地鐵列車通過隧道時的氣動性能研究*

徐世南 張繼業(yè) 熊 駿 孟 添

(西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室,610031,成都//第一作者,碩士研究生)

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地鐵列車通過隧道時的氣動性能研究*

徐世南 張繼業(yè) 熊 駿 孟 添

(西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室,610031,成都//第一作者,碩士研究生)

列車通過隧道時引起的空氣動力效應(yīng)會對列車運行的安全性、乘客乘坐的舒適性等產(chǎn)生不良影響。基于列車空氣動力學(xué)理論,采用計算流體力學(xué)軟件FLUENT對某型號地鐵車輛通過最不利長度隧道時的空氣動力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬,得到并分析了地鐵列車和隧道壁面監(jiān)測點的壓力時程曲線和分布特征。研究表明:車體表面壓力峰峰值、3 s內(nèi)車內(nèi)壓力波動最大值及隧道內(nèi)附屬物壓力峰峰值，與列車速度的平方近似成線性關(guān)系;隧道斷面凈空面積越小,車體承受的壓力越大;地鐵列車通過隧道時需限速,以達(dá)到人體舒適性評價標(biāo)準(zhǔn)。

地鐵列車; 隧道; 空氣動力效應(yīng); 壓力時程曲線

Author′s address Traction Power State Key Laboratory,Southwest Jiaotong University,610031,Chengdu,China

列車通過隧道時,會引起隧道內(nèi)和車體內(nèi)外空氣壓力急劇變化,引起出口微氣壓波、列車風(fēng)等空氣動力效應(yīng),這將會對列車運行的安全性、乘客乘坐的舒適性等產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此,各國學(xué)者對列車隧道耦合空氣動力學(xué)問題進(jìn)行了比較深入的研究。

文獻(xiàn)[1-2]研究了高速列車通過隧道時產(chǎn)生的微壓波和瞬態(tài)壓力;文獻(xiàn)[3]研究了高速列車通過大長隧道時如何減輕空氣阻力和水波特性;文獻(xiàn)[4-7]開展了許多實車或模型試驗,得到列車隧道耦合空氣動力學(xué)數(shù)據(jù);文獻(xiàn)[8]對列車通過隧道時隧道壁面、車體表面和車廂內(nèi)部的耦合關(guān)系做了研究;文獻(xiàn)[9-10]研究了高速動車組的隧道壓力波特性;文獻(xiàn)[11]研究了車速、隧道長度等對隧道洞口微氣壓波的影響;文獻(xiàn)[12]進(jìn)行了地鐵列車隧道內(nèi)運行的氣動力學(xué)試驗與仿真。

我國城市軌道交通建設(shè)速度很快,但是,地鐵列車在隧道尤其是在最不利長度隧道內(nèi)行駛的相關(guān)研究文獻(xiàn)較少,很多研究主要局限于空氣動力效應(yīng)的某單一方面分析。此外,由于地鐵列車頭部為鈍型,且地鐵隧道界面遠(yuǎn)小于高鐵隧道;因此,雖然地鐵列車行駛速度不高,但空氣動力學(xué)效應(yīng)明顯,會產(chǎn)生很多不良影響。如地鐵列車前方空氣受到壓縮而劇烈波動形成壓力波,則當(dāng)車內(nèi)壓力波動超過一定值后會使乘客產(chǎn)生耳膜疼痛[13-14]。所以,對地鐵列車通過最不利長度隧道時的氣動性能進(jìn)行研究非常重要。本文采用數(shù)值模擬,對某型號國產(chǎn)地鐵車輛在不同車速下通過對應(yīng)的最不利長度的隧道進(jìn)行了三維模擬,分析了地鐵車輛車內(nèi)外壓力和壁面壓力,對地鐵車輛安全性進(jìn)行了分析并給出相關(guān)建議。

1 計算模型和網(wǎng)格劃分

1.1 數(shù)學(xué)模型

地鐵列車快速通過隧道時引起周圍空氣的流動是粘性、可壓縮、非定常的三維湍流流動,它需要遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律這三大定律[15]。通過求解三維瞬態(tài)可壓縮的雷諾時均N-S和k-ε兩個方程湍流模型獲得列車通過隧道時底板的氣動壓力，其控制方程的運輸方程[16]形式為:

式中:

t——列車運行時間;

φ——流場通量;

u——流場速度矢量;

ut——列車運動速度矢量;

ρ——擴(kuò)散系數(shù);

