王東屏,張旭平,趙潔,孫成龍

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué) 機(jī)車(chē)車(chē)輛工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

目前,空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題已經(jīng)成為高速鐵路發(fā)展過(guò)程中一個(gè)不容忽視的課題。尤其是當(dāng)列車(chē)通過(guò)隧道時(shí),列車(chē)與周?chē)諝獾南嗷プ饔眉翱諝鈴?fù)雜的流動(dòng),形成了一個(gè)隨列車(chē)位置變化的可移動(dòng)壓力源。隧道內(nèi)壓力波的變化及隧道內(nèi)空氣的流動(dòng)給車(chē)身的零部件、列車(chē)的能耗、旅客乘坐的舒適性、隧道的設(shè)施結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境等均帶來(lái)影響[1-2]。因此,有必要對(duì)高速列車(chē)過(guò)隧道時(shí)出現(xiàn)的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究。Miao等[3]對(duì)高速列車(chē)在側(cè)風(fēng)下通過(guò)隧道交叉口的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值研究。Heine等[4]研究了列車(chē)在隧道中運(yùn)行時(shí)高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)對(duì)列車(chē)壓力波的產(chǎn)生造成的影響。

目前,有關(guān)8編組高速列車(chē)過(guò)中長(zhǎng)隧道時(shí)列車(chē)氣動(dòng)特性的研究相對(duì)較少。因此,本文以某8編組國(guó)產(chǎn)高速列車(chē)為研究對(duì)象,將高速列車(chē)組以350 km/h的速度通過(guò)隧道的數(shù)值仿真結(jié)果與TB/T 3503.3—2018[5]的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證仿真方法的正確性,并分析列車(chē)在通過(guò)隧道的過(guò)程中,隧道壁面、列車(chē)表面和列車(chē)內(nèi)部的壓力變化特性,中長(zhǎng)隧道內(nèi)壓力波的傳播規(guī)律,以及壓力變化特性與壓力波傳播規(guī)律之間的關(guān)系。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 幾何模型與計(jì)算區(qū)域

為獲得良好的計(jì)算效率和計(jì)算精度并提高網(wǎng)格質(zhì)量,本文對(duì)列車(chē)模型、轉(zhuǎn)向架等部件進(jìn)行合理簡(jiǎn)化,去除受電弓等對(duì)列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)影響較小的結(jié)構(gòu),列車(chē)簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖1。由圖1可知,列車(chē)由頭車(chē)、6節(jié)中間車(chē)及尾車(chē)組成。列車(chē)模型總長(zhǎng)度為207.8 m,寬度為3.35 m,高度為4.06 m。隧道截面形狀根據(jù)TB 10621—2014[6]制定,隧道洞口采用直切式,隧道斷面見(jiàn)圖2。計(jì)算隧道為1 000 m的雙線隧道,凈空有效面積為100 m2。為了避免邊界阻塞比和尾流對(duì)仿真結(jié)果造成不良影響,確定流體計(jì)算區(qū)域見(jiàn)圖3。計(jì)算域分為隧道域和外域,將外域設(shè)置為兩個(gè)長(zhǎng)380 m,寬70 m,高50 m的相同長(zhǎng)方體。為保證列車(chē)從露天區(qū)域突然進(jìn)入隧道時(shí)的穩(wěn)定性,列車(chē)的初始位置在距隧道入口72 m處。

(a) 正視圖

(b) 側(cè)視圖圖1 列車(chē)簡(jiǎn)化模型

圖2 100 m2雙線隧道斷面

圖3 流體計(jì)算區(qū)域

1.2 網(wǎng)格模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)

為模擬列車(chē)相對(duì)于周?chē)h(huán)境的運(yùn)動(dòng),本文采用網(wǎng)格動(dòng)態(tài)鋪層的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)列車(chē)前后區(qū)域網(wǎng)格的生成和消去;通過(guò)設(shè)置交界面來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格之間數(shù)據(jù)的交換。為了較好地捕捉列車(chē)表面的壓力變化,對(duì)車(chē)身表面及附近采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行加密,除車(chē)身包裹區(qū)域外其他部分采用六面體網(wǎng)格。最小網(wǎng)格尺寸為0.03 m,網(wǎng)格數(shù)為1 300 萬(wàn)。計(jì)算區(qū)域及列車(chē)表面網(wǎng)格見(jiàn)圖4。

