CRH3A型動(dòng)車組通過隧道時(shí)的壓力變化試驗(yàn)與CFD計(jì)算

余以正，姜旭東，孫 健

(中國北車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司 技術(shù)中心基礎(chǔ)研發(fā)部，吉林 長春 130062)*

0 引言

由于空氣流動(dòng)受隧道壁的限制以及空氣的可壓縮性，高速列車通過隧道時(shí)將產(chǎn)生相當(dāng)大的壓力波動(dòng).這種瞬變壓力效應(yīng)會(huì)對列車、環(huán)境和旅客舒適性產(chǎn)生很大的影響，目前，隨著我國高速列車的發(fā)展，開展高速列車進(jìn)入隧道時(shí)引起瞬變壓力變化的研究是非常重要的.根據(jù)文獻(xiàn)［1-2］，在高速列車通過單線隧道過程中，其最大壓力變化量ΔP主要受列車速度、阻塞比等因素影響，受列車長度和隧道長度的影響較小.本文采用動(dòng)模型試驗(yàn)與三維流場數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對公司設(shè)計(jì)的CRH3A型動(dòng)車組以250 km/h的速度通過凈空面積80 m2的單線隧道時(shí)引起的車體表面及隧道壁瞬變壓力變化量ΔP問題進(jìn)行研究，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析與評價(jià).

1 動(dòng)模型試驗(yàn)

1.1 動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)基本原理

動(dòng)模型試驗(yàn)根據(jù)流動(dòng)相似原理［3］，將動(dòng)車組、隧道和線路等物體按幾何相似制作成縮比模型，通過彈射使模型動(dòng)車組在模型線路上無動(dòng)力高速運(yùn)行，模擬兩交會(huì)動(dòng)車組、動(dòng)車組與地面、動(dòng)車組與周圍環(huán)境之間的相對運(yùn)動(dòng)，真實(shí)再現(xiàn)高速動(dòng)車組交會(huì)、過隧道、列車風(fēng)等空氣三維非定常可壓縮流動(dòng)過程，獲得具有相對運(yùn)動(dòng)的動(dòng)車組空氣動(dòng)力特性.

1.2 模型實(shí)際布置情況

動(dòng)模型試驗(yàn)中，隧道截面圖與隧道模型見圖1所示.在軌道和隧道模型設(shè)計(jì)時(shí)，嚴(yán)格控制模型阻塞比(動(dòng)車組橫截面和隧道凈空面積比)和實(shí)際動(dòng)車組過隧道的阻塞比相等.

圖1 測點(diǎn)布置及典型測點(diǎn)示意圖

1.3 模型測點(diǎn)布置情況

圖2為列車表面測壓點(diǎn)布置示意圖，試驗(yàn)中在車頭、車尾、車側(cè)面共布置有52個(gè)測點(diǎn)，并在隧道壁面布置測點(diǎn)數(shù)17個(gè).本文限于篇幅，僅研究列車過隧道時(shí)車身表面壓力變化，并選取3個(gè)典型測點(diǎn)進(jìn)行研究，3個(gè)典型測點(diǎn)分別位于鼻尖點(diǎn)，車頭側(cè)面變化最大部位點(diǎn)以及車側(cè)窗點(diǎn).

圖2 動(dòng)模型試驗(yàn)隧道截面與隧道模型

2 數(shù)值仿真分析

利用STARCCM+大型流場計(jì)算商用軟件，根據(jù)流場特點(diǎn)，數(shù)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(qū)采用低Re數(shù)修正與壁面函數(shù)相結(jié)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［4］.

CFD計(jì)算模型、隧道長度、計(jì)算測點(diǎn)保證與動(dòng)模型試驗(yàn)完全一致.車頭是影響計(jì)算結(jié)果的重要部位，因此在該區(qū)域分布了較密的網(wǎng)格以保形，同時(shí)根據(jù)流動(dòng)特點(diǎn)規(guī)劃分區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以保證模擬精度.在車身連接處，轉(zhuǎn)向架、風(fēng)檔和空調(diào)等部位都進(jìn)行了網(wǎng)格加密.對曲率變化較大的部分和關(guān)鍵區(qū)域都進(jìn)行了網(wǎng)格加密，以滿足此類問題計(jì)算對網(wǎng)格的要求，近壁面第一層網(wǎng)格最小網(wǎng)格高度為0.5 mm.圖3是整車車體表面網(wǎng)格，圖4是計(jì)算域示意圖.