S——源項。

1.2 幾何模型

列車計算模型采用某國產(chǎn)地鐵車輛,列車為6節(jié)編組,即頭車、尾車和4節(jié)中間車。頭、尾車長度均為21.26 m,中間車長度為20.00 m,列車總長為122.52 m,車寬為2.80 m,車高為2.92 m,地鐵車輛最大橫斷面面積為8.51 m2;忽略車體外部復(fù)雜結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),如受電弓、轉(zhuǎn)向架等。列車幾何模型如圖1所示。

圖1 列車幾何模型示意圖

1.3 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

隧道計算模型采用某城市快速軌道交通線工程中的兩種矩形斷面的單線隧道:一種隧道高為5.876 m，寬為4.4 m,隧道斷面凈空面積為26.15 m2,標(biāo)記為TB隧道;另一種隧道高為4.676 m，寬為4.4 m，隧道斷面凈空面積為22.23 m2,標(biāo)記為TS隧道。

列車隧道通過計算區(qū)域如圖2所示。整個計算區(qū)域長Lt+692 m(Lt為最不利隧道長度)、寬120 m、高60 m,列車初始位置距離隧道入口50 m。圖中Lv為地鐵車輛長度。由文獻(xiàn)[17]可知,當(dāng)列車速度分別為120、110、100、90、80 km/h時,對應(yīng)的最不利隧道長度分別為990、1 035、1 100、1 165和1 250 m。

圖2 列車隧道通過計算區(qū)域

流場邊界條件的具體設(shè)置如圖3所示。外流場邊界A、B、C、D為壓力出口邊界條件,交界處F、E為Interface邊界條件,地面、隧道壁面和隧道進(jìn)出口面G、H按光滑壁面處理,給定無滑移邊界條件。

圖3 列車-隧道流場邊界圖

采用網(wǎng)格劃分工具ICEM CFD劃分網(wǎng)格,固定區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。由于高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,因此移動區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

1.4 壓力測點分布

為了研究列車在通過隧道過程中車體表面壓力波的變化,分別在頭車、中間車、尾車表面取如圖4所示的壓力測點。其中,測點head1、tail1位于頭車和尾車鼻尖處,測點head2、tail2位于頭車和尾車擋風(fēng)玻璃處,測點head3、tail3位于頭車和尾車側(cè)翼處,head4、mid1、mid4、tail4分別位于列車頭、中、尾車側(cè)面車窗處,head5、head6、mid2、mid3、mid5、mid6、tail5、tail6分別位于列車頭車、中車、尾車的車頂及車底。

以990 m長隧道為例介紹隧道測點布置。測點在列車近壁面處位于高度3 m、離車體0.6 m位置:在隧道內(nèi)距離隧道入口和出口10、20、50 m處各布置3個測點,在隧道內(nèi)中間位置和中間位置兩側(cè)100 m處布置3個測點,測點示意圖和測點名稱如圖5所示。

圖4 測點分布示意圖

圖5 990 m長隧道測點分布示意圖

2 計算結(jié)果分析

分別計算地鐵列車以速度120、110、100、90、80 km/h通過TB隧和TS隧道時各測點的壓力,得到各測點壓力隨時間變化的曲線。

2.1 計算結(jié)果驗證

為驗證計算模型和計算方法的正確性,將數(shù)值計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。實測數(shù)據(jù)是列車以350 km/h速度通過線間距為5.0 m,長度為2 989 m的復(fù)線隧道時某型號高速列車某車窗測點的壓力時程曲線。實車試驗與數(shù)值計算壓力時程曲線如圖6所示。由圖6可以看出:壓力波動規(guī)律基本一致,波峰、波谷、峰峰值誤差都比較小,所以,數(shù)值計算基本滿足計算精度。

列車表面壓力變化都是受到馬赫波傳播的影響,所以各個監(jiān)測點壓力的變化規(guī)律相同。以120 km/h速度的地鐵列車通過TB隧道時頭車側(cè)面車窗處的測點為例,分析其壓力變化與馬赫波的關(guān)系,如圖7所示。

圖6 列車某車窗測點壓力時程曲線

根據(jù)隧道內(nèi)瞬態(tài)壓力形成機(jī)理,列車頭部進(jìn)入隧道產(chǎn)生壓縮波,尾部進(jìn)入隧道產(chǎn)生膨脹波,這兩種波在隧道口會產(chǎn)生反射。當(dāng)列車前行時,列車頭車鼻尖處監(jiān)測點首先遇到①處的膨脹波,此時壓力開始下降；隨著列車前行,該處監(jiān)測點遇到②處的膨脹波,壓力再次減??；之后遇到③處的壓縮波,監(jiān)測點壓力開始增加；之后,隨著監(jiān)測點遇到不同位置處的壓縮波和膨脹波,監(jiān)測點處壓力相應(yīng)增大和減小。由此可見,該監(jiān)測點壓力變化趨勢滿足波的傳播理論,驗證了計算模型規(guī)律的正確性。

