高速鐵路隧道豎井位置對瞬變壓力的影響研究

【摘 要】通過數值模擬，在既定工況下針對高速鐵路隧道豎井的設置位置，對隧道內車體瞬變壓力的影響展開研究，確定豎井位置的合理設置原則，參考以往研究成果，為類似工程提供有價值的借鑒。

【關鍵詞】高速鐵路隧道；豎井；瞬變壓力

1 引言

近些年，我國大力發展高速鐵路，已建成并成功運營多條高速鐵路。我國屬多山國家，長大隧道的出現在所難免。隨著列車速度的提高，隧道內出現的氣動效應問題越發的嚴重。為解決高速鐵路隧道空氣動力學問題，世界各國學者做了多方面的研究，并取得了一定的成果。為降低隧道內的瞬變壓力，提高旅客乘車舒適度，高鐵隧道設計考慮了多項輔助措施，以求最大程度的減小隧道內的啟動效應問題。

2 數值計算

本文采用CFD流體分析軟件FLUENT對高速列車通過隧道進行數值模擬，利用三維可壓縮非定常雷諾平均N－S方程結合 雙方程湍流模型，對隧道空氣動力效應進行數值計算。采用動網格技術實現列車與隧道、列車與大氣之間的相對運動，計算網格劃分使用六面體結構化網格離散。邊界條件設置流域兩側面、頂面為遠場邊界條件，隧道及流域地面給定無滑移邊界條件，控制方程采用質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，

（2-1）

（2-2）

（2-3）

擬定列車速度為300km/h，隧道長度1000m，斷面積75m2，列車長100m，豎井開口率為10%。對其在隧道內引起的壓力波動以及列車表面的壓力變化進行監測。采用CRH3列車，列車在距隧道入口50m處啟動，以擬定速度進入隧道，本次模擬在隧道內每隔100m設置一處壓力監測點進行實時監控。

圖1 模型網格圖圖

圖2 列車壓力云圖（v=300km/h）

3 結果分析

3.1 豎井后測點壓力波動

圖3 豎井后壓力波動圖

（800m處測點，v=300km/h）

如圖3所示，由于經過豎井的緩解測點壓力有多降低，即圖中a~b階段。當新一輪的壓縮波與膨脹波傳波至此，形成第二個壓力峰值即圖中c~d階段。值得注意的是第三個壓力峰值，它是由列車經過豎井產生的二次壓力波所形成的即e~f階段。隨后列車經過壓力急劇下降。

3.2 車頭壓力波動分析

圖4 列車車頭壓力波動圖

圖4為豎井位于距隧道入口500m處的位置時，列車以300km/h的速度通過隧道。

3.2.1 a~b階段

列車啟動，車體表面壓力發生急劇的變化。隨著列車進入隧道，運行環境突然變化，車頭壓力明顯升高即圖中a點，當車尾產生的膨脹波傳播到車頭時，第一個波峰形成即點b。

3.2.2 c~d階段

列車運行2.92秒后初始壓縮波經豎井的反射膨脹波與車頭相遇，壓力開始下降即圖中c點。隨后初始膨脹波經豎井反射的壓縮波傳來，壓力開始上升，即圖中d點。

3.2.3 e~f階段

下一個峰值的出現是由于初始壓縮波傳播到隧道出口反射回來的膨脹波到達，形成e點。從e~f階段為初始膨脹波的反射波到達，所以壓力再次上升。

綜上所述，車頭壓力的變化是隨著壓力波的傳播不斷地的改變，因此壓力波的大小很大程度上決定了車頭的壓力，從而決定著車體的瞬變壓力。

3.3 車頭壓力對比

由于本次模擬選擇兩處豎井位置，即距隧道入口300m（豎井1）和500m（豎井2）處各設一個豎井。所以，列車的壓力變化存在較大差異。因為當300m處設豎井時，列車首先與豎井返回的膨脹波相遇，產生第一個負壓。當與初始壓縮波的返回膨脹波相遇為第二個負壓。而500m處設豎井時，列車與第一個膨脹波相遇后，在通過豎井前與第二個膨脹波相遇。如圖4所示。

圖5 車頭壓力波動對比圖

（v=300km/h，開口率10%）

如前所述，車體由于較早的與豎井反射波相遇，所以負壓出現較早。而豎井2初始壓縮波需要相對較長的時間才能經過豎井的反射，所以負壓出現相對晚一些，并且較大。

對于第二個負壓為初始壓縮波到達隧道出口的反射波。從圖中可以看出豎井1壓力相對較小，這是由于列車在經過豎井后與膨脹波相遇，而列車經過豎井會產生二次壓縮波和膨脹波，并與這個反射膨脹波相互疊加，使得反射波能量衰減，所以壓力相對較小。豎井2的膨脹波雖然是經過豎井緩解過，但壓力仍然很大，說明豎井1相對豎井2的位置更合適。計算結果顯示豎井1最大瞬變壓力為4390Pa/3s，豎井2最大瞬變壓力為5000Pa/3s。

3.4 豎井最優位置分析

從圖5中可以看出車體瞬變壓力最大值出現在列車與初始膨脹波的豎井反射波相遇時刻。因為第一個正壓峰值的出現都是由于列車進入隧道所致，所以最大正壓已經確定。也就是說最大負壓的出現時間和大小決定了瞬變壓力的大小。當最大正壓與最大負壓出現的時間間隔在3s以內時，列車的瞬變壓力最大。

針對車體瞬變壓力而言，豎井所處的位置決定了車體表面正壓峰值和負壓峰值之間的時間間隔，并且影響到壓力的大小，從而決定了瞬變壓力的峰值。

根據以上分析，由瞬變壓力計算公式 ，降低壓力峰值和延長正負壓峰值出現的時間都可以降低瞬變壓力的大小。也就是說如果A~B階段的時間間隔大于3s，那么就可以避免最大正壓和最大負壓出現在同一瞬變壓力時段，這樣就可以降低瞬變壓力。同時降低正負壓力峰值之間的差值也可以降低瞬變壓力。

4 結論

通過數值模擬以及對計算結果的深入分析可知，通過改變豎井的位置，可以達到上述效果。綜上所述得到結論如下：

4.1 豎井能夠有效降低隧道內的壓力，壓力波通過豎井得以釋放，并產生反射波；

4.2 為降低瞬變壓力，合理的豎井位置應保證第一個正負壓力峰值的出現時間間隔大于3s；

4.3 為降低瞬變壓力，合理的豎井位置應保證列車經過豎井后與洞口反射的膨脹波相遇；

參考文獻：

[1]王建宇. 列車通過隧道時誘發的空氣動力學問題和高速鐵路隧道設計參數. 世界隧道。

[2]張竹清. 高速鐵路隧道豎井位置和個數對隧道流場影響的數值模擬. 西南交通大學碩士學位論文， 2006。

[3]駱建軍，高波，王英學，趙文成. 高速列車穿越有豎井隧道流場的數值模擬. 西南交通大學學報。

[4]劉超. 豎井高度對高速鐵路隧道氣動效應的影響研究. 西南交通大學碩士論文，2007。

作者簡介：

劉佩斯，1985-12-01，男，四川省成都市，助理工程師，研究生，研究方向：橋梁與隧道工程