圖3 整車車體表面網(wǎng)格

圖4 列車過單線隧道計(jì)算域

3 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)分析

選取車頭鼻尖點(diǎn)，車頭側(cè)面變化最大部位點(diǎn)以及車側(cè)窗點(diǎn)3個(gè)主要測點(diǎn)進(jìn)行分析.由圖5～7可見:仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果可以互相驗(yàn)證.

圖5是列車車頭鼻尖點(diǎn)從進(jìn)入隧道到出隧道整個(gè)壓力變化過程.隨著列車朝隧道入口高速駛近，車頭前方的氣流受到車頭排擠和前方隧道壁面的限制，車頭鼻尖點(diǎn)壓力逐漸開始升高.在列車正要進(jìn)入隧道前，列車前端面與隧道洞口之間的有效流動(dòng)面積逐漸減少，使車頭前方氣流受到強(qiáng)烈的擠壓作用，車頭鼻尖點(diǎn)壓力快速增大，當(dāng)車頭完全進(jìn)入隧道時(shí)，壓力在圖5中A點(diǎn)達(dá)到最大值.此過程產(chǎn)生空氣壓縮波，并以音速沿隧道向前傳播，使列車前方隧道中的空氣壓縮和加速.隨著列車進(jìn)一步駛?cè)胨淼溃囶^前方的一部分氣流通過環(huán)狀空間加速向列車后方流動(dòng)，車前壓力逐漸下降;當(dāng)車尾部開始進(jìn)入隧道后，隧道壁面與車尾部構(gòu)成的空間突然擴(kuò)大，該空間對車尾前后的氣流有一個(gè)抽吸作用，使原來通過環(huán)狀空間流向尾部的氣流流速增大，并且隧道外部氣流也開始流入該空間，以填補(bǔ)列車通過后留下的空間.這時(shí)在列車尾部有一個(gè)壓力的突然下降，產(chǎn)生空氣膨脹波.此時(shí)車頭鼻尖點(diǎn)壓力以較大的壓力梯度繼續(xù)降低，并在圖5中B點(diǎn)達(dá)到最小.隨后壓縮波以聲速傳至鼻尖處，鼻尖處壓力又開始上升，到C點(diǎn)達(dá)到另一個(gè)峰值，壓縮波與膨脹波如此反復(fù)，體現(xiàn)在車頭鼻尖點(diǎn)是壓力不斷的波動(dòng).車頭鼻尖點(diǎn)的最大壓力變化量 ΔP=2.6 kPa.

圖5 車頭鼻尖點(diǎn)壓力變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)

圖6是車頭側(cè)面變化最大部位點(diǎn)與側(cè)窗測點(diǎn)壓力變化曲線.由圖可見該兩測點(diǎn)壓力變化曲線與鼻尖點(diǎn)部位壓力變化趨勢一致，只是有個(gè)時(shí)間差，這是由于測點(diǎn)不同時(shí)間進(jìn)入隧道所致.另外也證明列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)車體表面各測點(diǎn)的壓力變化主要取決于列車車頭剛進(jìn)入隧道時(shí)形成的壓縮波與車尾進(jìn)入隧道時(shí)形成的膨脹波，一旦高速列車頭型確定，在同一阻塞比前提下高速列車壓力波特性也確定，因此設(shè)計(jì)出合理的頭型對列車在隧道內(nèi)運(yùn)行壓力波特性至關(guān)重要.車頭側(cè)面變化最大部位點(diǎn)最大壓力變化量ΔP=2.1 kPa;車頭側(cè)窗點(diǎn)最大壓力變化量ΔP=2.2 kPa.可見鼻尖點(diǎn)最大壓力變化量ΔP比其他測點(diǎn)壓力變化量大.

