)運(yùn)行反方向傳播，作用到列車(chē)表面使其壓力增大(圖中a 區(qū)域)，且當(dāng)風(fēng)井位置設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)，由于列車(chē)到達(dá)緩沖結(jié)構(gòu)的時(shí)間提前，列車(chē)表面壓力上升的時(shí)刻更早；當(dāng)列車(chē)表面測(cè)點(diǎn)通過(guò)風(fēng)井位置時(shí)，由于風(fēng)井的泄壓作用，測(cè)點(diǎn)壓力有短暫下降的趨勢(shì)(圖中b 區(qū)域)；當(dāng)列車(chē)向前運(yùn)行通過(guò)風(fēng)井之后，隧道截面減小，由于列車(chē)受到壓縮波的影響，列車(chē)表面壓力上升；當(dāng)風(fēng)井設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)，列車(chē)通過(guò)緩沖結(jié)構(gòu)與隧道交界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生膨脹波向列車(chē)運(yùn)行反方向傳播，因此，列車(chē)表面測(cè)點(diǎn)通過(guò)風(fēng)井的緩沖結(jié)構(gòu)位置時(shí)，其表面壓力短暫上升之后會(huì)有下降的趨勢(shì)；當(dāng)列車(chē)全部通過(guò)風(fēng)井時(shí)，列車(chē)表面壓力達(dá)到最大值(圖中c 區(qū)域)；之后，列車(chē)尾部通過(guò)風(fēng)井時(shí)產(chǎn)生的向前傳播的膨脹波，使列車(chē)表面壓力減小。

圖8 有、無(wú)緩沖段風(fēng)井時(shí)第3節(jié)列車(chē)表面壓力變化曲線Fig. 8 Change curves of the third train pressure with or without hood of airshaft

圖9所示為有、無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中列車(chē)表面壓力沿車(chē)長(zhǎng)方向的變化。從圖9 可以發(fā)現(xiàn)，在列車(chē)運(yùn)行整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，隨測(cè)點(diǎn)與頭車(chē)鼻尖距離增加，列車(chē)表面壓力呈減小的趨勢(shì)。由前文分析可知，尾車(chē)完全通過(guò)風(fēng)井時(shí)，列車(chē)表面壓力達(dá)到最大，設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)，隧道斷面增大，列車(chē)阻塞比減小，因此，緩沖結(jié)構(gòu)可以減小列車(chē)壓力變化的最大值；加速過(guò)程結(jié)束時(shí)列車(chē)表面壓力達(dá)到最小值，壓力最小值主要受2 個(gè)方面影響：1) 列車(chē)加速階段尾車(chē)產(chǎn)生的膨脹波；2) 頭車(chē)產(chǎn)生的壓縮波傳播至風(fēng)井(緩沖結(jié)構(gòu))反射回來(lái)的膨脹波，列車(chē)在隧道內(nèi)加速運(yùn)行時(shí)有、無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)條件下尾車(chē)產(chǎn)生的膨脹波強(qiáng)度相同，設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)可以增加反射膨脹波的強(qiáng)度，因此，設(shè)置風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)列車(chē)勻速運(yùn)行階段列車(chē)表面負(fù)壓更大，但整體上壓力數(shù)值差異不大。綜合隧道風(fēng)井有無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)工況對(duì)比分析結(jié)果可知，地鐵隧道風(fēng)井設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)可以降低列車(chē)通過(guò)風(fēng)井時(shí)表面壓力的變化幅值。

圖9 有、無(wú)緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)列車(chē)表面壓力沿車(chē)長(zhǎng)方向的變化Fig. 9 Train surface pressure changes along train with or without hood of the airshaft

