隧道结构列车穿行气动特征影响

闫祉圻

摘要：高速列车在进入隧道时,车体在隧道内产生的压缩波和膨胀波使隧道内的空气压力发生交替变化,对车体及车外设施,施以不定周期、不定幅值的周期载荷,将对车体结构及零部件应力集中区域造成疲劳破坏.高速列车车体是典型的气密结构,由于车外流场造成的车内压力波动会影响旅客的乘坐舒适性.

关键词：隧道；列车；模型

1气体流动的控制方程若忽略流场中的能量变化,高速列车过隧道时的外流场可认为是有黏性、可压缩、绝热、非定常的三维湍流流场.其数学模型包括连续性方程、动量方程、气体状态方程、k方程和ε方程及μt、k、ε,3物理量之间的关系式,即构成了一组封闭的方程组,可以通过数值计算的方法求解,具体方程如下.连续性方程其中:v为气体的速度矢量;ρ为气体密度;Fb为作用在单位气体上的质量力;p为气体压力;μ为气体动力黏度;k为湍流脉动动能;ε为湍流动能耗散率;μt为湍流黏性系数;σk、σε、C1、C2、Cμ为经验常数;T为气体温度.

2计算模型的建立

2.1列车模型的简化和网格划分以CRH2型动车组为参考,所建模型进行如下简化:①列车长度缩短为两动一拖,即两节头车和一节中间车;②不考虑列车外部突出物;③不考虑底部结构,使列车底面和地面间形成一个狭缝(底部距地面距离设为0•2m),通过调整狭缝的间距等效模拟列车底部结构对流场的影响.采用六面体网格离散列车模型,其头车部分表面网格如图2所示.列车表面的网格尺寸与列车运动区域的网格尺寸基本一致,另外由于列车头尾的结构采用复杂的流线型单拱外形结构,对此处列车表面网格作了适当的加密.进风口在列车顶部,出风口在列车底部,为了获得较好的列车进、出风口的压力分布,风口所在位置的网格同样进行了适度的加密.

2.2隧道的模型与计算域网格铁路隧道的实际建造结构主要由洞口、明洞、洞身及附属构筑物组成.本文保留了对整个车体外流场有重要影响的隧道基本特征,隧道模型主要简化如下:①保留洞门,省略洞口的仰坡、天沟、侧沟、水沟等结构;②保留洞身轮廓,简化为薄壁,忽略附属建筑物,忽略壁面表面粗糙度;③缩短隧道长度,取隧道长度为110m,包括列车在驶入隧道前及驶出隧道之后的距离,整个计算区域长度为330m.简化后的隧道为半圆柱形,其截面结构见图3.如图4所示,隧道洞口壁面采用六面体网格,隧道内将产生压缩波和膨胀波最为明显的部分进行网格加密,如隧道入口和出口位置;隧道内空气流场变化剧烈,对该区域进行适当的加密;同时,为了考虑边界层效应,在列车表面、隧道壁面及地面处划分10层边界层网格.以3种隧道入口的缓冲结构进行研究:线性缓冲结构、不连续型缓冲结构、抛物线型缓冲结构,其简化结构如图5所示.设定缓冲结构的长度与隧道内壁的直径比为2∶1.

2.3边界条件列车过隧道的模拟计算中,基本的边界条件如下:①计算域的入口取第一类边界条件,压力为1标准大气压;②计算域的出口取第一类边界条件,

2.4模型的测试与仿真过程的实现文献[10]设计了列车进入隧道的实验模型,包括列车模型发射系统、数据和影像采集系统.该模型以压缩空气为动力,将列车模型发射进入隧道模型,从而模拟列车通过隧道的真实过程.使用本文所建仿真模型,采用与上述实验模型相同的工况进行模拟,仿真结果与实验数据的对比如图6所示.可见,仿真结果与实测数据在变化趋势上基本一致,在相位上略有滞后,两者最高压力相差4%,最低压力相差5•2%,证明所建仿真模型可行.

3结果分析

3.1列车外表面压力变化如图7,列车进入隧道过程中隧道内压力变化的情况(时间步长为0•25s).当列车到达隧道入口时,车头处形成明显的压缩波.随着列车继续驶入隧道,压缩波的强度增大并沿隧道向前传播,而压缩波后方的空气则没有明显扰动,以一定的流速随列车向前流动.一段时间后,压缩波的强度会逐渐降低.以头车进风口处为例,列车进入隧道后,其压力变化如图8所示.比较列车以不同时速通过同一隧道时,可以发现几种工况下车体表面风口压力波动趋势一致,但车速越高,车体风口处的压力值越高.

3.2添加缓冲结构的影响如图9、图10所示,当列车以300km/h的速度变化的剧烈程度.Fig.8Presschangeoflocomotivewindinletwithspeed分别通过无缓冲结构和有线性缓冲结构的隧道(阻塞比相同)时,在头车突入隧道入口的时间段内(时间20至30之间),列车过有缓冲结构的隧道时车体表面压力要明显比列车过不带缓冲结构的隧道时小.在中间车突入隧道入口的时间段内(时间步长25至35之间),列车过有缓冲结构的隧道时车体表面所受负压较小.可见在隧道洞口处修建缓冲结构能够减缓列车车头在突然驶入隧道入口时所产生的压缩波,降低压力.

3.3缓冲结构形式的影响分别模拟列车以300km/h的速度通过具有抛物线型缓冲结构、线性缓冲结构、不连续型缓冲结构的隧道.如图11、图12所示,通过不同缓冲结构时,列车表面的压力变化趋势基本相同,但压力值的大小不同,分别按照抛物线型、线性、不连续性的顺序依次减小.例如,在第20时间步,列车通过抛物线缓冲结构时车头风口的压力为1000Pa,通过线性缓冲结构时该位置的压力为875Pa,而通过不连续缓冲结构时仅为750Pa.由此可知,3种缓冲结构都能减缓列车进入隧道时产生的压缩波,而不连续型缓冲结构的缓冲能力最强.3•4隧道阻塞比的影响隧道阻塞比为列车车体的断面积与隧道的断面积之比.以尾车进风口处压力为例,当列车以相同的时速在不同阻塞比的隧道内运行时,车体表面风口处的压力波动情况基本一致,但压力值随着隧道阻塞比的减小而减小,如图13所示.并且,压力值与阻塞比基本呈线性关系,阻塞比每降低0•02,压力降低150Pa.所以,减缓列车突入隧道产生的头部压缩波的另外一种方案是选取较大的隧道断面面积,减小阻塞比.

4结论

1)建立了高速列车穿行隧道的计算模型,并成功实现了列车穿行隧道过程的数值模拟,得出不同工况下车体表面风口处的压力波动,且压力波动随车速的提升而升高.2)在隧道洞口处设置缓冲机构,可以减缓车体突入隧道洞口时产生的压缩波,有效改善列车在隧道内的运行环境.3)不同的缓冲结构减缓列车在隧道内产生的压力波的程度不同,按照抛物线型、线性、不连续型的顺序依次增强.因此,可考虑采用抛物线型缓冲结构来缓解压力波的影响.4)隧道阻塞比是影响列车通过隧道时车体表面压力波动的重要因素,阻塞比越小,车体表面的压力值就越小.增大隧道断面积,即减小隧道阻塞比是改善列车在隧道内运行环境的另一重要措施.

参考文献

[1]周玉红，赵燕明，程崇国。偏压连拱隧道施工过程的优化研究。岩石力学与工程学报，2004。 

[2]朱晓光，孟凡玉。公路隧道施工技术分析。黑龙江科技信息，2011。