2.2 車體表面壓力幅值分析

地鐵列車以120 km/h速度通過TS和TB兩種隧道時,列車車頭側(cè)面車窗測點(head4)的壓力分布如圖8所示。從圖9可以看出,列車以相同速度通過兩種隧道截面時的壓力變化曲線的變化規(guī)律一致；通過TS隧道承受的壓力正峰值、負(fù)峰值以及峰峰值均比TB隧道的大。這是因為當(dāng)列車橫截面積一定時,隧道凈空面積越小,其阻塞比越大,列車承受的壓力波動越大。因此,隧道截面越小,車體壁面壓力峰值及幅值越大。

圖7 地鐵列車頭車鼻尖監(jiān)測點壓力變化過程

圖8 地鐵列車以120 km/h車速通過990 m長

以地鐵列車以120 km/h速度通過990 m長TB隧道情況為例,頭車、中間車和尾車的各個測點壓力變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可知,當(dāng)列車進(jìn)入隧道時,列車前端及周圍空氣受到隧道壁面的約束,使列車前端的空氣受到劇烈壓縮,空氣壓力驟然增加;隨著列車逐漸進(jìn)入隧道,壓力繼續(xù)增加,但幅度稍平緩,直到整列車完全進(jìn)入隧道。最大正壓位于頭車鼻尖處,達(dá)到1 600 Pa;負(fù)壓較大位置位于尾車側(cè)翼處,出現(xiàn)在中間時刻，達(dá)到1 227 Pa。此外,非流線型部位各測點的壓力峰峰值差別不大。列車測點的波動是由于列車在隧道中運行時會遇到壓縮波和膨脹波,前者導(dǎo)致壓力增加,后者使壓力減小;隨著壓縮波和膨脹波在隧道內(nèi)不斷反射及改變,會逐漸減弱,因此波動幅度逐漸減小。

以頭車鼻尖處測點(head1)為例,分析其在不同車速下,分別通過TS和TB兩種隧道時,測點壓力峰峰值與速度情況,如圖10所示。由圖10可知,在相同速度下通過TS隧道的壓力幅值大于TB隧道;對于同一隧道而言,列車運行速度越大,壓力幅值越大,且壓力幅值與速度平方近似成線性關(guān)系。通過曲線擬合可得:當(dāng)?shù)罔F列車通過TS隧道時,y=0.08x2.13,其相關(guān)性系數(shù)為0.98;地鐵列車通過TB隧道時,y=0.06x2.12,其相關(guān)性系數(shù)為0.99。

圖9 地鐵列車以120 km/h速度通過990 m長TB隧道壓力波動

圖10 不同速度下車體表面壓力幅值

2.3 車內(nèi)壓力幅值分析

地鐵列車通過單線隧道時車內(nèi)壓力的變化率與車內(nèi)外壓差成正比,其表達(dá)式[8]為:

式中:

Pout——車外壓力;

Pin——車內(nèi)壓力;

τ——密封指數(shù),參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn),對于地鐵車輛而言,一般選取τ=0.5 s。

根據(jù)數(shù)值仿真的車外壓力和上式對車內(nèi)壓力進(jìn)行數(shù)值求解。當(dāng)求解車內(nèi)壓力時,選取車外壓力的參考點為頭車側(cè)面車窗附近,以120 km/h速度等級通過990 m長隧道時內(nèi)外壓力波動情況為例,如圖11所示。由圖11可知,由于車體的密封性能夠緩解和滯后壓力變化,因此車內(nèi)壓力的波動稍有滯后且小于車外的壓力波動;車內(nèi)壓力波動最大幅值和3 s內(nèi)車內(nèi)壓力波動最大值均為1 215 Pa。

圖11 地鐵列車通過990 m長隧道時車內(nèi)外壓力波動情況

根據(jù)人體舒適性評判標(biāo)準(zhǔn),列車通過單線隧道時車內(nèi)壓力波動應(yīng)該小于等于800 Pa/3 s[18],所以不同車速下對應(yīng)的車內(nèi)壓力波動最大值示意圖如圖12所示。根據(jù)評判規(guī)則,在密封指數(shù)為0.5 s時,該地鐵列車在通過TB與TS隧道時,車速要分別小于100 km/h和90 km/h,才符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖12 列車通過隧道時不同速度下3 s內(nèi)車內(nèi)壓力

