帽檐斜切式洞門斜率對隧道氣動性能的影響

張雷，田紅旗，楊明智，張健，曾祥坤，楊志剛

(1.中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075；2.中國鐵道科學研究院 信息研究所，北京，100086)

我國高鐵線路長，隧道多，運營車速高，列車高速通過隧道可引起車體表面和隧道壁面劇烈的瞬變壓力變化，其對列車安全運行、旅客乘坐舒適性的不良影響進一步加重[1-2]；當列車高速進入隧道時，列車前方的空氣突然受到壓縮，形成壓縮波，壓縮波以音速傳到隧道出口，向外膨脹形成微氣壓波，嚴重時會產生爆破音，對洞口周圍環境及居民的正常生活造成一定的影響[3-4]：因此，如何改善高鐵隧道氣動性能，是鐵路隧道設計中必須解決的關鍵技術問題。世界各國多以優化列車外形或減速進入隧道的方式達到控制車體表面和隧道壁面瞬變壓力變化的目的[5-6]，并在隧道入口處設置不同形式的隧道洞門與緩沖結構以減小隧道出口微氣壓波的影響[7-9]。我國高速鐵路隧道的設計中廣泛應用新型的帽檐斜切式隧道洞門結構，目前國內外在緩沖結構對隧道空氣動力效應的影響方面進行了大量的研究，并獲得一系列的研究成果，但是，由于帽檐斜切式隧道洞門是一種新型隧道洞門，且已應用于京滬和武廣等多條新建或在建高速鐵路，其對隧道空氣動力效應的影響也亟待深入研究[10-11]。為此，本文作者采用三維數值模擬計算，對不同斜切斜率時，帽檐斜切式洞門下的隧道空氣動力效應問題進行研究，并用動模型試驗對研究結果進行驗證。

1 數值計算與動模型試驗

1.1 數值計算

采用 FLUENT流場計算軟件進行三維數值模擬計算，通過結構和非結構網格相結合的混合網格分別對計算區域和車體表面進行離散，采用有限體積法和相關流動控制方程真實模擬列車周圍流場。描述列車周圍空氣流動的控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程、氣體狀態方程及湍流模型方程，FLUENT提供了多種湍流模型[12-13]。本文選取工程上應用較廣的k-ε雙方程模型，按三維、可壓縮、非定常N-S方程，采用滑移網格技術，對高速列車通過隧道時復雜的空氣流場進行模擬計算。

數值計算采用1∶1的比例模型，高速列車由頭車和尾車兩車編組而成，其頭部流線型長度為6.18 m，車速為350 km/h。在車體靠近隧道壁面一側布置2個數據監控點(以下簡稱測點)，如圖 1所示；雙線隧道凈空面積100 m2，線間距5 m，并在隧道壁面及出口共布置4個測點，如圖2所示。隧道入口為帽檐斜切式洞門，分別采用 1∶1.00，1∶1.25，1∶1.50，1∶1.75，1∶20共5種斜切斜率(斜切斜率為斜切段高度H與長度L的比值)，如圖3所示；隧道出口采用端墻式洞門形式，高速列車表面網格如圖4所示。

1.2 動模型試驗

動模型試驗采用大型列車氣動性能模擬動模型試驗裝置，這是國內最佳的對列車過隧道空氣動力問題進行模擬試驗研究的專用大型動模型試驗設備，根據流動相似原理，通過彈射方式使模型列車在模擬線路上高速運行，真實再現列車高速通過隧道的空氣三維非定常流動現象[14-15]。本次動模型試驗的模型縮比為1∶20，即動模型采用的模型尺寸為數值計算模型尺寸的1/20，在保證阻塞比一致的同時，高速列車與隧道壁面布點位置按比例與數值模擬計算完全一致。高速列車、隧道模型分別如圖5和圖6所示。

