地鐵列車隧道氣動力學(xué)試驗與仿真

劉鳳華，余以正

(中國北車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)*

0 引言

近年來，國內(nèi)許多大城市正在建設(shè)或籌劃城市快速軌道交通系統(tǒng)(或地鐵系統(tǒng)).城際列車、地鐵速度小于高鐵，但由于頭型長細(xì)比小，且地鐵車一般在隧道內(nèi)運行，從空氣動力學(xué)的角度分析，高鐵實際運營情況比地鐵車隧道工況多，地鐵隧道截面積遠(yuǎn)小于高鐵隧道截面積，隧道截面變化頻繁，因此面臨的氣動問題實際也很突出.根據(jù)以往對高鐵的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)列車頭型長細(xì)比減小一半左右，最大壓力波幅度增加2倍以上.而地鐵車的頭型長細(xì)比與高鐵比往往增加了幾倍.因此需要考慮列車高速進(jìn)出隧道或者在截面變化的隧道內(nèi)運行時產(chǎn)生的壓力波對列車運行和乘客舒適性的影響［1］.

此外，通過仿真分析研究地鐵車在隧道內(nèi)的阻力變化，研究發(fā)現(xiàn)列車在隧道內(nèi)運行阻力系數(shù)遠(yuǎn)大于明線運行時阻力系數(shù)，因此由于氣動阻力造成的能耗實際上是比較大的.

列車在實際運營中由于空氣動力學(xué)問題帶來的諸如車門在某些工況下無法關(guān)閉等現(xiàn)實問題，但目前國內(nèi)對地鐵車在隧道內(nèi)運行時的空氣動力學(xué)方面研究很少，尤其是線路運行實測數(shù)據(jù)很少.因此本文的研究對地鐵車新車型的設(shè)計有一定的指導(dǎo)以及參考意義.

1 地鐵車內(nèi)外動壓線路運行實測

(1)測試線路 此次分析研究選擇的測試線路是深圳地鐵二號線后?！t樹灣地鐵路段，與其他路段比，此路段距離更長，并且較為平直;另外此路段還有一個顯著的特點就是隧道截面有一個相當(dāng)長的距離為矩形截面，因此列車在此段能加速到70 km/h，然后列車以此速度進(jìn)入該段隧道圓形截面，出現(xiàn)了一段相當(dāng)大的壓力波動，并能被人耳感覺.

(2)測試設(shè)備 由于地鐵車的速度較低，壓力波動基本在100～1 500 Pa(是大氣壓的0.1%～1%)之間，因此需要采用較低量程、精度較高的傳感器，因此選用差壓傳感器電子掃描閥.本次試驗使用的DSM3400電子掃描閥系統(tǒng)及配套模塊，是目前國內(nèi)同類設(shè)備中最先進(jìn)、在量程和精度方面最適合本次測試的設(shè)備.本次試驗采用312 Hz采樣頻率.

(3)測點布置 此次試驗，在車內(nèi)外共分布了90個測點，其中在車內(nèi)布置16個測點，車外共布置74個測點.車外測點主要分布在頭車車前端、頭車車窗、空調(diào)蓋板處，并且當(dāng)列車朝相反的方向運行時頭車的測點轉(zhuǎn)變?yōu)槲曹嚨臏y點;車內(nèi)測點主要分布在司機(jī)室、第一節(jié)車廂以及第一節(jié)車與第二節(jié)車的風(fēng)擋處.圖1、圖2是相關(guān)位置測 點布置示意圖.

圖1 測點布置總示意圖

圖2 車外測點布置示意圖

(4)測試工況 實際測試中進(jìn)行了包括車內(nèi)舒適性測試(車內(nèi)壓力變化);車頭、裙板內(nèi)外壓力測試;車門內(nèi)外壓力測試;屏蔽門內(nèi)外壓力測試;空調(diào)蓋板內(nèi)外壓力測試等.測試了列車在50、60、70、80 km/h運行條件下各個測點的動壓數(shù)據(jù).本文限于篇幅主要選取車內(nèi)舒適性測試以及車外壓力變化進(jìn)行研究.

