隧道內(nèi)列車活塞風效應數(shù)值模擬分析

崔景東 李 炎 劉炎舉 黃帥帥

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隧道內(nèi)列車活塞風效應數(shù)值模擬分析

崔景東 李 炎 劉炎舉 黃帥帥

（蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院 蘭州 730070）

隨著長及特長單線鐵路隧道的大量修建，利用列車活塞風改善隧道內(nèi)空氣質(zhì)量，降低隧道通風能耗已成為可能。采用數(shù)值模擬方法以英國Patchway隧道作為物理模型，利用Flunet17.0軟件建立相應動網(wǎng)格模型。模擬計算獲得的活塞風速平均值與實測值吻合度較好，表明該模擬方法準確性較高。在此基礎(chǔ)上，改變行車速度，對隧道內(nèi)列車活塞風效應做系列模擬計算。研究結(jié)果表明：以patchway隧道和列車數(shù)據(jù)為基本參數(shù)，列車行車速度每增加5m/s，平均活塞風速約以19.48%遞增，平均增壓約以50%左右遞增，表明列車行車車速與活塞風速、風壓存在正相關(guān)關(guān)系。該研究可為工程上列車活塞風效應估算提供借鑒。

隧道；活塞風效應；數(shù)值模擬

0 引言

列車在隧道內(nèi)運行時引起活塞風屬自然通風范疇。隨著國內(nèi)長及特長單線鐵路隧道和城市地鐵大量修建，合理利用活塞風改善隧道內(nèi)空氣質(zhì)量，降低單線隧道通風能耗成為可能。

國內(nèi)外學者對活塞風相關(guān)問題已有一定研究。研究內(nèi)容主要涉及兩方面，一是列車在不同運行狀態(tài)下（會車、駛向救援站等）活塞風變化情況[1,2]，二是不同行車速度下列車活塞風速及風壓變化規(guī)律[3-8]。研究方法主要是數(shù)值模擬法，本文也采用數(shù)值模擬方法研究隧道內(nèi)列車活塞風效應，通過將模擬計算活塞風速平均值與實測值相對比，驗證計算方法正確性。在此基礎(chǔ)上，模擬不同列車速度在隧道內(nèi)運行，對活塞風速和風壓變化規(guī)律。

1 數(shù)值模擬計算相關(guān)內(nèi)容

1.1 數(shù)學模型

列車在隧道中運行時，隧道內(nèi)部流場會發(fā)生復雜變化。為方便計算，本文對計算模型在滿足條件基礎(chǔ)上做合理簡化[9]：①隧道內(nèi)風流視為不可壓流動；②隧道內(nèi)流體流動狀態(tài)為湍流；③假定隧道內(nèi)壁面絕熱，且流體具有同向性紊流粘性，滿足Boussinesq假設(shè)；④列車在隧道內(nèi)部勻速行駛。因假定列車在隧道內(nèi)運行時所產(chǎn)生流動為不可壓縮流動，所以本文紊流模型采用標準-雙方程模型。流動同時滿足以下方程[10]。

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

方程：

1.2 物理模型

英國patchway隧道有實測數(shù)據(jù)，故本文模擬計算物理模型根據(jù)patchway隧道建立。英國patchway隧道和列車基本參數(shù)見表1[11]。為簡化計算，使用Gambit6.3.26軟件建立二維縱截面模型時，將隧道和列車均簡化為矩形。列車由洞外駛?cè)攵磧?nèi)，隧道內(nèi)部監(jiān)測點距隧道入口150m。

表1 Patchway隧道和列車基本參數(shù)

1.3 網(wǎng)格劃分及動網(wǎng)格設(shè)定

模型計算區(qū)域劃分見圖1。圖1中包含7個計算區(qū)域，各區(qū)域名稱見表2。

根據(jù)各區(qū)域流動特點，分別做網(wǎng)格劃分。區(qū)域6流場變化劇烈，該部分網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量多；區(qū)域4和區(qū)域7靠近列車部分網(wǎng)格較密，遠離列車部分較稀；區(qū)域2和區(qū)域5，采用標準-雙方程模型中默認壁面函數(shù)法，靠近隧道壁面粘性底層厚度不超過第一個網(wǎng)格寬度[3]；區(qū)域1和區(qū)域3對模擬計算結(jié)果影響不大，這兩部分網(wǎng)格稀疏。

圖1中動網(wǎng)格區(qū)域4，6，7與靜止網(wǎng)格區(qū)域2，5之間通過滑移網(wǎng)格交界面進行連接；列車和區(qū)域6為剛體運動，具體運動方式通過UDF進行編譯，將速度值賦給列車壁邊和區(qū)域6前后兩條邊；區(qū)域4和區(qū)域7中空氣隨列車運動而運動，故屬于變形運動。

圖1 模型計算域劃分圖

表2 各區(qū)域名稱

1.4 邊界條件

如圖1所示，物理模型取Patchway隧道相同邊界條件，區(qū)域1和區(qū)域3分別采用壓力進口邊界和壓力出口邊界；區(qū)域4，6，7和區(qū)域2，5之間采用滑移網(wǎng)格交界面，以模擬列車運動狀況；列車壁邊設(shè)為wall邊界，取列車速度；隧道壁邊設(shè)為wall邊界；其余邊界采用默認wall邊界。

1.5 其他相關(guān)參數(shù)設(shè)定

實際隧道和列車壁面并不是光滑，在Fluent17.0軟件中應進行相應設(shè)定，相關(guān)參數(shù)具體取值參照英國patchway隧道和列車，見表3。

