楊彬彬, 閆亞光*, 高利民, 邵建恒, 任遠(yuǎn), 解會(huì)兵

(1.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院, 邯鄲 056000; 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 北京100044)

列車駛?cè)胨淼肋^程中,由于車前空間的變化,列車在隧內(nèi)壓縮空氣形成壓縮波,壓縮波以聲速傳播至洞口,一部分能量會(huì)形成微氣壓波。微氣壓波不僅對(duì)隧道周邊環(huán)境造成噪音污染,也會(huì)給附近居民生活帶來不利的影響,并且隨著列車速度的不斷提升,隧道微氣壓波的危害也變得日益嚴(yán)重。所以有必要研究組合式緩沖結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步緩解微氣壓波的危害。

中外學(xué)者提出了多種方法來緩解隧內(nèi)的氣動(dòng)效應(yīng)。駱建軍等[1-2]運(yùn)用數(shù)值模擬方法得出了橫通道的斷面積、位置和橫通道與隧道斜交角度的變化都能對(duì)隧道內(nèi)壓力梯度產(chǎn)生影響,并得出當(dāng)橫通道的長(zhǎng)度為20～30 m時(shí),對(duì)隧內(nèi)的壓力值降低效果較明顯。史憲明等[3]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)內(nèi)置開孔隔墻隧道車體壓力波動(dòng)特性進(jìn)行研究,得出開孔間距和開孔距離對(duì)車體壓力波的影響較為明顯。王英學(xué)等[4]提出了一種經(jīng)濟(jì)、高效的間縫式開口緩沖結(jié)構(gòu),與常規(guī)的開口型相比,其延米降低率更好,能進(jìn)一步提高緩沖結(jié)構(gòu)的降低效率。閆亞光等[5-6]基于氣動(dòng)聲學(xué)方程對(duì)喇叭型緩沖結(jié)構(gòu)的橫斷面積、入口面積、長(zhǎng)度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,使壓力曲線成線性增長(zhǎng),進(jìn)而大幅度降低壓力梯度值,并對(duì)10種不同開孔參數(shù)的緩沖結(jié)構(gòu)作對(duì)比得出最優(yōu)開孔形式。楊偉超等[7]提出了等截面帽檐斜切開孔組合型緩沖結(jié)構(gòu)與單一類型的緩沖結(jié)構(gòu)相比,能進(jìn)一步緩解隧道的氣動(dòng)效應(yīng),并對(duì)泄壓孔的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。張潔等[8]基于數(shù)值模擬的方法對(duì)600km/h磁浮列車通過截面擴(kuò)大型緩沖結(jié)構(gòu)的初始?jí)嚎s波波前特性進(jìn)行研究,得出當(dāng)緩沖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為100m時(shí)對(duì)微氣壓波的緩解效果最好。李文輝等[9]對(duì)變截面隧道進(jìn)行研究,得出在車體和隧內(nèi)的壓力緩解方面變截面隧道優(yōu)于典型緩沖結(jié)構(gòu),但是對(duì)微氣壓波的緩解效果弱于典型緩沖結(jié)構(gòu)。張童童等[10-11]把外緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)置,提出了內(nèi)階梯形緩沖結(jié)構(gòu),能用在隧道入口地形復(fù)雜不便設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)處,能有效地緩解隧道內(nèi)的氣動(dòng)效應(yīng)。并提出了一種聯(lián)通式內(nèi)緩沖結(jié)構(gòu),對(duì)其緩沖結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化,得出了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。任文強(qiáng)[12]對(duì)高鐵隧道頂部開口緩解微氣壓波的規(guī)律進(jìn)行具體分析,得出了單開口、雙開口的最優(yōu)參數(shù)。李慧君[13]對(duì)臺(tái)階緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,得出了此緩沖結(jié)構(gòu)的最佳長(zhǎng)度、階數(shù)和橫截面積。Howe[14-16]運(yùn)用理論基礎(chǔ)對(duì)多開口緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得出了最優(yōu)參數(shù)。Miyachi[17]基于理論分析的研究方法,推導(dǎo)出考慮地形因素的微壓波預(yù)測(cè)公式。

