豎井對隧道內(nèi)瞬變壓力的影響

李志偉，梁習(xí)鋒，張健

(中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075)

列車在進入隧道過程中，其頭部的空氣受到壓縮，形成瞬變壓力，過大的瞬變壓力將引起隧道內(nèi)及車廂內(nèi)部的壓力波動，使隧道內(nèi)的作業(yè)人員和旅客的耳膜受到強烈刺激，從而引起人體有不舒適感，甚至造成車窗玻璃破損，嚴(yán)重影響列車運行的安全性[1-2]。采用吸音材料或在隧道內(nèi)設(shè)置噴水等設(shè)施可以使這一問題[3-4]在一定程度上得到解決。為緩解隧道口微氣壓波，通?？紤]設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)，而利用豎井、斜井或橫洞等輔助設(shè)施來降低隧道內(nèi)瞬變壓力是一個比較經(jīng)濟而又有效的方法[5-6]。國內(nèi)學(xué)者對有豎井時隧道內(nèi)壓力進行了數(shù)值模擬，結(jié)果與實驗基本吻合[7]。Yamamoto等[8-11]采用一維模型模擬列車進入隧道時誘發(fā)的空氣動力效應(yīng)；Baron等[12]基于基爾霍夫經(jīng)典線性聲學(xué)公式對不同隧道口型式對微氣壓波的影響進行了研究，均得到了較好的結(jié)果。但這些研究內(nèi)容大多是針對隧道壁面初始壓縮波及隧道口微氣壓波，對于列車表面的瞬變壓力研究較少。相對于緩沖結(jié)構(gòu)及其他減壓措施，豎井不但可以減小隧道口微氣壓波，而且能夠有效緩解隧道內(nèi)瞬變壓力。實車實驗雖然能真實反映實際狀況，但要耗費大量的人力、物力和財力。動模型試驗與實車實驗相比要優(yōu)越得多。中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點實驗室自主研建的動模型試驗系統(tǒng)可以模擬列車通過隧道的情況，能真實地反映地面效應(yīng)，模型比例達1:16~1:20[13]。為此，本文作者采用三維數(shù)值模擬計算與動模型試驗相結(jié)合的方法，對高速列車通過有豎井的隧道時其瞬變壓力進行研究。

1 控制方程

采用大型流場計算軟件 FLUENT對動車組列車通過有、無豎井隧道時的氣動性能進行數(shù)值模擬。FLUENT采用有限體積法對計算區(qū)域和控制方程進行離散，描述列車周圍空氣流動的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程及湍流模型方程[13-14]。大型流場計算軟件FLUENT提供了多種湍流模型，這里選取工程上應(yīng)用廣泛的k-ε湍流模型。

2 計算模型及參數(shù)

列車通過隧道引發(fā)隧道內(nèi)空氣壓力變化，其壓力變化的幅值主要與列車運行速度、列車的車體外形、隧道幾何參數(shù)有關(guān)，因此，對計算模型進行適當(dāng)簡化，并以便與動模型試驗結(jié)果進行驗證比較。本次計算模型均為縮比模型，縮尺比為 1:17.6，高速列車計算模型取2車編組，由流線型頭車和流線型尾車組成。圖1所示的列車模型車長為2.92 m，對應(yīng)的實際列車長為51.4 m。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 計算結(jié)果與動模型試驗結(jié)果比較

本節(jié)的計算模型工況條件如下：高速列車模型以200 km/h速度，通過橫截面凈空面積為0.19 m2(實際截面凈空面積59 m2)、長為56 m(實際長為985.6 m)的單線隧道模型；此外，在距隧道入口 10 m(實際距離為176 m)處設(shè)置1個橫斷面為矩形的通風(fēng)豎井(內(nèi)部橫截面面積為0.125 m×0.125 m)。

圖1 高速列車計算模型Fig.1 Model of high-speed train

圖2和圖3所示分別為采用2種研究方法得到的高速列車通過有、無豎井的隧道時，隧道壁面測點及車體表面中部測點壓力變化曲線對比結(jié)果。隧道測點位于距隧道入口6 m處(對應(yīng)實際距離103.8 m)。

從圖2和圖3可以看出：2種方法得到的壓力曲線變化規(guī)律一致，僅幅值略有差異，相差 5%左右，說明該數(shù)值計算方法能夠較好地模擬高速列車通過隧道時所引發(fā)的空氣動力效應(yīng)問題。