3.2 風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)布置方式的影響

由前文分析可知，風(fēng)井前緩沖結(jié)構(gòu)可以使列車(chē)壓力上升時(shí)間提前，風(fēng)井后緩沖結(jié)構(gòu)可以降低列車(chē)通過(guò)風(fēng)井后表面壓力變化幅值。當(dāng)風(fēng)井緩沖段的總長(zhǎng)一定時(shí)，風(fēng)井前后緩沖結(jié)構(gòu)的布置方式對(duì)列車(chē)氣動(dòng)性能也有很大影響。為了分析這種影響，設(shè)置風(fēng)井緩沖段總長(zhǎng)度L1+L2=50 m，對(duì)比不同緩沖結(jié)構(gòu)布置方式下列車(chē)氣動(dòng)性能差異，具體工況如表1所示，其中，Stu為隧道橫截面積。

表1 風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)布置方式參數(shù)Table 1 Layout parameters of airshaft hood

圖10 所示為不同緩沖結(jié)構(gòu)布置方式下第3 節(jié)列車(chē)表面壓力變化曲線。由前文分析可知，列車(chē)表面壓力發(fā)生突變的地方分為2個(gè)區(qū)域：1) 列車(chē)通過(guò)緩沖結(jié)構(gòu)到通過(guò)風(fēng)井之間的區(qū)域；2) 列車(chē)到達(dá)風(fēng)井到通過(guò)緩沖結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域。當(dāng)風(fēng)井前緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度越大時(shí)(即L1越大)，列車(chē)壓力上升的時(shí)間點(diǎn)越提前，列車(chē)表面壓力突變相應(yīng)減緩；當(dāng)風(fēng)井后緩沖結(jié)構(gòu)越長(zhǎng)時(shí)，列車(chē)表面壓力變化越小。

圖10 不同緩沖結(jié)構(gòu)布置方式下列車(chē)表面壓力變化曲線Fig. 10 Change curves of train surface pressure under different hood layouts

圖11 所示為不同緩沖段布置方式下整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中列車(chē)表面壓力變化。列車(chē)由靜止開(kāi)始在隧道內(nèi)勻加速運(yùn)行時(shí)，列車(chē)表面壓力因受到膨脹波的作用而整體呈下降趨勢(shì)；當(dāng)加速階段結(jié)束，列車(chē)開(kāi)始勻速運(yùn)行時(shí)，列車(chē)表面壓力在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，列車(chē)表面壓力最小值出現(xiàn)在此階段，不同緩沖結(jié)構(gòu)布置方式下壓力差異不大。列車(chē)壓力最大值出現(xiàn)在尾車(chē)完全通過(guò)風(fēng)井產(chǎn)生的膨脹波傳播至列車(chē)表面之前，當(dāng)風(fēng)井后緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度越大，列車(chē)表面壓力最大值越小。在列車(chē)通過(guò)隧道風(fēng)井(緩沖結(jié)構(gòu))過(guò)程，風(fēng)井周?chē)鲌?chǎng)會(huì)因受到多個(gè)壓力波的影響而變得更加紊亂，列車(chē)表面壓力的最大值和最小值沿車(chē)長(zhǎng)方向的下降趨勢(shì)不同，從而導(dǎo)致列車(chē)表面壓力幅值沿車(chē)長(zhǎng)方向并不完全呈單調(diào)遞減，而是大致呈減小的趨勢(shì)。當(dāng)緩沖結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著風(fēng)井后緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，增加列車(chē)表面壓力變化幅值呈減小的趨勢(shì)。頭車(chē)壓力變化幅值最大，當(dāng)風(fēng)井后緩沖結(jié)構(gòu)由0 m 增加至50 m時(shí)，頭車(chē)表面壓力幅值減小21.5%。

圖11 不同緩沖結(jié)構(gòu)布置方式下沿車(chē)長(zhǎng)方向列車(chē)表面壓力的變化Fig. 11 Train surface pressure changes along train under different hood layouts

