高速列車過隧道時對接觸網安全性的影響分析

王國志，孫海振，于蘭英，柯　堅，吳文海

(西南交通大學機械工程學院，成都　610031)

?

高速列車過隧道時對接觸網安全性的影響分析

王國志，孫海振，于蘭英，柯堅，吳文海

(西南交通大學機械工程學院，成都610031)

為研究高速列車過隧道時對接觸網系統安全性的影響，采用數值模擬的方法，利用滑移網格技術，對不同編組的高速列車以350 km/h的速度分別通過單線隧道和雙線隧道的過程進行仿真，通過監測吊柱位置處的氣流速度和氣體壓力，得到隧道內活塞風特性；基于氣動特性仿真結果，對接觸線風振響應進行模擬仿真，得到隧道內接觸線位移偏量范圍。結果表明，列車編組越多，隧道斷面越小，列車車速越大，形成的列車風速度越大，氣動特性越顯著；列車進入隧道入口瞬間，接觸線有最大正向位移偏量為2.92 mm。

高速列車；隧道；接觸網;安全性;數值模擬；活塞風;風振響應

隨著列車的提速，由于高速列車過隧道時產生的氣動效應而引起的一系列問題也得到越來越多的關注和研究[1-5]。當高速列車由隧道外明線駛入隧道時，列車周圍空間受到限制以及空氣本身的可壓縮性和黏性，列車周圍的空氣受到擠壓，產生很大的壓力波動，并且列車的運行會引起周圍流場空氣的運動，形成活塞風。一方面，隧道內瞬變壓力會影響乘車舒適性和車輛的結構氣動載荷，甚至隧道內產生的壓力的波動會危及隧道內工作人員的安全；另一方面，氣流速度的瞬變將會對隧道襯砌和隧道內接觸網系統形成一定的沖擊作用，反復的作用將會導致接觸網零件的疲勞損傷和結構破壞，從而降低接觸網壽命。因此，對高速列車過隧道過程的氣動效應進行分析有著重要的現實意義[6]。

在高速列車通過隧道時，進行現場實時監測或實驗室模擬的方法進行氣動特性的研究不僅費用高，而且不能清晰地觀察隧道內氣體流態的變化，不能很好地掌握流場的性質。因此，結合列車空氣動力學理論，通過數值模擬的方法，從弓網系統安全性的角度出發，對高速列車過隧道時引起的氣動效應進行分析研究，為高速列車及隧道的設計提供參考。

1　數值計算

1.1計算方法

高速列車通過隧道引起的氣流流動十分復雜，流場雷諾數大于，流動處于紊流狀態即為湍流運動[7]，是一種高度復雜的三維運動、帶漩渦的不規則流動，在紊流中，流體的各種參數，如溫度、速度、壓力等都隨時間和空間發生隨機變化，根據高速列車過隧道時流體的流動實際情況和計算條件的限制，選擇采用Reynolds時均方程，結合k-ε兩方程模型，利用滑移網格技術對不同工況下高速列車通過隧道時的氣動現象進行CFD數值模擬，得到隧道內氣體在監測位置處的速度特性和壓力特性[8]；然后通過提取CFD仿真中接觸線位置的氣動特征，將風速轉化為風載作用在接觸線上，通過有限元的方法對接觸線進行風振響應分析[9]。

1.2計算模型

本文列車模型分別取CRH380A 8車編組和CRH380AL 16車編組的高鐵列車，其列車結構化網格模型如圖1所示。

圖1　列車過隧道模型

列車運行以350 km/h的速度通過隧道，斷面面積分別取70 m2單線隧道斷面和100 m2的雙線隧道斷面[10]，根據文獻[11]，當隧道長度為列車長度的3.5倍時，隧道內氣動效應對隧道產生最不利影響，仿真時隧道長度取710 m，其斷面如圖2和圖3所示。

圖2　70 m2單線隧道斷面(單位：cm)

圖3　100 m2雙線隧道斷面(單位：cm)