2 列車的空氣動力學(xué)仿真分析

2.1 仿真分析數(shù)學(xué)模型的選取

利用FLUENT大型流場計算商用軟件，根據(jù)流場特點，數(shù)值求解的控制方程為低速粘流的Navier-Stokes方程，湍流采用兩方程湍流模型，近壁區(qū)采用低Re數(shù)修正與壁面函數(shù)相結(jié)合的方法，方程采用有限體積法離散，并采用并行的壓力修正算法求解［2］.

2.2 CFD計算模型

分析選取一節(jié)半車進(jìn)行了分析研究，車頭是影響計算結(jié)果的重要部位，因此在該區(qū)域分布了較密的網(wǎng)格以保形，同時根據(jù)流動特點規(guī)劃分區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以保證模擬精度.在車身連接處，轉(zhuǎn)向架、風(fēng)檔和空調(diào)等部位都進(jìn)行了網(wǎng)格加密.對曲率變化較大的部分和關(guān)鍵區(qū)域都進(jìn)行了網(wǎng)格加密，以滿足此類問題計算對網(wǎng)格的要求，近壁面第一層網(wǎng)格最小網(wǎng)格高度為0.5 mm.限于計算規(guī)模，不可能按照隧道的實際長度建模，只能選取列車在一段隧道內(nèi)運行進(jìn)行CFD模擬研究，本次分析選取隧道長為500 m.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 車外壓力測試結(jié)果分析

車外測點主要分布在頭車車前端、頭車車窗、空調(diào)蓋板處，并且當(dāng)列車朝相反的方向運行時頭車的測點轉(zhuǎn)變?yōu)槲曹嚨臏y點，各外部測點的測試目的并不一樣.本文限于篇幅，車外壓力變化情況僅選取頭車測點與尾車測點分析.研究發(fā)現(xiàn)，不同的車速下，車頭處測點的壓力分布趨勢幾乎一樣，只是壓力大小以及出現(xiàn)壓力峰值的時間不同.因此本文中只列出在80 mm時各壓力測點的壓力變化情況.圖3是列車運行速度為80 km/h時，車外壓力測點壓力變化情況.由圖3(a)可以看到，在120 s左右的時候，各個測點的壓力突然急劇升高，有些測點壓力在瞬間從200 Pa左右突變至1 200 Pa，這主要是由于此時隧道從方形截面突變到圓形截面所致，可見隧道截面形狀的變化對車外壓力變化影響很大.當(dāng)隧道截面頻繁變化時，車外壓力波動也會隨之頻繁變化.這種氣動力的頻繁變化甚至可能會影響某些結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，因此在后期研究中應(yīng)當(dāng)對這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的關(guān)注.

圖3(b)是車尾測點壓力變化情況，多數(shù)壓力測點處于負(fù)壓值區(qū)，在170 s左右時出現(xiàn)了壓力突變，有些測點的負(fù)壓值從-300 Pa左右突變到-850 Pa左右.這主要是由于此時隧道從圓形截面突變到方形截面所致，可見隧道截面的變化對尾車壓力變化也有很大的影響.整體來講，與車頭相比，車尾壓力變化趨勢相對平緩.

圖3 80 km/h時車外壓力測點壓力變化情況

3.2 車內(nèi)壓力測試結(jié)果分析

車內(nèi)壓力的變化主要影響舒適性，列車在隧道內(nèi)運行的壓力及壓力變化率若超出一定的限制，會造成乘客耳朵不適，乘客舒適度降低，行車阻力增大和能耗增加.根據(jù)相關(guān)評價指標(biāo)，車內(nèi)空氣壓力變化≤200 Pa/1 s為優(yōu);車內(nèi)空氣壓力變化≤800 Pa/3 s為良;車內(nèi)空氣壓力變化≤1250 Pa/3 s為合格.車內(nèi)壓力的波動的大小，在很大程度上與車速有關(guān).本文選取的是第一節(jié)車車廂內(nèi)某一個測點在不同的車速下壓力變化情況進(jìn)行研究.