(a) 隧道入口網(wǎng)格

(b) 車(chē)體表面及周?chē)W(wǎng)格

(c) 轉(zhuǎn)向架周?chē)W(wǎng)格圖4 計(jì)算區(qū)域及列車(chē)表面網(wǎng)格

為了研究單列高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)隧道及列車(chē)表面壓力的變化,沿隧道縱向方向在進(jìn)出口處對(duì)稱(chēng)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),且每個(gè)縱向位置的橫截面選取3個(gè)位置進(jìn)行布置,隧道壁面監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖5。在列車(chē)表面布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)一采用“車(chē)廂號(hào)-監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)”的方式編號(hào),頭尾車(chē)監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)方式相同,2～6車(chē)監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)方式相同,除頭尾車(chē)0、13、14號(hào),2～6車(chē)9號(hào),其余編號(hào)均遵循奇數(shù)為靠近隧道壁面的列車(chē)側(cè),偶數(shù)為遠(yuǎn)離隧道壁面的列車(chē)側(cè)的原則。列車(chē)表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體位置分布見(jiàn)圖6。

(a) 縱斷面

(b) 橫斷面圖5 隧道壁面監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布(單位:m)

圖6 列車(chē)表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體位置分布

1.3 邊界條件及求解參數(shù)

車(chē)身及轉(zhuǎn)向架、隧道、地面、外流域與隧道相交面均設(shè)置為靜止無(wú)滑移壁面;壓力出口和壓力進(jìn)口均為0 Pa;外流域的其他面均設(shè)置為對(duì)稱(chēng)面。運(yùn)動(dòng)區(qū)域和靜止區(qū)域的接觸面設(shè)置為Interface交界面。自定義Profile函數(shù)來(lái)設(shè)置列車(chē)的運(yùn)行速度,邊界條件示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 邊界條件示意圖

本文采用Ansys Fluent軟件,基于三維、可壓縮、非定常、雷諾時(shí)均N-S方程和RNGk-ε兩方程湍流模型求解列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。壓力、密度項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式,流體壓力和速度耦合采用Simple算法。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001 5 s,內(nèi)迭代步數(shù)為80步。列車(chē)運(yùn)行速度為350 km/h,參考?jí)毫θ?01 325 Pa,參考溫度取288.16 K。

2 對(duì)比分析

將TB/T 3503.3—2018[5](以下簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn))的理論計(jì)算結(jié)果與本文三維流動(dòng)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證本文所采用的數(shù)值模擬計(jì)算方法的合理性和可行性。

列車(chē)外表面最大壓力峰-峰值Δpmax可用于估算列車(chē)受到的氣動(dòng)載荷。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到某8編組列車(chē)以350 km/h通過(guò)1 000 m隧道時(shí)列車(chē)外表面的最大壓力峰-峰值Δpmax為3 584.94 N。本文三維流動(dòng)模型數(shù)值計(jì)算的列車(chē)各車(chē)廂側(cè)墻中心最大壓力峰-峰值與標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 高速列車(chē)側(cè)墻中心壓力峰值

由表1可知,三維數(shù)值計(jì)算的最大壓力峰-峰值為4.014 6 kPa,除第1、2節(jié)車(chē)廂外,其余車(chē)廂均大于標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算得到的最大壓力峰-峰值,具有較好的一致性。經(jīng)對(duì)比分析可知,本文所采用的三維流動(dòng)模型數(shù)值計(jì)算方法用于研究列車(chē)過(guò)隧道問(wèn)題具有一定的可靠性。

3 結(jié)果及分析

某8編組高速列車(chē)以350 km/h的速度通過(guò)長(zhǎng)度為1 000 m、凈空有效面積為100 m2的隧道時(shí),列車(chē)外表面壓力變化過(guò)程見(jiàn)8,其中圖8(a)為馬赫波的傳播示意圖,圖8(b)為第二節(jié)車(chē)廂側(cè)面中心壓力變化過(guò)程。