中外學(xué)者對(duì)緩解隧道氣動(dòng)效應(yīng)的各種方法進(jìn)行了積極探索,但是對(duì)組合型式的緩沖結(jié)構(gòu)研究較少,為了進(jìn)一步減緩隧道入口微氣壓波的危害,提出臺(tái)階開孔式緩沖結(jié)構(gòu)?；贔LUENT軟件的κ-ε兩方程(κ為湍動(dòng)能,ε為耗散率),建立列車-隧道計(jì)算模型,通過與試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證模型的可行性,然后對(duì)不同工況下的開孔參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,最終得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù),為組合型緩沖結(jié)構(gòu)的研究提供了新思路。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 控制方程

列車以350 km/h的速度駛?cè)胨淼肋^程中,由于車前空間變化,會(huì)在車前壓縮空氣,因此隧內(nèi)流場(chǎng)假設(shè)為非穩(wěn)態(tài)、黏性、可壓縮流的三維流場(chǎng),采用Navier-Stokes方程和κ-ε兩方程進(jìn)行求解,描述如下。

(1)連續(xù)性方程為

(1)

(2)動(dòng)量方程為

(2)

(3)

(4)

(3)能量方程為

(5)

(4)狀態(tài)方程為

P=ρRT

(6)

式中:ρ為密度;P為壓力;v為氣流速度;vx、vy、vz為氣流速度在x、y、z坐標(biāo)軸方向的分量;t為時(shí)間;▽為哈密頓算子;R為氣體常數(shù);μ為氣體的黏度系數(shù);μ為紊流黏度;Pr為氣體定壓比熱比;σ為紊流普朗特?cái)?shù);T為熱力學(xué)溫度。

1.2 計(jì)算模型概述

選用中國(guó)自主研發(fā)的復(fù)興號(hào)CR400-BF動(dòng)車組為列車模型,車速為350 km/h,采用三車編組的列車模型,總長(zhǎng)74.6 m。隧道為中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)雙線隧道,斷面積為100 m2,隧道全長(zhǎng)500 m,測(cè)點(diǎn)位于隧道內(nèi),距離隧道入口100 m處的隧道頂部。臺(tái)階開孔式緩沖結(jié)構(gòu)為三階等長(zhǎng),總長(zhǎng)為40 m,各階斷面分別為170、145、120 m2,列車和緩沖結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

臺(tái)階開孔式緩沖結(jié)構(gòu)主要從以下兩個(gè)方面緩解隧內(nèi)氣動(dòng)效應(yīng)。一方面由于緩沖結(jié)構(gòu)斷面的突變,使得壓縮波在斷面突變處部分發(fā)生反射,一部分形成新的壓縮波繼續(xù)在隧內(nèi)傳播,反射部分傳播至隧道入口會(huì)形成膨脹波,壓縮波和膨脹波在隧內(nèi)進(jìn)行反復(fù)的交替?zhèn)鞑?使得壓縮波能量耗散,從而使得壓力梯度最大值降低;另一方面,由于泄壓孔的存在使得隧道內(nèi)受壓縮的氣體由泄壓孔排到隧道外,從而能進(jìn)一步緩解初始?jí)嚎s波的壓力梯度。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行劃分,列車的頭尾部由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,其余部分用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。為了使數(shù)值模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確,模型中網(wǎng)格最小尺寸為0.05 m,時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.005 s。

采用滑移網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行模擬,列車與隧道之間的信息交換通過滑移交界面interface來完成。計(jì)算模型的邊界條件分為兩種類型:計(jì)算域頂面、側(cè)面、遠(yuǎn)端界面設(shè)定為Pressure-far-field邊界條件,計(jì)算域底面、隧道底面設(shè)置為wall邊界條件。計(jì)算域尺寸為240 m(長(zhǎng))×120 m(寬)×60 m(高),無緩沖結(jié)構(gòu)計(jì)算域和邊界尺寸如圖2所示。

圖2 無緩沖結(jié)構(gòu)計(jì)算域示意圖Fig.2 Diagram of computation domain of unhood

氣體介質(zhì)為理想氣體ideal-gas,黏滯系數(shù)為1.789 4×10-5kg/(m·s),導(dǎo)熱系數(shù)為0.024 2 W/(m·K)。靜壓設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325 Pa。

2 模型驗(yàn)證

通過中南大學(xué)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)與本文的數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可行性。模型試驗(yàn)采用兩車編組,列車長(zhǎng)2.92 m,速度為55.98 m/s,隧道斷面積為0.258 m2,隧道長(zhǎng)28 m,縮尺比例為1∶17.6,測(cè)點(diǎn)距離隧道入口約14.2 m。圖3給出了試驗(yàn)結(jié)果和本文計(jì)算值的比較。