表3 Patchway隧道和列車表面參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

列車從距離隧道入口35m處出發(fā)，監(jiān)測點設(shè)于距隧道入口150m，列車分別以25m/s、30m/s和35m/s在隧道內(nèi)運行。

2.1 活塞風模型計算驗證

圖2 列車活塞風速模擬平均值與實測平均值

本次模擬計算列車行車速度為35m/s，與實際車速相同。列車活塞風速模擬平均值與實測平均值，在圖2所示。

由圖2中得出：

（1）模擬列車活塞風平均值與實測值吻合度較好，說明本文模擬計算方法正確計算結(jié)果可靠度高；

（2）列車車尾經(jīng)過測點后活塞風速趨于穩(wěn)定；

（3）根據(jù)列車運行時間，可以將活塞風速變化狀況分為三個階段：車頭未過測點階段（=0～4.0s）、車身經(jīng)過測點階段（=4.0～9.9s）、車尾過測點后階段（=9.9～31.5s）。

將每個階段活塞風平均值與實測值做對比，結(jié)果見表4。

表4 各階段模擬與實測活塞風平均值相對差

表4中結(jié)果表明：

（1）第三階段吻合度最好，這個階段也是隧道中利用活塞風通風主要階段，此處也再次證明本文模擬計算可靠性；

（2）第一、二階段屬活塞風發(fā)展階段，未達到穩(wěn)定，波動性較大（因測點距隧道入口150m處），故相對差較大。

2.2 活塞風速變化規(guī)律

列車分別以25m/s、30m/s和35m/s在隧道中運行，模擬計算得到平均活塞風速隨時間變化情況見圖3。

圖3 平均活塞風速隨時間變化曲線

因本文主要研究第三階段，即車尾過測點后階段（活塞風穩(wěn)定階段），將該階段活塞風平均值列入表5中。

表5 不同車速活塞風速平均值對比

由圖3及表5可以得出：

（1）列車在不同速度下運行時，平均活塞風速隨時間變化曲線趨勢完全相同；

（2）隨著列車行車速度提高，平均活塞風速也隨之增大；

（3）以表1和表3數(shù)據(jù)為基本參數(shù)，模擬計算得到平均活塞風速存在于列車速度如表5中所表達百分比關(guān)系，取平均值，1/0約為49.43%；

（4）以表1和表3數(shù)據(jù)為基本參數(shù)，0每增加5m/s，模擬計算得到平均活塞風速約以19.48%（以0=25m/s時1為基準）遞增。

2.3 活塞風壓變化規(guī)律

活塞風壓是活塞風壓源，其大小決定活塞風速大小。為保證風壓穩(wěn)定性，本文選取了列車車頭到達隧道內(nèi)部250m、500m、750m和1000m處模擬結(jié)果，研究活塞風壓變化規(guī)律。隧道內(nèi)不同位置處壓力云圖見圖4。

活塞風壓，即活塞風增壓，一般由隧道內(nèi)車頭和車尾壓力絕對值疊加得到（車頭為正壓，車尾為負壓）。不同車速條件下活塞風增壓平均值見表6。

表6 不同車速條件下活塞風增壓平均值

由圖4和表6可以得出：

（1）不同行車速度下，活塞風壓變化規(guī)律相似；

（2）不同行車速度下，活塞風壓在250m處增壓較大，這表明距隧道入口越近，活塞風增壓受其他條件（如隧道入口壓力波）影響較大；距隧道入口越遠，活塞風增壓逐漸趨于穩(wěn)定；

（3）總體來說，表6中不同列車速度下活塞風增壓波動性較大；對表6中不同行車速度下增壓做平均，0每增加5m/s，模擬計算得到平均增壓約以50%左右遞增（以表1和表3數(shù)據(jù)為基本參數(shù)）。

3 結(jié)論和建議

通過對模擬計算結(jié)果分析，本文給出如下結(jié)論和建議：

（1）本文以英國Patchway隧道為物理模型進行數(shù)值模擬，通過計算值與實測值對比表明本文計算方法正確，計算結(jié)果可靠性高；

（2）隨著列車行車速度提高，平均活塞風速和風壓呈增大趨勢；

（3）以表1和表3數(shù)據(jù)為基本參數(shù)，0每增加5m/s，平均活塞風速約以19.48%遞增，平均增壓約以50%左右遞增；

（4）根據(jù)結(jié)論3，以國內(nèi)常見單線隧道和列車參數(shù)為基本參數(shù)，通過系列計算，可以建立活塞風速和增壓相應數(shù)據(jù)庫，為工程上估算活塞風速和風壓提供借鑒。

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Numerical Simulation Analysis of the Effect of Piston Wind on Train in Tunnel

Cui Jingdong Li Yan Liu Yanju Huang Shuaishuai

( School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou, 730070 )

With the extensive construction of long and long single-track railway tunnels, it has become possible to use piston winds to improve the air quality in tunnels and reduce the ventilation energy consumption of tunnels. This paper adopts the numerical simulation method to use the British patchway tunnel as the physical model, and uses Flunet17.0 software to establish the corresponding dynamic grid model. The simulation results show that the average value of the piston wind speed agrees well with the measured value, which indicates that the accuracy of the simulation method is higher.Based on this, change the speed of the train and do a series of simulation calculations on the effects of the piston wind on the tunnel.The research results show that with patchway tunnel and train data as the basic parameters, the average speed of the piston increases by approximately 19.48% for every 5 m/s of the speed of the train, and the average boost increases by approximately 50%, indicating that the train speed and the piston wind speed There is a positive correlation between wind pressure and wind pressure. The research in this paper can provide reference for estimating the piston wind effect of trains in engineering.

tunnel; piston wind effect; numerical simulation

U459.1

A

1671-6612（2019）02-188-05

崔景東（1993.2-），男，碩士，E-mail：1045263100@qq.com

2018-06-19