諧振腔結(jié)構(gòu)減緩高速磁浮列車隧道出口微氣壓波研究

宋軍浩，姚拴寶，陳大偉，丁叁叁，楊明智

1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111 2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長沙 410075

3.中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410075

0 引 言

高速磁浮列車?yán)秒姶帕朔亓Γ沽熊噾腋≡趯?dǎo)軌上，采用直線電機(jī)無接觸導(dǎo)向驅(qū)動控制技術(shù)，突破傳統(tǒng)輪軌列車黏著系數(shù)和振動噪聲的限制，運(yùn)行速度可達(dá) 600 km/h 以上。更高的運(yùn)行速度帶來了更嚴(yán)峻的空氣動力學(xué)問題，當(dāng)高速列車由明線進(jìn)入隧道，前方空氣在隧道內(nèi)壁面和列車車體形成的環(huán)狀空間內(nèi)被壓縮，產(chǎn)生壓力波作用在車體上，嚴(yán)重影響列車安全和乘客舒適度。壓縮波在隧道出口輻射產(chǎn)生的微氣壓波可能會對周圍的建筑玻璃及居民產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時還會產(chǎn)生爆破噪聲[1-2]。

目前對列車-隧道耦合空氣動力學(xué)的研究主要集中在高速輪軌列車方面。國內(nèi)外研究表明，隧道出口微氣壓波幅值與列車進(jìn)入隧道時產(chǎn)生的初始壓縮波及其傳播過程中由物理能量耗散和非線性效應(yīng)引起的出口壓力梯度有關(guān)。降低微氣壓波的基本思路主要在列車和隧道兩方面：一是優(yōu)化列車車體斷面面積或頭型流線[3-6]；二是優(yōu)化隧道入口形狀和在隧道內(nèi)設(shè)置豎井等緩沖結(jié)構(gòu)。Saito 等[7]基于聲學(xué)理論研究了兩級階梯緩沖入口截面面積比和開孔率對壓力梯度的影響。陶偉明[8]對隧道入口喇叭口、直線斜切截面、等截面、擴(kuò)大截面等目前已有的微氣壓波減緩措施進(jìn)行了深入分析，得到多種微氣壓波減緩措施聯(lián)合作用下的減緩效果。王田天等[9]采用數(shù)值模擬和動模型試驗(yàn)研究了隧道出口斷面擴(kuò)大斜切式緩沖結(jié)構(gòu)的尺寸、開孔數(shù)等參數(shù)對隧道出口微氣壓波的減緩特性，最優(yōu)減緩率達(dá)70.9%。史憲明等[10]利用數(shù)值模擬對高速鐵路隧道外流場進(jìn)行了分析，基于隧道入口、隧道中部及隧道出口監(jiān)測點(diǎn)壓力梯度值的變化，得到隧道出口微氣壓波與套襯尺寸特征參數(shù)的比例關(guān)系。張童童等[11]提出了一種內(nèi)置式階梯型緩沖結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：當(dāng)緩沖結(jié)構(gòu)布置在距離隧道入口上游60 m 處、擴(kuò)張形式為三向擴(kuò)張、長度30 m、截面積150 m2時，對壓力梯度的減緩效果為24.7%。閆亞光等[12]基于氣動聲學(xué)理論，對隧道入口的喇叭口型緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，發(fā)現(xiàn)壓力梯度隨緩沖結(jié)構(gòu)長度增大而減小，該結(jié)構(gòu)可降低壓力梯度峰值63.9%。李文輝等[13]對變截面隧道和典型緩沖結(jié)構(gòu)對氣動效應(yīng)的減緩效果進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析了2 種結(jié)構(gòu)對隧道壓力波和微氣壓波的減緩效果。

目前，我國常溫常導(dǎo)高速磁浮列車設(shè)計速度高達(dá)600 km/h，首套高速磁浮系統(tǒng)已在青島成功下線。高速條件下引發(fā)的列車隧道氣動效應(yīng)更加嚴(yán)峻。梅元貴等[14]采用三維數(shù)值模擬方法研究了隧道入口有/無設(shè)置開口型緩沖結(jié)構(gòu)時的微氣壓波特征，得到開口型緩沖結(jié)構(gòu)和豎井結(jié)構(gòu)減緩微氣壓波的臨界隧道長度分別為33 和34 km。張潔等[15]研究了隧道出口緩沖結(jié)構(gòu)對600 km/h 高速磁浮列車通過隧道的初始壓縮波梯度和微氣壓波幅值的減緩作用，分析了緩沖結(jié)構(gòu)長度對微氣壓波幅值的影響。