1.3計算區域

本文采用滑移網格技術[12]，將計算區域分成兩個部分，移動區域和靜止區域。移動區域為列車外邊面及沿列車行駛前后部分，其余為靜止區域。計算區域的邊界條件如表1所示。

表1　計算區域邊界條件

2　氣動特性分析

為了研究高速列車過隧道時接觸網系統的氣動特性，以隧道內接觸網吊柱位置為監測點，其監測位置分布如圖4所示。

圖4　計算區域(單位：m)

2.1速度特性

通過數值模擬仿真，分別得到8車編組和16車編組在不同隧道斷面內運行時的沿列車運行方向的速度特性，并提取得到監測點A、B、C、D、E隨列車運行時間變化的速度-時間曲線分別如圖5、圖6和圖7所示。

圖5　單線隧道斷面吊柱處各監測點處的氣流速度變化

圖6　雙線隧道斷面吊柱處各監測點處的氣流速度變化

圖7　監測位置C點速度變化

由圖5、圖6吊柱位置處速度特性曲線，可以看出，列車未達到測點位置時，由于壓縮波向列車運行方向傳播，列車前方的吊柱受到與列車運行方向一致的壓縮波的沖擊；當列車到達隧道內測點時，測點的氣流速度發生突變，且與列車運行速度相反，氣流向隧道入口流動，當列車尾部到達隧道內測點之前，氣流保持對吊柱的平穩沖擊，氣流速度基本不變，氣流絕對速度達到最大；列車遠離測點時，車體尾部發生氣流的劇烈擾動形成渦旋，使氣流絕對速度迅速降低，速度方向改變，并很快達到正向最大值，并趨于平穩，隨列車向隧道出口流動。

通過觀察每一個點的速度變化曲線，可以得到，每一個測點的突變波形保持一致，列車壓迫車前氣體形成壓縮波，使壓縮波向出口運動；列車剛進入隧道時和駛出隧道時，氣流速度突變幅度比隧道中間各測點要大，沿接觸線方向，從隧道入口到隧道出口，各吊柱位置處的氣流絕對速度先增加后減小，在隧道入口和出口處，隧道內吊柱受到的沖擊更大，隧道中間位置的懸掛系統零件受到的沖擊相對較?。灰虼耍诮Y構設計中應重點考慮入口和出口處的接觸網懸掛系統零件的安全性。

圖7描述了隧道中點C點的速度特性，通過比較8車編組和16車編組列車以相同速度通過100 m2雙線隧道時C點的氣流速度變化，可以看出，列車編組越多，列車風速度越大，負向絕對值越小，但列車編組越多，氣流速度峰值區間內作用時間越長，峰值區間為列車通過測點的時間。相同編組的列車分別通過單線隧道和雙線隧道時，在相同測點處，單線隧道內列車風速度突變較大，這是由于單線隧道斷面面積較小，隧道內空間小，隧道內氣體被壓縮嚴重，導致列車前部壓縮波和列車尾部的膨脹波擾動劇烈。由上述可知，適當增加列車編組和隧道截面積，有利于減小隧道內的氣動效應。

2.2壓力特性

吊柱位置監測點在列車運行時壓力隨時間變化的曲線如圖8、圖9、圖10所示。

圖8　單線隧道斷面吊柱處各監測點處的壓力變化

圖9　雙線隧道斷面吊柱處各監測點處的壓力變化

圖10　監測位置C點壓力變化

從監測點的壓力曲線可以看出，列車進入隧道時，隧道入口處A點瞬變壓力較B、C點小，這是因為隧道入口處氣體受到幾何空間限制小，列車剛進入隧道，一部分氣體被排出隧道外，隧道入口處壓力瞬變就相對較??；隨著高速列車進入隧道，幾何空間受到限制，以及空氣本身的可壓縮性和黏性使得空氣不能及時、順利的沿車體兩側和上部流動，從而使列車前方的氣體受到壓縮，將產生相當大的壓力波動，產生一個正壓區，形成車前壓縮波，并以聲速向前傳播，因此各監測點的瞬變壓力幾乎同時達到最大，在列車完全進入隧道時，隧道內氣體空間最小，隧道內的瞬變壓力達到最大值。當車尾離開監測點時，車體上部原來被壓縮的氣體膨脹，車尾形成漩渦，監測點處壓力驟降，出現一個負壓區，形成膨脹波，向隧道出口傳播，監測點的壓力開始增加，并趨于大氣壓。