圖8 列車(chē)外表面壓力變化過(guò)程

頭車(chē)鼻尖到達(dá)隧道入口,前方的空氣開(kāi)始受到壓縮,產(chǎn)生初始?jí)嚎s波。尾車(chē)在進(jìn)入隧道的過(guò)程中,產(chǎn)生膨脹波,并以聲速傳播到車(chē)體表面監(jiān)測(cè)點(diǎn),導(dǎo)致壓力降低(位置①);初始?jí)嚎s波到達(dá)隧道出口以性質(zhì)相異的膨脹波反射回列車(chē)表面,使壓力進(jìn)一步下降(位置②);初始膨脹波經(jīng)反射成壓縮波到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力升高(位置③);初始?jí)嚎s波經(jīng)二次反射仍為壓縮波,使監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力進(jìn)一步上升(位置④);三次反射后的初始?jí)嚎s波形成膨脹波,使監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力降低(位置⑤);列車(chē)頭部離開(kāi)隧道會(huì)產(chǎn)生壓縮波,擴(kuò)散至監(jiān)測(cè)點(diǎn),使壓力上升(位置⑥),直到列車(chē)完全駛出隧道,壓力慢慢恢復(fù)到明線運(yùn)行時(shí)的壓力值。

3.2 隧道表面壓力變化特性

列車(chē)在隧道中所處的位置不是完全對(duì)稱(chēng)的,這導(dǎo)致列車(chē)兩側(cè)的流場(chǎng)分布不均衡,進(jìn)而造成隧道內(nèi)產(chǎn)生壓力三維效應(yīng)。隧道內(nèi)各橫截面不同高度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化見(jiàn)圖9。由圖9可知,列車(chē)剛進(jìn)入隧道時(shí),在極短時(shí)間內(nèi)隧道和列車(chē)之間的空氣在不對(duì)稱(chēng)空間的流速差值很大,隧道入口段的壓力三維效應(yīng)最為顯著。由于靠近列車(chē)側(cè)的隧道空間較小,空氣流速相對(duì)更快,靠近列車(chē)側(cè)3.6 m高的隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化幅值最大。距離隧道入口9.4、333.3、500、973.8 m的各截面上不同高度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化幅值之間最大差值分別為1 014、277、

(a) 距離隧道入口9.4 m處

(b) 距離隧道入口333.3 m處

(c) 距離隧道入口500 m處

(d) 距離隧道入口973.8 m處圖9 隧道內(nèi)各橫截面不同高度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化

191、175 Pa,表明隧道壓力三維效應(yīng)隨著縱向位置的增大越來(lái)越小,壓力波的作用效果趨于穩(wěn)定。

隧道內(nèi)靠近列車(chē)側(cè)3.6 m高、中軸線頂端8.7 m高的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各橫截面上的壓力變化見(jiàn)圖10。由圖10可知,隧道縱向位置不同,壓力波形差異很大,在高度不變的前提下,隧道中部區(qū)域壓力變化幅值比兩端大。這是由于列車(chē)在運(yùn)行的過(guò)程中,隧道端部受壓力波影響的時(shí)間極短。由前面的分析可知,靠近列車(chē)側(cè)3.6 m高的隧道壁面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化幅值最大。分析圖10(a)可知,中長(zhǎng)隧道中部波形發(fā)展得更為充分, 更容易受到同類(lèi)型壓力波的作用;隧道兩端反射形成性質(zhì)相異的壓力波,并發(fā)生干涉疊加。最大正壓峰值和最大負(fù)壓峰值的絕對(duì)值分別為2 244和3 517 Pa,均出現(xiàn)在距離隧道入口500 m處的位置;最小正壓峰值和最小負(fù)壓峰值的絕對(duì)值分別為1 239和1 709 Pa, 均出現(xiàn)在距離隧道入口973.8 m處;兩處縱向位置的正壓峰值和負(fù)壓峰值分別相差44%和51%。

(a) 靠近列車(chē)側(cè)3.6 m高的隧道位置

(b) 隧道中軸線頂端8.7 m高的隧道位置圖10 隧道內(nèi)相同高度監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各橫截面的壓力變化

圖11展示了靠近列車(chē)側(cè)3.6 m、隧道中軸線頂端8.7 m、遠(yuǎn)離列車(chē)側(cè)3.6 m處隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大壓力峰-峰值沿縱向位置的變化規(guī)律。由圖11可以看出,隧道內(nèi)的正壓值和負(fù)壓值均先增大后減小,前期的變化率大于后期的變化率,且負(fù)壓值的變化率大于正壓值的變化率。隧道內(nèi)壓力的變化,受到初始?jí)毫Σǚ瓷浏B加的影響,同時(shí)還受到隨車(chē)壓力波的影響。初始?jí)毫Σㄔ谥虚L(zhǎng)隧道中傳播的時(shí)間較長(zhǎng),壁面摩擦等因素消耗了波的部分能量,所以最大壓力峰-峰值隨著縱向位置的增加先增大后減小。最大壓力峰-峰值在隧道入口附近(0～30 m)增加最快,在30～333 m處增加變緩,在333～550 m處基本不發(fā)生變化。當(dāng)距隧道入口的距離達(dá)到550 m時(shí),最大壓力峰-峰值開(kāi)始緩慢減小,最后逐漸恢復(fù)到最初的壓力值。