圖3 試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of test results and calculated results

從圖3分析可知,通過數(shù)值模擬得出的計(jì)算初始?jí)嚎s波曲線與驗(yàn)證模型的試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,但兩者的曲線存在細(xì)微的不同,可能是由試驗(yàn)環(huán)境和模擬環(huán)境的誤差所引起的,但兩者的最大差值保持在3%以內(nèi),不會(huì)對(duì)結(jié)果造成顯著影響,因此驗(yàn)證了計(jì)算模型的可行性。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

通過具體分析不同工況下初始?jí)嚎s波的壓力和壓力梯度值的變化情況,得出了不同開孔參數(shù)下臺(tái)階開孔式緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)初始?jí)嚎s波的減緩效果,并優(yōu)化了臺(tái)階開孔式緩沖結(jié)構(gòu)的最優(yōu)開孔參數(shù),其中包括:開孔距離、開孔率、開孔數(shù)量、開孔位置,共13種工況,具體工況參數(shù)如表1所示。

表1 三階開孔式緩沖結(jié)構(gòu)工況參數(shù)Table 1 Parameters of three-order open-hole hood structure

3.1 開孔距離對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響

三階等長(zhǎng)開孔式緩沖結(jié)構(gòu)如表1所示,緩沖結(jié)構(gòu)的開孔率α為36%,開孔數(shù)量為2孔,開孔位置為頂部開孔,為了探討不同開孔距離對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響,開孔距離分別取1、2、3、4 m,4種工況討論開孔距離對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響。

圖4為不同開孔距離下,測(cè)點(diǎn)位置處的壓力和壓力梯度曲線,圖4分析可得以下結(jié)論。

圖4 不同開孔距離下壓力和壓力梯度曲線Fig.4 Pressure and pressure gradient curves at different opening distances

(1)初始?jí)嚎s波。隨著開孔距離的增加,初始?jí)嚎s波波前厚度增大,壓力曲線上升平緩。無緩沖結(jié)構(gòu)時(shí),最大壓力值為2 044.3 Pa,工況1～4的最大壓力分別為2 021.5、2 022.4、2 023.0、2 023.9 Pa,測(cè)點(diǎn)處最大壓力值差值較小,說明開孔距離的變化對(duì)初始?jí)嚎s波峰值影響較小。

(2)壓力梯度。壓力梯度曲線出現(xiàn)了明顯的兩個(gè)峰值A(chǔ)1、A2,各波峰值出現(xiàn)時(shí)間差異不大,基本一致。當(dāng)開孔距離從1 m增加到4 m時(shí),列車進(jìn)入隧道所產(chǎn)生的壓縮波的波峰值A(chǔ)1不斷減小,A2則不斷增大,當(dāng)開孔距離為4 m(工況4)時(shí),A1、A2波峰值基本相等,此時(shí)對(duì)壓力梯度最大值的緩解效果最好,緩解率為60.14%。

3.2 開孔率對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響

三階等長(zhǎng)開孔式緩沖結(jié)構(gòu)如表1所示,其中開孔距離為4 m,開孔數(shù)量為2孔,開孔位置選擇頂部開孔。為了研究不同開孔率對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響,總開孔率α分別取28%、32%、36%、40%,從第一第二開孔率兩個(gè)方面討論開孔率對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響。

3.2.1 第一開孔率對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響

開孔寬度B=4 m,第一開孔長(zhǎng)度分別取5、6、7 m,第一開孔率α1分別為20%、24%、28%,第二開孔長(zhǎng)度為3 m,第二開孔率α2為12%。總開孔率α為32%、36%、40%,3種工況討論第一開孔率對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響。

圖5為不同開孔率下,測(cè)點(diǎn)位置處的壓力和壓力梯度曲線,圖5分析可得以下結(jié)論。

圖5 不同開孔率下壓力和壓力梯度曲線Fig.5 Pressure and pressure gradient curves at different opening rates

(1)初始?jí)嚎s波。初始?jí)嚎s波壓力曲線的上升速率并非隨著第一開孔率的增加而增加。不同開孔率下初始?jí)嚎s波的壓力曲線變化基本一致,與無緩沖結(jié)構(gòu)相比,壓力曲線波前厚度增大,壓力曲線上升平緩,壓力最大值基本相同。