3.3 風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積的影響

風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積發(fā)生改變時(shí)，列車(chē)通過(guò)不同橫截面積緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)，由于緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積與隧道橫截面積之比不同，列車(chē)通過(guò)緩沖結(jié)構(gòu)段時(shí)隧道內(nèi)產(chǎn)生的交變壓力會(huì)有差異，因此，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程列車(chē)表面壓力變化不同。為了研究結(jié)構(gòu)橫截面積對(duì)列車(chē)氣動(dòng)性能的影響，保證風(fēng)井兩側(cè)緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度均為25 m，即L1=L2=25 m 條件，對(duì)比不同緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積下列車(chē)表面壓力變化，結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 不同緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積下列車(chē)表面壓力變化曲線Fig. 12 Train surface pressure change curves of pressure under different cross-sectional areas of hood

從圖12 可知，緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積僅改變列車(chē)通過(guò)風(fēng)井前的壓力變化率(圖中a 區(qū)域)，因此，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中不同緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積下列車(chē)表面壓力變化的最小值差異不大；隨著緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積增大，列車(chē)通過(guò)風(fēng)井后壓力變化幅值呈減小趨勢(shì)。

圖13 所示為不同緩沖段橫截面積下整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中列車(chē)表面壓力沿車(chē)長(zhǎng)方向的變化。由前文分析可知，在列車(chē)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，尾車(chē)完全通過(guò)風(fēng)井時(shí)，列車(chē)表面壓力達(dá)到最大，隨著緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積增大，列車(chē)通過(guò)風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)的阻塞比減小，因此，列車(chē)表面壓力最大值呈減小趨勢(shì)；列車(chē)表面壓力最小值主要受風(fēng)井(緩沖結(jié)構(gòu))反射回來(lái)的膨脹波的影響，不同緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積對(duì)反射膨脹波強(qiáng)度的影響較小；頭車(chē)壓力變化幅值最大，緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積對(duì)列車(chē)表面壓力影響較小，當(dāng)風(fēng)井后緩沖結(jié)構(gòu)面積由1.4Stu增加至1.8Stu時(shí)，頭車(chē)表面壓力變化幅值減小0.99%。

圖13 不同緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積下列車(chē)表面壓力的變化Fig. 13 Train surface pressure changes along the train under different cross-sectional areas of hood

4 結(jié)論

1) 列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行并通過(guò)風(fēng)井的過(guò)程中，列車(chē)表面壓力最小值出現(xiàn)在列車(chē)勻速運(yùn)行且未到達(dá)風(fēng)井(緩沖結(jié)構(gòu))之前，列車(chē)表面壓力最大值出現(xiàn)在列車(chē)完全通過(guò)風(fēng)井產(chǎn)生的膨脹波傳播至列車(chē)表面之前。

2) 與無(wú)風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)相比，在風(fēng)井前設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)可以使列車(chē)表面壓力上升時(shí)間提前，從而改變列車(chē)表面壓力變化率，但是對(duì)通過(guò)風(fēng)井前階段中的列車(chē)壓力影響較?。辉陲L(fēng)井后設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)等效于減小列車(chē)通過(guò)風(fēng)井的阻塞比，可以有效減小列車(chē)表面壓力變化幅值。

3) 當(dāng)風(fēng)井緩沖結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著風(fēng)井后緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度增加，列車(chē)表面壓力變化幅值呈減小趨勢(shì)，且當(dāng)風(fēng)井后緩沖結(jié)構(gòu)從0 m增加至50 m時(shí)，頭車(chē)表面壓力幅值減小21.5%，增加風(fēng)井后緩沖結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度可以有效減小列車(chē)表面壓力。

4) 不同緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積下隧道內(nèi)壓力波傳播規(guī)律相同，緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積對(duì)列車(chē)表面壓力影響較小，隨著緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積增加，列車(chē)表面壓力變化幅值呈減小趨勢(shì)，當(dāng)緩沖結(jié)構(gòu)橫截面積由1.4Stu(Stu為隧道橫截面積)增加至1.8Stu時(shí)，頭車(chē)表面壓力變化幅值減小0.99%。