圖1 高速列車模型測點布置圖Fig.1 Points arrangement of high-speed train model

圖2 隧道模型測點布置圖Fig.2 Points arrangement of tunnel model

圖3 帽檐斜切式隧道洞門示意圖Fig.3 Schematic diagram of hat oblique portal

圖4 高速列車網格圖Fig.4 Grid of high-speed train model

圖5 高速列車模型Fig.5 Model of high-speed train

圖6 帽檐斜切式洞門模型Fig.6 Model of hat oblique portal

2 結果分析

2.1 數值計算與動模型試驗結果比較

數值計算與動模型試驗兩者的比較工況為：高速列車以350 km/h速度通過長1 km的雙線隧道，該隧道帶有斜切斜率為1∶1.25的帽檐斜切式洞門。根據本次數值計算所布置測點情況，車體表面最大瞬變壓力變化幅值出現在車頭側窗靠近隧道壁一側的測點，即車體表面1號測點；隧道壁面最大瞬變壓力變化幅值出現在隧道2號測點。表1所示為該工況下車體表面、隧道壁面測點最大瞬變壓力變化幅值，隧道出口20 m處4號測點微氣壓波幅值的數值計算與動模型試驗結果比較。以車頭鼻尖位置進入隧道為時間零點，根據相似原理，將數值模擬計算所得數據圖形的時間軸縮小 20倍，則可與動模型試驗的時間同步，圖 7～9所示為對應測點壓力變化曲線比較結果。

對比數值計算與動模型試驗結果可以看出：2種方法得到的瞬變壓力及微氣壓波曲線變化規律基本一致，幅值略有差異，誤差在 5%以下，說明所采用的數值計算方法能夠較好地模擬列車高速通過隧道引發的空氣動力效應問題。

表1 2種方法所得最大瞬變壓力變化幅值比較Table 1 Comparison of maximum pressure amplitude for measuring point

圖7 車體表面1號測點瞬變壓力變化曲線比較Fig.7 Comparison between two curves of transient pressure attained from two methods for measuring point 1 on train

圖8 隧道壁面2號測點瞬變壓力變化曲線比較Fig.8 Comparison between two curves of transient pressure attained from two methods for measuring point 2 on tunnel

圖9 隧道出口20 m處微氣壓波曲線比較Fig.9 Comparison between two curves of micro-pressure waves attained from two methods for measuring point with distance of 20 m from tunnel exit

以下利用數值計算方法，在上述研究的基礎上，重點討論帽檐斜切式隧道洞門的斜切斜率對隧道空氣動力效應的影響。

2.2 車體表面及隧道壁面瞬變壓力變化

表2所示為5種斜切斜率條件下高速列車車體表面及隧道壁面測點最大瞬變壓力變化幅值比較結果。

由表2可知：在不同斜切斜率條件下，車體表面最大瞬變壓力幅值相差為5.3%，隧道壁面最大瞬變壓力變化幅值相差1.0%，即車體表面和隧道壁面最大瞬變壓力幅值基本不受洞門斜切斜率的影響。這是因為在隧道長度及車速相同的情況下，阻塞比是影響車體表面和隧道壁面瞬變壓力變化的重要因素，但在本次研究中采用的車-隧阻塞比相同，而隧道洞門斜切斜率不影響阻塞比，因此，其對車體表面及隧道壁面瞬變壓力變化基本無影響。

表2 車體表面及隧道壁面測點最大瞬變壓力變化幅值比較Table 2 Maximum pressure amplitude for measuring point on train and tunnel

當列車駛入隧道瞬間，由于空氣的壓縮性及列車表面與隧道壁面限制了空氣流動的空間，使緊貼在列車車頭前方的空氣受到壓縮并隨列車向前流動，造成列車前方的空氣壓力突然升高，產生壓縮波，壓縮波引起隧道入口1號測點瞬變壓力上升，直至到達最大正峰值，形成初始壓縮波。圖10所示為不同斜切斜率條件下，隧道入口1號測點初始壓縮波波形比較結果，圖11所示為初始壓縮波瞬變壓力梯度曲線比較結果，表3所示為初始壓縮波最大壓力梯度。