目前對速度600 km/h 的高速磁浮列車空氣動力學(xué)問題研究較少。本文在已有研究基礎(chǔ)上，針對高速磁浮列車通過隧道時的出口微氣壓波問題，提出一種在隧道冗余空間使用諧振腔陣列結(jié)構(gòu)的緩沖裝置，采用三維、非定常、可壓縮N-S 方程和SST k-ω 湍流模型，結(jié)合重疊網(wǎng)格技術(shù)對高速磁浮列車通過帶有不同諧振腔結(jié)構(gòu)隧道的出口微氣壓波進(jìn)行數(shù)值模擬，分析諧振腔結(jié)構(gòu)對隧道出口微氣壓波的減緩效果，并采用動模型試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 計算模型

如圖1 所示，高速磁浮列車模型采用實(shí)車3 編組列車真實(shí)外形，由頭車 + 中間車 + 尾車組成，全長81.2 m，高4.2 m，寬3.7 m。車體表面平順化，無凸出附屬結(jié)構(gòu)，風(fēng)擋簡化為全包風(fēng)擋。

圖1 高速磁浮列車計算模型Fig.1 High-speed maglev train model

隧道模型采用T 形軌道梁的單線隧道。隧道長度400 m、凈空截面積80 m2，隧道內(nèi)距離隧道入口20 m 處開始沿隧道長度方向布置諧振腔結(jié)構(gòu)，如圖2（a）、（b）所示。當(dāng)聲波傳至隧道與諧振腔構(gòu)成的空間時，在諧振腔的聲阻耗損作用下消耗一部分能量，從而達(dá)到消聲目的[16-18]。為盡量減小對隧道阻塞比的影響，腔體緊貼隧道內(nèi)壁設(shè)置。諧振腔傳播模型如圖2（c）所示，連接管橫截面積S、連接管長度L、腔室體積V 等參數(shù)決定了腔室的固有頻率（連接管直徑d=0.56 m，對應(yīng)橫截面積S=0.25 m2；連接管長度L=0.4 m），不同的腔室體積V 對應(yīng)不同的固有頻率。對2 種方案的諧振腔陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬對比：方案1 采用不同腔室體積混合組合，腔室體積V 范圍在17.9～111.9 m3之間；方案2 采用相同的腔室體積（V=36.5 m3）。2 種方案下，400 m 長度隧道內(nèi)的腔體數(shù)量分別為28 和47 個。

圖2 隧道內(nèi)諧振腔結(jié)構(gòu)Fig.2 Resonators in the tunnel

1.2 計算域及邊界條件

采用對流場進(jìn)行分區(qū)的重疊網(wǎng)格法來模擬高速磁浮列車通過隧道產(chǎn)生的壓力波問題。將計算區(qū)域劃分為背景區(qū)域（包含整個求解域）和重疊區(qū)域（包含運(yùn)動對象），實(shí)現(xiàn)列車與隧道的相對運(yùn)動和數(shù)據(jù)交互，其精度和可信度在列車空氣動力學(xué)研究中已得到認(rèn)可[19-20]。列車駛?cè)胨淼狼傲鲌龀浞职l(fā)展，隧道出、入口大氣區(qū)域長度設(shè)為250 m，車頭距離隧道入口約100 m，如圖3 所示。計算域大氣外場出、入口設(shè)置為無反射邊界條件，車體設(shè)置為無滑移壁面邊界條件。

圖3 計算區(qū)域Fig.3 Computational domain

1.3 網(wǎng)格劃分

在商業(yè)軟件STAR-CCM+中，采用Trimmed網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行體網(wǎng)格劃分（圖4）。車體面網(wǎng)格尺寸為0.05 m，表面設(shè)置為無滑移壁面，壁面邊界層設(shè)置為10 層，增長比1.2，第一層網(wǎng)格厚度y+在100～150 之間。對列車和隧道的運(yùn)行空間及隧道內(nèi)諧振腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，體網(wǎng)格總量約3 500 萬。