(2)壓力梯度。壓力梯度曲線出現(xiàn)了明顯的兩個(gè)波峰值A(chǔ)1、A2,各波峰值出現(xiàn)時(shí)間基本一致,但是壓力梯度最大值略有不同。當(dāng)開孔率α為32%(工況5)時(shí),A1波峰值最大,但是A2值最小,當(dāng)開孔率α為40%(工況6)時(shí),A1波峰值最小,但是A2波峰值最大,并且超過了A1波峰值。當(dāng)開孔率α為36%(工況4)時(shí),A1、A2波峰值基本相同,此時(shí)對(duì)壓力梯度最大值的緩解效果最好,緩解率為60.14%。

3.2.2 第二開孔率對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響

開孔寬度B=4 m,第二開孔長(zhǎng)度分別取1、2、3 m,第二開孔率α2分別為4%、8%、12%,第一開孔長(zhǎng)度為6 m,第一開孔率α1為24%,總開孔率α為28%、32%、36%,分別為工況7、工況8、工況4,3種工況討論開孔率對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響。

圖6為不同開孔率下,測(cè)點(diǎn)位置處的壓力和壓力梯度曲線,圖6分析可得以下結(jié)論。

圖6 不同開孔率下的壓力和壓力梯度曲線Fig.6 Pressure and pressure gradient curves at different opening rates

(1)初始?jí)嚎s波。不同開孔率下初始?jí)嚎s波的波前厚度基本相同,與無緩沖結(jié)構(gòu)相比,壓力曲線波前厚度增大,壓力曲線上升平緩,壓力最大值略有不同,但是基本一致。

(2)壓力梯度。壓力梯度曲線出現(xiàn)了明顯的兩個(gè)峰值A(chǔ)1、A2,不同開孔率α2下,各峰值出現(xiàn)的時(shí)間基本一致,但壓力梯度最大值存在差異。隨著開孔率的變化A1波峰值逐漸降低,A2波峰值則是不斷升高,但是A2波峰值的增長(zhǎng)率明顯大于A1波峰值的減少率,說明第二開孔率對(duì)A2波峰值的影響較強(qiáng)。

綜上所述,當(dāng)臺(tái)階開孔式緩沖結(jié)構(gòu)第一開孔為4 m×6 m,第二開孔為4 m× 3m,總開孔率α為36%(工況4)時(shí),能較好的緩解初始?jí)嚎s波壓力梯度最大值,緩解率為60.14%。

3.3 開孔數(shù)量對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響

三階等長(zhǎng)開孔式緩沖結(jié)構(gòu),緩沖結(jié)構(gòu)的開孔距離為4 m,開孔率α為36%,開孔位置選擇頂部開孔。為了探討不同開孔數(shù)量對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響,開孔數(shù)量分別取2孔、3孔、6孔,分別為工況4、工況9、工況10,3種工況討論開孔數(shù)量對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響。

圖7為不同開孔數(shù)量下,測(cè)點(diǎn)位置處的壓力和壓力梯度曲線,分析圖7可得以下結(jié)論。

圖7 不同開孔數(shù)量下壓力和壓力梯度曲線Fig.7 Pressure and pressure gradient curve under different number of openings

(1)初始?jí)嚎s波。不同開孔數(shù)量下初始?jí)嚎s波的壓力曲線變化規(guī)律基本相同,壓力曲線上升平緩,壓力最大值略有不同,但基本一致,說明開孔數(shù)量對(duì)初始?jí)嚎s波的壓力影響不大。

(2)壓力梯度。不同開孔數(shù)量下的壓力梯度曲線略有不同,當(dāng)開孔數(shù)量為2孔時(shí),壓力梯度存在兩個(gè)波峰值A(chǔ)1、A2,且波峰值A(chǔ)1、A2基本相同。當(dāng)開孔數(shù)量為3孔和6孔時(shí),兩者的初始?jí)嚎s波壓力梯度曲線變化基本一致,壓力梯度波峰值A(chǔ)1、A2逐漸變?yōu)橐粋€(gè)峰值,但是6孔的壓力梯度峰值較2孔的壓力梯度值增長(zhǎng)1.2%。3孔與2孔的壓力梯度峰值基本相同,說明開孔數(shù)量對(duì)壓力梯度峰值的影響不大。