由圖4可見，車速對車內(nèi)壓力波動影響很大.當(dāng)車速為50 km/h時，壓力變化最大值為150 Pa;車速為80 km/h時，車內(nèi)壓力變化最大值為500 Pa，對應(yīng)的最大最小值之差則為2.7倍.當(dāng)列車以80 km/h運行時，在120 s左右時測點壓力瞬間從-200 Pa變化到240 Pa，瞬間壓力變化率達(dá)到了400 Pa/s以上，并能被人耳感受到，明顯影響到了舒適性.這主要是由于此次分析研究的深圳地鐵二號線后?！t樹灣地鐵路段，隧道截面有一個相當(dāng)長的距離為矩形截面，因此列車在此段能加速到70 km/h，然后列車以此速度進(jìn)入該段隧道圓形截面，出現(xiàn)了一段相當(dāng)大的壓力波動.可見對于該車影響車內(nèi)壓力波動主要由車速與隧道截面變化有關(guān).因此當(dāng)列車在隧道截面形狀變化過于劇烈的隧道內(nèi)運行時，應(yīng)該采取限速措施，速度應(yīng)該低于50 km/h.

圖4 不同車速下車內(nèi)壓力測點的壓力變化情況

受限于線路工況與列車實際運營要求，本次試驗車速最高為80 km/h，而新的城際客車車速可能要達(dá)到100～140 km/h，因此需要根據(jù)本次測試的結(jié)果擬合出該車在更高速度同等級運營條件下在隧道內(nèi)運行時車內(nèi)壓力變化情況.圖5是通過三次多項式擬合外推得到的車內(nèi)壓力3 s內(nèi)變化情況［3］，由圖5可見，當(dāng)列車速度達(dá)到120 km/h時，車內(nèi)壓力變化達(dá)到2 340 Pa/3 s，車內(nèi)舒適性指標(biāo)將不合格.

圖5 三次多項式擬合外推車內(nèi)壓力變化情況

3.3 車內(nèi)外壓力值變化關(guān)系研究

圖6是選取列車鼻尖處外部測點的壓力值與對應(yīng)的車內(nèi)部壓力測點壓力值.兩條曲線中上部曲線為列車鼻尖外部測點壓力變化值，下部曲線為列車鼻尖處對應(yīng)的內(nèi)部測點壓力變化值.由圖6可以看到，在該測點處車內(nèi)外壓力波動趨勢基本一致，可見車內(nèi)外壓力的波動是同相位的.提高車輛的密封性有助于降低車內(nèi)的壓力波動值［4］.

圖6 鼻部后面位置的列車-隧道-壓力特征

4 仿真分析結(jié)果分析

4.1 列車在隧道內(nèi)運行時壓力變化情況

本次分析，選取列車運行速度80 km/h.為了分析方便，本文選取列車的幾個特殊的時刻進(jìn)行分析，分別是列車車頭剛剛進(jìn)入隧道，列車完全進(jìn)入隧道，列車在隧道內(nèi)運行這幾個時刻.圖7(a)是列車車頭剛進(jìn)入隧道的情況，由圖可見，列車高速進(jìn)入隧道時，空氣流動受到隧道壁面的限制被阻滯，使列車前端靜止的壓力受到劇烈壓縮，所以列車進(jìn)入隧道時以及列車進(jìn)入隧道后列車頭部壓力繼續(xù)升高。列車前端的最大壓力高達(dá)1 550 Pa，比穩(wěn)態(tài)運行高出很多.圖7(c)是列車完全進(jìn)入隧道后壓力變化情況，此時車體表面的壓力分布很不均勻.中前部呈正壓狀態(tài)，而中后部則呈負(fù)壓狀態(tài)，且表面壓力變化較大。這與上文中實測結(jié)果壓力分布趨勢完全一致.圖7(d)是列車在隧道內(nèi)運行時形成的壓縮波與膨脹波，形成壓力波的原因是因為列車以較高速進(jìn)入隧道時，由于列車邊壁和隧道邊壁限制了空氣的側(cè)向流動和上下流動，從而使列車前方的空氣受到壓縮并隨列車向前移動，該處空氣產(chǎn)生壓力增量.增壓后的空氣又推動相鄰的靜止空氣向前運動，并產(chǎn)生壓力增量，這樣依次傳遞下去，在隧道內(nèi)形成了壓力擾動波陣面.該波陣面以聲速沿隧道向前傳播，波陣面前方的空氣流速為零，而波陣面后方的空氣以一定的流速隨列車沿隧道向前流動［5］.