圖4 計算模型體網(wǎng)格Fig.4 Volume mesh of simulation model

采用三維、非定常、可壓縮N-S 方程和SST k-ω 湍流模型進(jìn)行流場求解，時間步長0.001 1 s，每個計算步內(nèi)迭代15 次。

1.4 測點(diǎn)布置

為研究諧振腔結(jié)構(gòu)對隧道內(nèi)壓力波和隧道出口微氣壓波的影響，在隧道一側(cè)壁面和隧道出口位置設(shè)置測點(diǎn)。在隧道內(nèi)壁面每隔50 m 設(shè)置一個壓力測點(diǎn)，如圖5 所示，測點(diǎn)（P1～P7）高度相同（距離地面4 m）。參考微氣壓波的行業(yè)評判標(biāo)準(zhǔn)，微氣壓波測點(diǎn)布置在隧道出口外10、20 和50 m 處。

圖5 隧道內(nèi)壁面壓力測點(diǎn)和隧道出口微氣壓波測點(diǎn)示意圖Fig.5 Distribution of monitoring points on tunnel wall and at the entrance

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 不同結(jié)構(gòu)下的壓力波特性

圖6 為高速磁浮列車以600 km/h 的速度通過400 m 隧道時，隧道中部測點(diǎn)P4 的壓力波動曲線。為分析高速磁浮列車通過隧道的整個過程，圖中給出了頭尾車進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓力波特性和頭尾車運(yùn)行軌跡，其中黑實(shí)線表示壓縮波（斜率為聲速），黑虛線表示膨脹波（斜率為車速）。列車在t=0.623 s 到達(dá)隧道入口，產(chǎn)生壓縮波，以當(dāng)?shù)芈曀賯鞑ブ了淼乐胁繙y點(diǎn)P4，測點(diǎn)壓力開始增大；在列車車體進(jìn)入隧道過程中，測點(diǎn)壓力持續(xù)增大；t=1.698 s，尾車進(jìn)入隧道產(chǎn)生的膨脹波以當(dāng)?shù)芈曀俚竭_(dá)該測點(diǎn)，測點(diǎn)壓力開始下降；之后列車通過該測點(diǎn)，隧道壁面壓力持續(xù)下降。在隧道內(nèi)安裝諧振腔裝置后，車體進(jìn)入隧道過程中的阻塞比增大，導(dǎo)致隧道壁面壓力幅值增大，如方案1 的B 點(diǎn)所示，由8 235 Pa 增大至8 750 Pa，增大了6.25%。方案1 和2 對阻塞比的影響相同，2 種方案隧道壁面壓力波正峰值分別為8 750和8 787 Pa，負(fù)峰值分別為9 159 和9 011 Pa，峰值變化率 ＜ 2%。

圖6 不同方案下隧道內(nèi)壁表面壓力波特性Fig.6 Propagation characteristics of pressure waves in different schemes

2.2 不同結(jié)構(gòu)下的微氣壓波特性

表1 為2 種方案下隧道出口不同距離處的微氣壓波幅值?？梢钥吹?，列車以600 km/h 的速度通過80 m2單線隧道時，在隧道出口外20 和50 m 處產(chǎn)生的微氣壓波幅值分別為898 和387 Pa。在方案1 下，20 和50 m 處的微氣壓波幅值分別為589 和259 Pa，分別減緩了34.41%和33.07%，平均減緩率為33.74%。在方案2 下，20 和50 m 處的微氣壓波幅值分別為522 和232 Pa，分別減緩了41.87%和40.05%，平均減緩率為40.96%。在2 種方案下，諧振腔結(jié)構(gòu)均對隧道出口外的微氣壓波現(xiàn)象有明顯的減緩作用，且在相同隧道長度條件下，方案2 效果優(yōu)于方案1。

表1 不同方案下的微氣壓波幅值Table 1 Amplitudes of tunnel portal micro-pressure waves in different schemes

圖7 為隧道內(nèi)初始壓縮波的壓力梯度變化曲線。隧道內(nèi)初始壓縮波在傳播過程中，波前壓力梯度逐漸增大。在隧道內(nèi)安裝諧振腔結(jié)構(gòu)之后，聲波在隧道內(nèi)傳播，一部分能量傳入諧振腔結(jié)構(gòu)的連接管和共振腔體，連接管和共振腔體吸收和消耗部分聲波能量，減緩了初始壓縮波在傳播過程中壓力梯度的增大，進(jìn)而減緩了隧道出口外的微氣壓波幅值。

圖7 隧道內(nèi)初始壓縮波的壓力梯度變化曲線Fig.7 Pressure gradient curve of initial compressive wave in the tunnel

2.3 諧振腔數(shù)量對微氣壓波的影響

圖8 為不同諧振腔數(shù)量（7、14、21 和28 個腔體）時，隧道出口外20 和50 m 處微氣壓波的減緩效果百分比（腔體均從隧道入口端開始布置）?？梢钥?/p>