圖11 壓力峰值沿隧道縱向位置的變化規(guī)律

3.3 列車(chē)表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力分析

圖12為靠近隧道壁面?zhèn)雀鬈?chē)廂中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力峰值。由圖12可知,車(chē)頭運(yùn)行時(shí)擠壓前方的空氣形成的壓縮波以聲速向出口傳播,部分與經(jīng)反射得到的壓縮波共同影響列車(chē)表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力,而8編組列車(chē)的車(chē)尾進(jìn)入隧道產(chǎn)生的膨脹波形成了一個(gè)負(fù)壓源。從車(chē)頭到車(chē)尾, 正壓峰值逐漸減小,負(fù)壓峰值的絕對(duì)值逐漸增大且均大于正壓峰值。正壓峰值變化幅度相對(duì)于負(fù)壓峰值變化幅度更大。頭車(chē)的負(fù)壓峰值的絕對(duì)值是正壓峰值的5倍, 尾車(chē)的負(fù)壓峰值的絕對(duì)值是正壓峰值的34.8倍。頭車(chē)的正壓峰值是尾車(chē)的12.8倍。

(a) 正壓峰值

(b) 負(fù)壓峰值

尾車(chē)的負(fù)壓峰值的絕對(duì)值是頭車(chē)的1.32倍。

圖13為頭車(chē)和尾車(chē)表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力。由圖13可知,頭車(chē)前端鼻尖位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-0)正壓峰值和最大壓力峰-峰值最大,分別為6 653和3 828 Pa。最大負(fù)壓峰值的絕對(duì)值和最小壓力峰-峰值出現(xiàn)在司機(jī)室的前窗處(監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-1),分別為3 396和3 497 Pa。同一時(shí)刻,頭車(chē)鼻端與司機(jī)室前窗差值最小為6 590 Pa, 最大為7 020 Pa。尾車(chē)最大正壓值和最大壓力峰-峰值依然出現(xiàn)在鼻尖處(監(jiān)測(cè)點(diǎn)8-0),分別為1 013和4 428 Pa。最大負(fù)壓峰值的絕對(duì)值出現(xiàn)在尾車(chē)前窗處(監(jiān)測(cè)點(diǎn)8-1),最小壓力峰-峰值出現(xiàn)在流線型車(chē)身和平直車(chē)身的過(guò)渡處(監(jiān)測(cè)點(diǎn)8-3),為3 366 Pa。尾車(chē)的壓力波動(dòng)遠(yuǎn)比頭車(chē)明顯,尤其是尾車(chē)的鼻端處。綜上所述,在頭車(chē)和尾車(chē)設(shè)計(jì)初段,要特別注意車(chē)體的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度,以保證列車(chē)的安全運(yùn)行。

(a) 頭車(chē)不同位置

(b) 尾車(chē)不同位置圖13 頭車(chē)和尾車(chē)表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力

3.4 列車(chē)內(nèi)部壓力特性分析

車(chē)外壓力傳遞到車(chē)內(nèi)取決于兩個(gè)因素,即車(chē)輛的密封性和車(chē)體剛度。根據(jù)公式[7-10]計(jì)算可以得到車(chē)內(nèi)壓力。圖14為動(dòng)態(tài)氣密指數(shù)τ=10 s時(shí),頭車(chē)和尾車(chē)的車(chē)內(nèi)外壓力時(shí)程曲線。由圖14可以看出,車(chē)內(nèi)壓力變化幅度遠(yuǎn)小于車(chē)外壓力,且車(chē)內(nèi)壓力波動(dòng)滯后于車(chē)外壓力波動(dòng),頭車(chē)的壓力波動(dòng)幅度小于尾車(chē)的壓力波動(dòng)幅度,兩者相差約30%。

(a) 頭車(chē)

(b) 尾車(chē)圖14 頭車(chē)和尾車(chē)的車(chē)內(nèi)外壓力時(shí)程曲線

圖15為動(dòng)態(tài)氣密指數(shù)τ=10 s時(shí),高速列車(chē)通過(guò)隧道的過(guò)程中不同車(chē)廂的車(chē)內(nèi)壓力最值。由圖15可以看出, 從車(chē)頭到車(chē)尾, 各節(jié)車(chē)廂的最小

