地鐵列車隧道氣動力學試驗與仿真

劉鳳華，余以正

(中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)*

0 引言

近年來，國內許多大城市正在建設或籌劃城市快速軌道交通系統(或地鐵系統).城際列車、地鐵速度小于高鐵，但由于頭型長細比小，且地鐵車一般在隧道內運行，從空氣動力學的角度分析，高鐵實際運營情況比地鐵車隧道工況多，地鐵隧道截面積遠小于高鐵隧道截面積，隧道截面變化頻繁，因此面臨的氣動問題實際也很突出.根據以往對高鐵的研究，發現當列車頭型長細比減小一半左右，最大壓力波幅度增加2倍以上.而地鐵車的頭型長細比與高鐵比往往增加了幾倍.因此需要考慮列車高速進出隧道或者在截面變化的隧道內運行時產生的壓力波對列車運行和乘客舒適性的影響［1］.

此外，通過仿真分析研究地鐵車在隧道內的阻力變化，研究發現列車在隧道內運行阻力系數遠大于明線運行時阻力系數，因此由于氣動阻力造成的能耗實際上是比較大的.

列車在實際運營中由于空氣動力學問題帶來的諸如車門在某些工況下無法關閉等現實問題，但目前國內對地鐵車在隧道內運行時的空氣動力學方面研究很少，尤其是線路運行實測數據很少.因此本文的研究對地鐵車新車型的設計有一定的指導以及參考意義.

1 地鐵車內外動壓線路運行實測

(1)測試線路 此次分析研究選擇的測試線路是深圳地鐵二號線后海—紅樹灣地鐵路段，與其他路段比，此路段距離更長，并且較為平直;另外此路段還有一個顯著的特點就是隧道截面有一個相當長的距離為矩形截面，因此列車在此段能加速到70 km/h，然后列車以此速度進入該段隧道圓形截面，出現了一段相當大的壓力波動，并能被人耳感覺.

(2)測試設備 由于地鐵車的速度較低，壓力波動基本在100～1 500 Pa(是大氣壓的0.1%～1%)之間，因此需要采用較低量程、精度較高的傳感器，因此選用差壓傳感器電子掃描閥.本次試驗使用的DSM3400電子掃描閥系統及配套模塊，是目前國內同類設備中最先進、在量程和精度方面最適合本次測試的設備.本次試驗采用312 Hz采樣頻率.

(3)測點布置 此次試驗，在車內外共分布了90個測點，其中在車內布置16個測點，車外共布置74個測點.車外測點主要分布在頭車車前端、頭車車窗、空調蓋板處，并且當列車朝相反的方向運行時頭車的測點轉變為尾車的測點;車內測點主要分布在司機室、第一節車廂以及第一節車與第二節車的風擋處.圖1、圖2是相關位置測 點布置示意圖.

圖1 測點布置總示意圖

圖2 車外測點布置示意圖

(4)測試工況 實際測試中進行了包括車內舒適性測試(車內壓力變化);車頭、裙板內外壓力測試;車門內外壓力測試;屏蔽門內外壓力測試;空調蓋板內外壓力測試等.測試了列車在50、60、70、80 km/h運行條件下各個測點的動壓數據.本文限于篇幅主要選取車內舒適性測試以及車外壓力變化進行研究.

2 列車的空氣動力學仿真分析

2.1 仿真分析數學模型的選取

利用FLUENT大型流場計算商用軟件，根據流場特點，數值求解的控制方程為低速粘流的Navier-Stokes方程，湍流采用兩方程湍流模型，近壁區采用低Re數修正與壁面函數相結合的方法，方程采用有限體積法離散，并采用并行的壓力修正算法求解［2］.

2.2 CFD計算模型

分析選取一節半車進行了分析研究，車頭是影響計算結果的重要部位，因此在該區域分布了較密的網格以保形，同時根據流動特點規劃分區拓撲結構，以保證模擬精度.在車身連接處，轉向架、風檔和空調等部位都進行了網格加密.對曲率變化較大的部分和關鍵區域都進行了網格加密，以滿足此類問題計算對網格的要求，近壁面第一層網格最小網格高度為0.5 mm.限于計算規模，不可能按照隧道的實際長度建模，只能選取列車在一段隧道內運行進行CFD模擬研究，本次分析選取隧道長為500 m.