圖2 2種方法得到的隧道壁面測點壓力變化曲線Fig.2 Two curves of transient pressure attained with two methods for measuring point on surface of tunnel

圖3 2種方法得到的車體表面中部測點壓力變化曲線比較Fig.3 Comparison between two curves of transient pressure attained from two methods for measuring point on train

以下利用數(shù)值模擬方法，在上述研究的基礎(chǔ)上，重點討論豎井位置、豎井?dāng)?shù)量、豎井?dāng)嗝娣e及豎井高度的變化對隧道內(nèi)車體瞬變壓力的影響。車體測點布置在頭車前窗、車體側(cè)面中部和尾車前窗。

3.2 豎井位置對隧道內(nèi)瞬變壓力的影響

為研究不同豎井位置對隧道內(nèi)瞬變壓力變化的影響，僅考慮豎井位置變化，依次在距離隧道入口5.0，10.0，21.5，33.0和44.5 m位置，分別設(shè)置1個與前面外形相同的豎井，用于研究列車通過隧道時其空氣壓力變化，得到不同豎井位置時車體測點壓力變化幅值，結(jié)果見表1。圖4所示為豎井位置不同時列車表面中部測點的壓力變化曲線。

圖5所示為列車表面不同測點壓力變化幅值與豎井不同位置的關(guān)系曲線。由圖5可見：豎井位置對隧道內(nèi)壓力變化有一定影響。分析其測點壓力變化，豎井最佳位置為10.0~21.5 m。

3.3 豎井?dāng)?shù)量對隧道內(nèi)瞬變壓力變化的影響

為研究不同豎井?dāng)?shù)量對隧道內(nèi)壓力變化的影響，僅考慮豎井?dāng)?shù)量的變化，計算模型首先在距隧道入口10 m處固定設(shè)置1個豎井，然后在21.5，33.0和44.5 m處逐次增設(shè)豎井?dāng)?shù)量，最多時達到4個。通過計算得到車體測點的壓力變化幅值，見表 2。車體側(cè)面中部測點的壓力變化曲線見圖6。圖7所示為車體表面不同測點壓力變化幅值與豎井?dāng)?shù)量的關(guān)系曲線。

表1 不同豎井位置時車體測點壓力變化幅值比較Table 1 Analogy on pressure amplitude with different shaft locations kPa

圖4 車體表面中部測點壓力變化曲線Fig.4 Curves of pressure for measuring point on surface of car body

圖5 車體表面測點壓力變化幅值與豎井位置的關(guān)系Fig.5 Relationship between pressure amplitude and shaft location for measuring point on surface of car body

表2 不同數(shù)量豎井時車體測點壓力變化幅值比較Table 2 Comparison of on pressure amplitude with different numbers of shaft kPa

圖6 車體表面中部測點壓力變化曲線Fig.6 Curves of pressure for measuring point on surface of car body

圖7 車體表面測點壓力變化幅值與豎井?dāng)?shù)量的關(guān)系Fig.7 Relationship between pressure amplitude and number of shaft for measuring point on surface of car body

由圖7可見：列車表面測點的壓力幅值下降明顯，當(dāng)設(shè)置的豎井為3個時，與無豎井時相比，頭車前窗測點壓力幅值降低 23.7%，車體側(cè)面中部測點壓力變化幅值為 31.2%，尾車前窗壓力變化幅值為 29.5%；當(dāng)豎井增至4個時，測點壓力幅值與無豎井時的相比分別降低20.1%，28.2%和26.0%，與3個豎井時相比略有增加。這一規(guī)律說明：隨著豎井?dāng)?shù)量的增多，有利于隧道內(nèi)車體壓力變化幅值降低，但隧道上設(shè)置豎井的數(shù)量并非越多越好，應(yīng)存在一最佳值，使得隧道空氣動力效應(yīng)影響最小。對于上述確定長度的隧道，當(dāng)設(shè)置3個豎井時，可以使隧道內(nèi)車體表面測點壓力降幅最大。