圖7 列車過隧道壓力變化情況

研究發(fā)現(xiàn)仿真分析時列車隧道效應(yīng)更為明顯，這主要是由于本次測試時，受限于列車實際運營條件及線路距離，列車總是處于加速減速階段，不能長時間以較高速度運行，并且實際隧道很長;CFD計算可使列車保證任何期望的速度，但受限于計算規(guī)模，CFD計算時只能選取一段較短長度的隧道進(jìn)行計算.盡管如此，計算發(fā)現(xiàn)當(dāng)列車完全在隧道內(nèi)穩(wěn)定運行時，在頭尾部測點處，CFD仿真分析得到的測點數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)變化趨勢一致.并且實際中，此次仿真分析的結(jié)果對于線路實測布點有很好的指導(dǎo)作用.

5 結(jié)論

本文通過線路實測與仿真分析相結(jié)合，研究了地鐵車在隧道內(nèi)運行的壓力以及阻力的變化，得出以下結(jié)論:

(1)列車在隧道內(nèi)運行時，在列車頭型確定的前提下，車外的壓力分布趨勢主要取決于隧道形狀，在隧道截面變化處出現(xiàn)壓力峰值，壓力波動最為明顯.當(dāng)隧道截面頻繁變化時，車外壓力波動也會隨之頻繁變化，此時應(yīng)該對某些部件的結(jié)構(gòu)疲勞給予關(guān)注;

(2)列車在隧道內(nèi)運行時，車速對車內(nèi)壓力波動值影響很大，車速為80 km/h時車內(nèi)同一點的對應(yīng)的壓力最大最小值之差比車速為50 km/h大2.7倍;通過三次多項式擬合外推可得到該車在更高速度同等級運營條件下在隧道內(nèi)運行時車內(nèi)壓力變化情況;在列車相同位置內(nèi)外同一點處，車內(nèi)外壓力波動趨勢基本一致，提高車輛的密封性有助于降低車內(nèi)的壓力波動值;

(3)當(dāng)列車完全進(jìn)入隧道后在隧道內(nèi)穩(wěn)定運行時，數(shù)值計算與線路實測得到的車表面壓力分布規(guī)律基本吻合;

(4)隨著地鐵車速的進(jìn)一步提高，對于列車本身來講，為降低列車在隧道內(nèi)的運行阻力以及車內(nèi)外壓力波動，需從源頭做起，即設(shè)計新的流線型頭型，保證全車的密封性［6］.

［1］WILLEMSEN E.High Reynolds number wind tunnel experiments on trains［J］.Journal of wind engineering and industrial aerodynamics，1997，69:437-447.

［2］武青海.列車空氣動力學(xué)數(shù)值仿真研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2002，23(4):132-138.

［3］田紅旗.列車空氣動力學(xué)［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［4］王福軍.計算流體動力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［5］北京交通大學(xué)城市軌道交通研究中心.［J］.長區(qū)間隧道與快速運營造成的影響［R］.北京:北京交通大學(xué)，2002.

［6］JOSEPH A SCHETZ.高速列車空氣動力學(xué)［J］.力學(xué)進(jìn)展，2003，33:404-423.