綜上所述,當(dāng)臺(tái)階開孔式緩沖結(jié)構(gòu)開孔數(shù)量為2孔(工況4)時(shí),能較好地緩解初始?jí)嚎s波的壓力梯度最大值,緩解率為60.14%。

3.4 開孔位置對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響

三階等長(zhǎng)開孔式緩沖結(jié)構(gòu),緩沖結(jié)構(gòu)的開孔距離為4 m,開孔率α為36%,開孔數(shù)量為2孔。為了探討開孔位置對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響,分別從頂部、側(cè)面、頂部側(cè)面交叉開孔和側(cè)面頂部交叉開孔,分別為工況4、工況11、工況12、工況13,4種工況討論開孔位置對(duì)隧道氣動(dòng)效應(yīng)的影響。

圖8為不同開孔位置下,測(cè)點(diǎn)位置處的壓力和壓力梯度曲線,分析圖8可得如下結(jié)論。

(1)初始?jí)嚎s波。不同開孔位置下初始?jí)嚎s波的壓力曲線變化規(guī)律基本相同,但是頂部開孔與其他幾種開孔位置相比壓力曲線上升更平緩。與無緩沖結(jié)構(gòu)相比壓力最大值均有小幅度下降,但相差不大。說明開孔位置對(duì)初始?jí)嚎s波的壓力影響較小。

(2)壓力梯度。不同開孔位置下的壓力梯度曲線略有不同,頂部開孔(工況4)時(shí),A1、A2波峰值基本相同。側(cè)面開孔(工況11)時(shí),A1波峰值與頂部開孔時(shí)基本相同,但A2波峰值較頂部開孔增4.5%。

頂部側(cè)面交叉開孔(工況12)時(shí),A1波峰值最小,較頂部開孔降低1.6%,但A2波峰值最大,較頂部開孔增長(zhǎng)6.9%。側(cè)面頂部交叉開孔(工況13)時(shí),A1波峰值最大,較頂部開孔增長(zhǎng)3.45%,A2波峰值最小,較頂部開孔降低3.5%。開孔位置減緩微氣壓波效果由強(qiáng)到弱為:頂部開孔、側(cè)面開孔、側(cè)面頂面開孔、頂面?zhèn)让骈_孔。

綜上所述,當(dāng)臺(tái)階開孔式緩沖結(jié)構(gòu)采用頂部開孔(工況4)時(shí),能較好地緩解初始?jí)嚎s波的壓力梯度最大值,緩解率為60.14%。

4 結(jié)論

(1)在隧道入口設(shè)置臺(tái)階開孔緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)初始?jí)嚎s波壓力最大值的影響不大,不同參數(shù)下的最大壓力值差值較小,但對(duì)壓力梯度最大值降低效果明顯,最優(yōu)的開孔型式對(duì)壓力梯度的緩解率為60.14%。

(2)隨著緩沖結(jié)構(gòu)開孔距離的增加,A1波峰值逐漸減小,A2波峰值逐漸增大,當(dāng)開孔距離為4 m時(shí),A1、A2波峰值基本相同,此時(shí)對(duì)壓力梯度的減緩效果最好。

(3)隨著緩沖結(jié)構(gòu)開孔率的增加,緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)壓力梯度的減緩效果并非隨著開孔率的增加而增加,而是在第一開孔為4 m×6 m,第二開孔為4 m×3 m時(shí),開孔率為36%,緩解效果最好。

(4)不同開孔數(shù)量對(duì)壓力梯度峰值的影響不大,當(dāng)開孔數(shù)量為2孔和3孔時(shí),A1、A2波峰值基本相同,開孔數(shù)量為6孔時(shí)較開孔數(shù)量為2孔時(shí)壓力梯度值增長(zhǎng)1.2%,因此開孔數(shù)量為2孔時(shí),緩解效果最優(yōu)。

(5)不同開孔位置對(duì)A1、A2波峰值的影響比較明顯,側(cè)面頂部交叉開孔較頂部開孔A1波峰值增加3.45%,頂部側(cè)面開孔較頂部開孔A2波峰值增長(zhǎng)6.9%,開孔位置減緩微壓波效果由強(qiáng)到弱為:頂部開孔、側(cè)面開孔、側(cè)面頂面開孔、頂面?zhèn)让骈_孔。