3 試驗結果分析

3.1 車外壓力測試結果分析

車外測點主要分布在頭車車前端、頭車車窗、空調蓋板處，并且當列車朝相反的方向運行時頭車的測點轉變為尾車的測點，各外部測點的測試目的并不一樣.本文限于篇幅，車外壓力變化情況僅選取頭車測點與尾車測點分析.研究發現，不同的車速下，車頭處測點的壓力分布趨勢幾乎一樣，只是壓力大小以及出現壓力峰值的時間不同.因此本文中只列出在80 mm時各壓力測點的壓力變化情況.圖3是列車運行速度為80 km/h時，車外壓力測點壓力變化情況.由圖3(a)可以看到，在120 s左右的時候，各個測點的壓力突然急劇升高，有些測點壓力在瞬間從200 Pa左右突變至1 200 Pa，這主要是由于此時隧道從方形截面突變到圓形截面所致，可見隧道截面形狀的變化對車外壓力變化影響很大.當隧道截面頻繁變化時，車外壓力波動也會隨之頻繁變化.這種氣動力的頻繁變化甚至可能會影響某些結構的疲勞強度，因此在后期研究中應當對這些結構進行一定的關注.

圖3(b)是車尾測點壓力變化情況，多數壓力測點處于負壓值區，在170 s左右時出現了壓力突變，有些測點的負壓值從-300 Pa左右突變到-850 Pa左右.這主要是由于此時隧道從圓形截面突變到方形截面所致，可見隧道截面的變化對尾車壓力變化也有很大的影響.整體來講，與車頭相比，車尾壓力變化趨勢相對平緩.

圖3 80 km/h時車外壓力測點壓力變化情況

3.2 車內壓力測試結果分析

車內壓力的變化主要影響舒適性，列車在隧道內運行的壓力及壓力變化率若超出一定的限制，會造成乘客耳朵不適，乘客舒適度降低，行車阻力增大和能耗增加.根據相關評價指標，車內空氣壓力變化≤200 Pa/1 s為優;車內空氣壓力變化≤800 Pa/3 s為良;車內空氣壓力變化≤1250 Pa/3 s為合格.車內壓力的波動的大小，在很大程度上與車速有關.本文選取的是第一節車車廂內某一個測點在不同的車速下壓力變化情況進行研究.

由圖4可見，車速對車內壓力波動影響很大.當車速為50 km/h時，壓力變化最大值為150 Pa;車速為80 km/h時，車內壓力變化最大值為500 Pa，對應的最大最小值之差則為2.7倍.當列車以80 km/h運行時，在120 s左右時測點壓力瞬間從-200 Pa變化到240 Pa，瞬間壓力變化率達到了400 Pa/s以上，并能被人耳感受到，明顯影響到了舒適性.這主要是由于此次分析研究的深圳地鐵二號線后?！t樹灣地鐵路段，隧道截面有一個相當長的距離為矩形截面，因此列車在此段能加速到70 km/h，然后列車以此速度進入該段隧道圓形截面，出現了一段相當大的壓力波動.可見對于該車影響車內壓力波動主要由車速與隧道截面變化有關.因此當列車在隧道截面形狀變化過于劇烈的隧道內運行時，應該采取限速措施，速度應該低于50 km/h.

圖4 不同車速下車內壓力測點的壓力變化情況

受限于線路工況與列車實際運營要求，本次試驗車速最高為80 km/h，而新的城際客車車速可能要達到100～140 km/h，因此需要根據本次測試的結果擬合出該車在更高速度同等級運營條件下在隧道內運行時車內壓力變化情況.圖5是通過三次多項式擬合外推得到的車內壓力3 s內變化情況［3］，由圖5可見，當列車速度達到120 km/h時，車內壓力變化達到2 340 Pa/3 s，車內舒適性指標將不合格.

圖5 三次多項式擬合外推車內壓力變化情況

3.3 車內外壓力值變化關系研究

圖6是選取列車鼻尖處外部測點的壓力值與對應的車內部壓力測點壓力值.兩條曲線中上部曲線為列車鼻尖外部測點壓力變化值，下部曲線為列車鼻尖處對應的內部測點壓力變化值.由圖6可以看到，在該測點處車內外壓力波動趨勢基本一致，可見車內外壓力的波動是同相位的.提高車輛的密封性有助于降低車內的壓力波動值［4］.