(a) 壓力最小值

(b) 壓力最大值圖15 不同車(chē)廂的車(chē)內(nèi)壓力最值

壓力逐漸增大,而最大壓力逐漸減小,這與頭車(chē)和尾車(chē)的車(chē)外壓力變化趨勢(shì)相同,尾車(chē)的負(fù)壓峰值的絕對(duì)值是頭車(chē)的1.7倍。不同車(chē)廂內(nèi),負(fù)壓峰值的變化幅度較大,正壓峰值的變化幅度相對(duì)較小,頭車(chē)和尾車(chē)的負(fù)壓變化幅度是正壓變化幅度的4.7倍。列車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中,由于各節(jié)車(chē)廂是相互貫通的,所以車(chē)廂各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力的差值會(huì)比數(shù)值計(jì)算的要小。

4 結(jié)論

本文采用三維、非定常、可壓縮N-S方程和RNGk-ε兩方程湍流模型,研究了某8編組高速列車(chē)以350 km/h的速度通過(guò)1 000 m隧道過(guò)程中,隧道壁面、列車(chē)表面及列車(chē)內(nèi)部的壓力變化特性,得到如下主要結(jié)論:

(1)與TB/T 3503.3—2018計(jì)算的最大壓力峰-峰值對(duì)比,本文數(shù)值計(jì)算的最大壓力峰-峰值的相對(duì)誤差不超過(guò)10.70%,說(shuō)明本文對(duì)8編組高速列車(chē)隧道運(yùn)行的計(jì)算是可靠的。

(2)列車(chē)通過(guò)1 000 m隧道產(chǎn)生的壓力波均可經(jīng)三次反射,且列車(chē)及隧道表面的壓力變化與壓力波在隧道內(nèi)傳播的變化規(guī)律具有一致性。

(3)在列車(chē)進(jìn)入隧道的過(guò)程中,隧道入口處列車(chē)與隧道之間不對(duì)稱(chēng)的空間內(nèi),近列車(chē)側(cè)與遠(yuǎn)列車(chē)側(cè)的空氣流速差值較大,三維效應(yīng)最為顯著。距離隧道入口9.4、333.3、500、973.8 m的各截面上不同高度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化幅值之間最大差值分別為1 014、277、191、175 Pa。

(4)在中長(zhǎng)隧道的中部,波形發(fā)展更為充分,更容易受到同類(lèi)型壓力波的疊加作用。最大正壓峰值和最大負(fù)壓峰值的絕對(duì)值分別為2 244和3 517 Pa,均出現(xiàn)在距離隧道入口500 m處的位置。因此隧道中部要盡量避免輔助設(shè)備的安裝。

(5)初始?jí)毫Σㄔ谥虚L(zhǎng)隧道中傳播的時(shí)間較長(zhǎng),壁面摩擦等因素消耗了波的部分能量。最大壓力峰-峰值在隧道入口附近(0～30 m)增加最快;在30～333 m的位置,增加變緩;在333～550 m的位置基本不發(fā)生變化。

(6)8編組高速列車(chē)在隧道運(yùn)行時(shí),從車(chē)頭到車(chē)尾,車(chē)體表面的正壓峰值逐漸減小,負(fù)壓峰值的絕對(duì)值逐漸增大且均大于正壓峰值。頭車(chē)鼻尖處承受的壓力最大,而尾車(chē)表面的壓力變化比頭車(chē)更顯著。氣動(dòng)壓力載荷在車(chē)廂上分布不均,同一時(shí)刻,頭車(chē)鼻端與司機(jī)室前窗差值最小為6 590 Pa,最大為7 020 Pa。

(7)車(chē)內(nèi)壓力變化幅度遠(yuǎn)小于車(chē)外壓力變化幅度,且車(chē)內(nèi)壓力波動(dòng)滯后于車(chē)外壓力波動(dòng),頭車(chē)的壓力波動(dòng)幅度小于尾車(chē)的壓力波動(dòng)幅度,兩者相差約30%。不同車(chē)廂內(nèi),負(fù)壓峰值的變化幅度大,正壓峰值的變化幅度相對(duì)較小,頭車(chē)和尾車(chē)的負(fù)壓變化幅度是正壓變化幅度4.7倍。