圖6 兩測試點(diǎn)的壓力變化曲線

3.2 CFD計(jì)算云圖分析

圖7是列車從剛剛進(jìn)入隧道到完全進(jìn)入隧道并在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)不同時(shí)刻的壓力變化云圖.圖7(a)為列車剛進(jìn)入隧道瞬間壓力云圖，從圖中可見，車頭前端表面部分的壓力最高(為高壓區(qū))，而車頭側(cè)面與頂面拐角處較低(低負(fù)壓)，列車中間車體表面的壓力為負(fù)壓.圖7(b)是車頭進(jìn)入隧道0.05 s后車體表面以及隧道表面壓力變化云圖，由于運(yùn)動(dòng)流場的影響，車頭前端高壓朝前方輻射，使隧道內(nèi)車頭前方附近的空間流場壓力較高為正壓區(qū)，距車頭越遠(yuǎn)壓力越低.而且，在車頭前方的隧道面上，隧道壁面附近區(qū)域的壓力隨高度增加稍有降低.圖7(c)是車尾完全進(jìn)入隧道后列車表面以及隧道表面壓力云圖，此時(shí)列車尾部完全進(jìn)入隧道產(chǎn)生的膨脹波已傳到車體表面，使得車體表面以及附近隧道壁表面壓力急劇下降并形成負(fù)壓.圖7(d)是列車在隧道內(nèi)運(yùn)行0.45 s后車體表面與隧道壁表面壓力云圖，此時(shí)車頭產(chǎn)生的壓縮波傳播到車體表面，使得車體表面以及隧道壁表面的壓力又開始增加.

車頭和車尾進(jìn)入隧道入口將分別產(chǎn)生(正壓)壓縮波和(負(fù)壓)膨脹波，并以音速往返傳播和反射.車尾的壓力在通過隧道過程中有正負(fù)壓間的較大變化.隧道中流場的壓力變化主要是車頭、車尾壓力區(qū)交替通過和隧道壓縮波與膨脹波往返傳播、反射等影響造成.列車頭尾部通過隧道時(shí)其附近的隧道內(nèi)流場呈現(xiàn)一定的三維變化過程.根據(jù)測點(diǎn)取值發(fā)現(xiàn)在一定的相同高度上，沿高速隧道壁面所感受的最大壓力變化量較列車表面的大.

圖7 CRH3A單車過隧道不同時(shí)刻壓力變化云圖

4 結(jié)論

利用動(dòng)模型試驗(yàn)與CFD方法，對CRH3A型城際動(dòng)車組以時(shí)速250 km通過凈空面積80 m2的隧道時(shí)引起瞬變壓力變化問題研究可得到以下結(jié)論:

(1)單列車過隧道時(shí)隧道中流場壓力變化主要是列車車頭剛進(jìn)入隧道時(shí)形成的壓縮波與車尾進(jìn)入隧道時(shí)形成的膨脹波在隧道內(nèi)往返傳播、反射等影響造成，列車過隧道時(shí)頭尾部附近的隧道內(nèi)流場呈現(xiàn)一定的三維變化過程;列車表面和隧道側(cè)壁面所感受的最大壓力變化量主要出現(xiàn)在列車頭尾進(jìn)入隧道入口前后的過程中;

(2)CRH3A動(dòng)車單車通過80 m2隧道時(shí)，車頭鼻尖點(diǎn)最大壓力變化量ΔP=2.6 kPa，車頭側(cè)面變化最大部位點(diǎn)最大壓力變化量ΔP=2.1 kPa;車頭側(cè)窗點(diǎn)最大壓力變化量ΔP=2.2 kPa.

(3)高速隧道壁面感受的最大壓力變化量發(fā)生在隧道壓力波充分發(fā)展的入口區(qū)段，此后，隨測點(diǎn)距隧道入口距離的增大，其最大壓力變化量衰減;

(4)在相同高度上，沿高速隧道壁面所感受的最大壓力變化量較列車表面的大;

(5)列車通過隧道時(shí)，一旦高速列車頭型確定，在同一阻塞比前提下高速列車壓力波特性也確定，這點(diǎn)與文獻(xiàn)［5］中結(jié)論一致.因此設(shè)計(jì)出合理的頭型對列車在隧道內(nèi)運(yùn)行壓力波特性至關(guān)重要.

［1］AKIYA Y.Pressure variations，Aerodynamic drag of train and natural ventilation in SHIN KANSEN type tunnel［J］.Quarterly report of RTRI，1974，4(15):207-214.

［2］AHMED S R.Aerodynamics of road and rail vehicles［J］.Vehicle System Dynamics，1985(14):319-392.

［3］田紅旗.列車空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［4］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［5］長區(qū)間隧道與快速運(yùn)營造成的影響［R］.城市軌道交通研究中心，2012.