由圖10 可知：5種斜切斜率的隧道洞門結構下，初始壓縮波分ab和cd2個上升階段，其到達峰值d點的時刻及峰值基本相同，其中ab段對應圖11中的第1個壓力梯度峰值，cd段對應圖11中的第2個壓力梯度峰值，而第1個壓力梯度峰值基本上決定了隧道出口的微氣壓波幅值；隨著斜切斜率的減小，ab段初始壓縮波上升到峰值的時刻滯后，所需時間增加，即其壓力梯度最大值減小。可見：隧道洞門結構斜切斜率越小，對瞬變壓力梯度的緩解效果越好。

表3 初始壓縮波最大壓力梯度比較Table 3 Comparison of the largest pressure gradient of initial compression wave

圖10 隧道入口初始壓縮波曲線比較Fig.10 Comparison of initial compression wave curves

圖11 隧道入口初始壓縮波瞬變壓力梯度曲線比較Fig.11 Comparison of pressure gradient curves

2.3 洞門斜切斜率對微氣壓波的影響

列車進入隧道形成的壓力波不僅引起車體表面和隧道壁面的壓力變化，而且在壓縮波由隧道口作為沖擊波穿出時，會形成噪聲，作為微氣壓波向周圍傳播。表4和圖12所示分別為各工況下隧道出口20 m處測點微氣壓波幅值及其比較圖；各工況下微氣壓波幅值比較曲線見圖13。

從表4、圖12和圖13可以看出：有效的改變帽檐斜切式隧道洞門的斜切斜率可以顯著降低隧道口處微氣壓波，隧道洞門斜切斜率為1∶1.00時，隧道口處的微氣壓波幅值最大，為66 Pa；當隧道洞門斜切斜率為1∶2.00時，隧道口處微氣壓波幅值最小，為54 Pa。相對于斜切斜率為1∶1.00的隧道洞門結構，另外4種斜切斜率下隧道出口微氣壓波降幅分別為 4.5%，6.1%，12.1%和18.2%。

表4 隧道出口測點微氣壓波幅值比較Table 4 Comparison of maximum pressure amplitude of micro-pressure waves for measuring point on export of tunnel

圖12 各隧道洞門結構下微氣壓波幅值比較曲線Fig.12 Analogy of amplitude for micro-pressure waves

圖13 隧道出口測點微氣壓波壓力變化曲線比較Fig.13 Comparison of curves for micro-pressure waves

微氣壓波幅值減小是因為它的形成與初始壓縮波有關，初始壓縮波壓力上升的過程基本決定了隧道出口的微氣壓波幅值，而初始壓縮波壓力上升的過程即為壓力梯度的變化過程，因此，隧道口微氣壓波幅值隨壓力梯度最大值的減小而減小；隨著斜切斜率的減小，初始壓縮波壓力梯度最大值減小，微氣壓波幅值減小，即斜切斜率越小，帽檐斜切式隧道洞門對隧道出口微氣壓波的改善效果越好。

3 結論

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

(2) 在 5種斜切斜率的帽檐斜切式隧道洞門結構形式下，車體表面測點瞬變壓力變化規律、隧道壁面測點瞬變壓力變化規律一致；在不同斜切斜率帽檐斜切式洞門條件下，車體表面和隧道壁面最大瞬變壓力變化幅值相差較小，最大僅5.3%，即隧道洞門結構的斜切斜率對高速列車車體表面和隧道壁面瞬變壓力變化基本無影響。

(3) 當斜切斜率減小時，隧道壁面測點初始壓縮波上升到峰值的時刻滯后，瞬變壓力梯度最大值減小，說明斜切斜率越小，對瞬變壓力梯度的緩解效果越好。

(4) 有效的改變帽檐斜切式洞門結構的斜切斜率可以顯著降低隧道口處微氣壓波，隨著帽檐斜切式隧道洞門斜切斜率的減小，相對于斜切斜率為1∶1.00的隧道洞門，隧道出口20 m處微氣壓波幅值的降幅越來越大，即隧道洞門的斜切斜率越小，其對隧道出口微氣壓波改善效果越好。

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