圖8 不同諧振腔數(shù)量對隧道出口微氣壓波的減緩效果Fig.8 Alleviative effect of different number of resonators on the micro-pressure wave at the tunnel exit

3 動模型試驗(yàn)驗(yàn)證

出，腔體數(shù)量越多，微氣壓波減緩效果越好。對腔體數(shù)量-微氣壓波減緩效果進(jìn)行曲線擬合，可以看到微氣壓波減緩效果與腔體數(shù)量成線性關(guān)系，擬合曲線相關(guān)性指數(shù)R2為0.999 6。

3.1 試驗(yàn)方法

采用動模型試驗(yàn)方法對數(shù)值模擬優(yōu)選隧道諧振腔結(jié)構(gòu)方案2 進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本次動模型試驗(yàn)在中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的動模型試驗(yàn)平臺進(jìn)行（該平臺獲得了CNAS 資質(zhì)認(rèn)證[21]）。如圖9 所示，該平臺采用高壓空氣加速系統(tǒng)和分級逐步機(jī)械制動系統(tǒng)，全長164 m，分為加速段、勻速段和減速段。1∶20 模型車在加速段通過彈射從靜止進(jìn)行加速，達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)速度后，進(jìn)入勻速段并通過隧道，然后在減速段進(jìn)行減速，在較短距離內(nèi)安全停車。測試設(shè)備全程采集數(shù)據(jù)，并取勻速段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

圖9 動模型試驗(yàn)平臺系統(tǒng)Fig.9 Moving model rig system

3.2 結(jié)果對比分析

列車模型以600 km/h 速度單車通過原始隧道和方案2 隧道，隧道壁面壓力波動和隧道出口微氣壓波幅值與數(shù)值模擬結(jié)果對比如圖10 所示。數(shù)值模擬與動模型試驗(yàn)的隧道壁面壓力時程曲線一致性較好，在原始隧道內(nèi)，隧道測點(diǎn)壓力波動峰值最大誤差為5.22%，在方案2 下，最大誤差為4.82%。將隧道出口外20 和50 m 處微氣壓波幅值的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)：在原始隧道中，隧道出口微氣壓波最大誤差為9.1%，在方案2 下，最大誤差為9.7%，均在10%以內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所采用的數(shù)值模擬方法能夠準(zhǔn)確模擬列車通過隧道時的氣動效應(yīng)，隧道內(nèi)諧振腔結(jié)構(gòu)對隧道出口微氣壓波減緩效果明顯。

圖10 動模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.10 Comparison of moving model rig test and numerical simulation results

3.3 不同速度條件下的微氣壓波

采用動模型試驗(yàn)方法對比500、550 和600 km/h這3 個速度條件下，原始隧道與方案2 隧道出口外20 m 處微氣壓波減緩情況，結(jié)果如圖11 所示?？梢钥吹?，方案2 隧道出口的微氣壓波幅值在3 個速度條件下均減小，減緩效果分別為39.7%、33.5%和22.3%。減緩效果與列車速度正相關(guān)：列車速度越高，減緩效果越明顯。

4 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬與動模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了隧道內(nèi)諧振腔結(jié)構(gòu)對高速磁浮列車通過隧道的氣動效應(yīng)減緩特性的影響。主要結(jié)論如下：

1）在隧道冗余空間內(nèi)安裝諧振腔結(jié)構(gòu)使得隧道凈空截面積變小，阻塞比增大，隧道表面壓力增大。當(dāng)列車以 600 km/h 速度通過 80 m2單線隧道時，隧道中部壁面最大壓力幅值8 750 Pa，比原始隧道增大了6.25%。

2）諧振腔結(jié)構(gòu)明顯耗散了壓力波的能量，減緩了初始壓縮波在傳播過程中壓力梯度的增大。在列車速度600 km/h 條件下，隧道出口外20 和50 m 處微氣壓波幅值的平均減緩率為40.96%，但仍超出國家標(biāo)準(zhǔn)要求。建議采取在隧道出口加緩沖結(jié)構(gòu)、豎井結(jié)構(gòu)等多種措施進(jìn)一步減緩微氣壓波。

3）諧振腔結(jié)構(gòu)減緩效果與諧振腔參數(shù)和數(shù)量有關(guān)。在隧道長度為400 m 的條件下，微氣壓波減緩效果與腔體數(shù)量成線性關(guān)系。不同速度條件下，微氣壓波減緩效果與列車速度正相關(guān)。