通過曲線擬合,可得列車通過隧道時3 s內(nèi)車內(nèi)壓力波動最大值與速度平方近似呈線性關(guān)系:當(dāng)列車過TS隧道時,y=0.77x2.08,其相關(guān)性系數(shù)為0.98;列車通過TB隧道時,y=0.68x2.04,其相關(guān)性系數(shù)為0.99。

2.4 隧道內(nèi)附屬物壓力波動分析

地鐵列車以120 km/h速度等級通過990 m長TB隧道時,隧道內(nèi)不同位置處的壓力波動情況如圖13所示。

由圖13可知,當(dāng)列車頭部剛進(jìn)入隧道的時候,產(chǎn)生的初始壓縮波到達(dá)測點處,測點壓力值急劇增加,隨著列車逐漸進(jìn)入隧道,壓力也逐漸增加,然后當(dāng)壓縮波到達(dá)隧道出口后,部分以膨脹波的形式反射回來,且列車尾部進(jìn)入隧道時也會產(chǎn)生膨脹波,可使壓力減小;當(dāng)列車頭部經(jīng)過測點時,壓力會上升直到列車尾部經(jīng)過,之后測點的壓力就會隨著壓力波在隧道內(nèi)的傳播而不斷變化。最大正壓力為1 000 Pa,出現(xiàn)在入口處;最大負(fù)壓為700 Pa,出現(xiàn)在中間測點處。

以隧道中間處壁面監(jiān)測點(in-496)的壓力峰峰值為例,做出速度與壓力峰峰值的關(guān)系圖,如圖14所示。由圖14可知,隧道壁面壓力峰峰值近似與地鐵列車速度平方呈正比。通過曲線擬合可得:當(dāng)列車通過TS隧道時,y=0.078x2.03,其相關(guān)性系數(shù)為0.99;列車通過TB隧道時;y=0.065x2.02,其相關(guān)性系數(shù)為0.99。

圖14 列車以不同速度通過隧道時隧道壁面壓力峰峰值

3 結(jié)論

本文通過計算流體力學(xué),利用滑移網(wǎng)格技術(shù)對列車在隧道內(nèi)底板壓力的氣動性能進(jìn)行研究,得到如下結(jié)論:

(1) 該型號地鐵車輛通過隧道時,最大正壓位于頭車鼻尖處,頭車和尾車側(cè)翼處負(fù)壓較大,非流線型部位各測點的壓力峰峰值差別不大。

(2) 列車在隧道中行駛時,在速度相等的條件下,隧道斷面凈空面積越小,車體承受的壓力正峰值、負(fù)峰值以及峰峰值越大。

(3) 為達(dá)到人體舒適性評價指標(biāo),該型號地鐵車輛在通過大斷面隧道和小斷面隧道時,建議車速應(yīng)分別滿足100 km/h和90 km/h的限速。

(4) 地鐵列車通過隧道時,車體表面壓力峰峰值、3 s內(nèi)車內(nèi)壓力波動最大值、隧道內(nèi)附屬物壓力峰峰值與列車速度的平方近似成線性關(guān)系。

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Aerodynamic Performance of Metro Vehicle Passing Through Tunnels

XU Shinan, ZHANG Jiye, XIONG Jun, MENG Tian

The aerodynamic effect induced by a train when entering a tunnel has negative influence on the train running safety and passengers' comfort. Based on aerodynamics, the pressure temporal curves and pressure distribution characteristics of metro vehicle and long tunnels are analyzed according to the numerical simulation with software FLUENT. The results show that the amplitude of pressure on the carbody, the maximum of internal pressure fluctuation during three seconds, the peak-to-peak pressure value of ancillary facilities in tunnels are approximately proportional to the square of car speed. In addition, the smaller the tunnel cross-section area is, the lager pressure that the carbody has to bear. In order to satisfy the standard requirements of human body comfort, the train speed should be constrainted when the metro vehicle is running in tunnels.

metro train; tunnel; aerodynamic effect; pressure temporal curve

*高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金資助項目(U1234208);國家自然科學(xué)基金面上項目(51475394);牽引動力國家重點實驗室自主課題(2016TPL_T02)

V 211

10.16037/j.1007-869x.2016.09.021

2014-11-07)