圖6 鼻部后面位置的列車-隧道-壓力特征

4 仿真分析結果分析

4.1 列車在隧道內運行時壓力變化情況

本次分析，選取列車運行速度80 km/h.為了分析方便，本文選取列車的幾個特殊的時刻進行分析，分別是列車車頭剛剛進入隧道，列車完全進入隧道，列車在隧道內運行這幾個時刻.圖7(a)是列車車頭剛進入隧道的情況，由圖可見，列車高速進入隧道時，空氣流動受到隧道壁面的限制被阻滯，使列車前端靜止的壓力受到劇烈壓縮，所以列車進入隧道時以及列車進入隧道后列車頭部壓力繼續升高。列車前端的最大壓力高達1 550 Pa，比穩態運行高出很多.圖7(c)是列車完全進入隧道后壓力變化情況，此時車體表面的壓力分布很不均勻.中前部呈正壓狀態，而中后部則呈負壓狀態，且表面壓力變化較大。這與上文中實測結果壓力分布趨勢完全一致.圖7(d)是列車在隧道內運行時形成的壓縮波與膨脹波，形成壓力波的原因是因為列車以較高速進入隧道時，由于列車邊壁和隧道邊壁限制了空氣的側向流動和上下流動，從而使列車前方的空氣受到壓縮并隨列車向前移動，該處空氣產生壓力增量.增壓后的空氣又推動相鄰的靜止空氣向前運動，并產生壓力增量，這樣依次傳遞下去，在隧道內形成了壓力擾動波陣面.該波陣面以聲速沿隧道向前傳播，波陣面前方的空氣流速為零，而波陣面后方的空氣以一定的流速隨列車沿隧道向前流動［5］.

圖7 列車過隧道壓力變化情況

研究發現仿真分析時列車隧道效應更為明顯，這主要是由于本次測試時，受限于列車實際運營條件及線路距離，列車總是處于加速減速階段，不能長時間以較高速度運行，并且實際隧道很長;CFD計算可使列車保證任何期望的速度，但受限于計算規模，CFD計算時只能選取一段較短長度的隧道進行計算.盡管如此，計算發現當列車完全在隧道內穩定運行時，在頭尾部測點處，CFD仿真分析得到的測點數據與實測數據變化趨勢一致.并且實際中，此次仿真分析的結果對于線路實測布點有很好的指導作用.

5 結論

本文通過線路實測與仿真分析相結合，研究了地鐵車在隧道內運行的壓力以及阻力的變化，得出以下結論:

(1)列車在隧道內運行時，在列車頭型確定的前提下，車外的壓力分布趨勢主要取決于隧道形狀，在隧道截面變化處出現壓力峰值，壓力波動最為明顯.當隧道截面頻繁變化時，車外壓力波動也會隨之頻繁變化，此時應該對某些部件的結構疲勞給予關注;

(2)列車在隧道內運行時，車速對車內壓力波動值影響很大，車速為80 km/h時車內同一點的對應的壓力最大最小值之差比車速為50 km/h大2.7倍;通過三次多項式擬合外推可得到該車在更高速度同等級運營條件下在隧道內運行時車內壓力變化情況;在列車相同位置內外同一點處，車內外壓力波動趨勢基本一致，提高車輛的密封性有助于降低車內的壓力波動值;

(3)當列車完全進入隧道后在隧道內穩定運行時，數值計算與線路實測得到的車表面壓力分布規律基本吻合;

(4)隨著地鐵車速的進一步提高，對于列車本身來講，為降低列車在隧道內的運行阻力以及車內外壓力波動，需從源頭做起，即設計新的流線型頭型，保證全車的密封性［6］.

［1］WILLEMSEN E.High Reynolds number wind tunnel experiments on trains［J］.Journal of wind engineering and industrial aerodynamics，1997，69:437-447.

［2］武青海.列車空氣動力學數值仿真研究［J］.中國鐵道科學，2002，23(4):132-138.

［3］田紅旗.列車空氣動力學［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［4］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［5］北京交通大學城市軌道交通研究中心.［J］.長區間隧道與快速運營造成的影響［R］.北京:北京交通大學，2002.

［6］JOSEPH A SCHETZ.高速列車空氣動力學［J］.力學進展，2003，33:404-423.