3.4 豎井面積對隧道內(nèi)瞬變壓力變化的影響

為研究不同豎井面積對隧道內(nèi)壓力變化的影響，考慮豎井面積的變化，在距隧道入口10.0 m處設(shè)置1個高度為 1.5 m的豎井，其面積分別為 0.015 6，0.028 9和 0.057 6 m2，其內(nèi)部尺寸依次為 0.125 m×0.125 m，0.170 m×0.170 m和0.240 m×0.240 m。計算3種不同斷面積的豎井得到車體測點的壓力幅值見表3，其中仍以車體側(cè)面中部測點的壓力降幅最大，其測點的壓力變化曲線見圖8。

由圖8可見：增大豎井的斷面積，能降低車體測點的瞬變壓力幅值；在豎井面積從0.015 6 m2增大至0.028 9 m2，再增加0.057 6 m2的過程中，車體表面測點壓力變化幅值降幅最大為 16.5%。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：存在最佳豎井面積對降低車體表面壓力變化幅值最有效。

表3 不同斷面積的豎井時車體測點壓力變化幅值比較Table 3 Comparison of pressure amplitude of point with different shaft areas kPa

圖8 車體表面中部測點壓力變化曲線Fig.8 Curves of pressure for measuring point on surface of car body

圖9所示為車體表面中部測點壓力變化幅值與豎井面積的擬合函數(shù)關(guān)系式。通過擬合關(guān)系式，得到車體表面3個測點分別當(dāng)x取0.039 9，0.039 9和0.039 3，即豎井面積取得約0.04 m2(即0.2 m×0.2 m)時可以使得車體表面測點的壓力幅值降到最小。

圖9 車體表面測點壓力變化幅值與豎井面積的關(guān)系Fig.9 Relationship between pressure amplitude and area of shaft

3.5 豎井高度對單線隧道壓力變化的影響

為研究不同豎井高度對隧道內(nèi)壓力變化的影響，在前面計算模型工況條件的基礎(chǔ)上，僅考慮豎井高度的變化，將高度為0.75，1.50和2.25 m(其實際高度分別為13.20，26.40和39.60 m)的3種豎井設(shè)置在距隧道入口10.0 m位置。通過計算得到不同高度豎井情況下車體測點的壓力幅值見表 4；其測點的壓力變化曲線見圖10。圖11所示為車體表面測點壓力幅值與豎井高度的關(guān)系。

從表4可見：隨著豎井高度的增大，車體表面測點的壓力幅值有所增加。當(dāng)豎井高度由0.75 m時增大至2.25 m，頭車前窗測點、車體側(cè)面中部測點及尾車前窗測點壓力變化最大降幅分別為 7.1%，12.4%和10.3%，均出現(xiàn)在豎井高度為0.75 m時。而當(dāng)豎井高度為2.25 m時，測點壓力變化幅值與無豎井時較為接近，緩解壓力效果不明顯。

表4 不同豎井高度時車體測點壓力變化幅值比較Table 4 Analogy on pressure amplitude of point with different shaft heights kPa

圖10 車體表面中部測點壓力變化曲線Fig.10 Curves of pressure for measuring point on surface of car body

圖11 車體表面測點壓力幅值與豎井高度的關(guān)系Fig.11 Relationship between pressure amplitude and shaft height

4 結(jié)論

(1) 由數(shù)值模擬與動模型試驗 2種方法得到的結(jié)果較吻合。這2種方法得到的壓力曲線變化規(guī)律完全一致，僅變化幅值略有差異，相差 5%左右，說明本文采用的數(shù)值計算方法能夠較好地模擬高速列車通過隧道時所誘發(fā)的空氣動力效應(yīng)問題。

(2) 得到高速列車通過隧道時的全歷程瞬變壓力曲線為列車車體強度設(shè)計和列車動態(tài)響應(yīng)分析提供了計算依據(jù)。

(3) 豎井的存在可以顯著緩解高速列車通過隧道時的車體瞬變壓力變化幅值，其中車體表面中部測點的壓力降幅最大，本文中最大壓力降幅為31.2%。

(4) 改變豎井位置、豎井?dāng)?shù)量、豎井面積和豎井高度對緩解隧道內(nèi)最大瞬變壓力和豎井高度對緩解隧道內(nèi)最大瞬變壓力幅值的影響顯著。對于某一參數(shù)確定的隧道，存在最佳的豎井位置、豎井?dāng)?shù)量和豎井?dāng)嗝娣e值，使豎井具有最佳的降壓效果；隨著豎井高度的降低，壓力幅值降低。

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