從壓力曲線可以看出，由于氣體間的黏性和摩擦作用，使得壓縮波的能量損失，導致列車進入隧道時B、C、D、E點的瞬變壓力逐漸減小；單線隧道的瞬變壓力比雙線隧道瞬變壓力大，表明阻塞比對隧道內氣動特性有顯著影響。

3　接觸線的位移偏量分析

由CFD仿真結果可知，在橫向上，列車風速很小可以忽略接觸線的橫向偏移；在列車運行方向，盡管列車風速很大，但對接觸線的軸向影響很小，所以本文只考慮接觸線的豎直偏移量。接觸線作為配電線路的同時又是受電弓的滑道，只有接觸線不離開受電弓的工作范圍，弓網系統才能正常運行。正值時，將接觸線向上吹，作用力為氣動升力。氣動升力過大，有可能使接觸線與受電弓脫離接觸；為負值時，將接觸線向下吹，使得受電弓與接觸線之間的接觸應力增大，增加了接觸線的損耗，因此，對接觸線的豎直方向的位移偏量的研究有著重要的現實意義[13]。

通過風振響應分析得到接觸線的最大位移偏量為2.92 mm，最小偏移量為-2.03 mm，如圖11所示，從圖中可以看出，在列車進入隧道入口瞬間，接觸線有最大位移偏量，隧道內其他位置測點的接觸線位移偏移差別不大，接觸線處于上下波動的狀態，這是由于列車進入隧道瞬間，列車周圍空間突變，而在隧道內車前壓縮波和車尾膨脹波交替進行引起的。

圖11風振響應位移偏量

4　結論

(1)隧道入口和出口處，速度突變較大，給接觸網懸掛系統零件造成的沖擊較嚴重，作用在零件上風壓也越大，接觸線位移偏量相對較大，向上最大位移偏量為2.92 mm，向下最大偏移量為2.03 mm。

(2)列車編組越多，形成的列車風速度越大，風速都與列車運行速度相反，對接觸網懸掛系統的作用時間越長，作用時間為高速列車車頭到達某一截面至車尾到達該截面的時間區間。

(3)相同車速下，隧道斷面增加時，隧道內氣流瞬變絕對速度較小，氣動效應相對減弱，即阻塞比越小，隧道內氣動效應越不明顯。

(4)遠離隧道口的地方，氣流的絕對速度突變越來越小，應合理選擇隧道內吊柱位置，盡可能遠離隧道口。

[1]張三剛.高速鐵路隧道空氣動力學效應若干問題的探討[J].城市建設理論研究:電子版，2015，5(13).

[2]Heine D，Ehrenfried K.Experimental Study of the Pressure Rise due to Tunnel Entry of a High-Speed Train[M]∥New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics IX.Springer International Publishing，2014:335-342.

[3]Riccoa P，Baronb A，Moltenib P.Nature of pressure waves induced by a high-speed train travelling through a tunnel[J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，2007，95(8):781-808.

[4]He X H，Zou Y F，Wang H F，et al.Aerodynamic characteristics of a trailing rail vehicles on viaduct based on still wind tunnel experiments[J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，2014，135:22-33.

[5]趙有明.高速鐵路隧道氣動效應[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[6]梅元貴，王瑞麗，許建林，等.高速列車進入隧道誘發初始壓縮波效應的數值模擬[J].計算力學學報，2016(1)：95-101.

[7]欒飛舟，陳麗華.基于域動網格技術的列車外形對氣動性能的影響研究[J].機電工程，2012(6):658-661.

[8]汪宏睿，劉志剛，宋洋，等.高速鐵路接觸線氣動參數仿真及風振響應研究[J].振動與沖擊，2015(6):6-12.

[9]梅元貴，周朝暉，許建林.高速鐵路隧道空氣動力學[M].北京：科學出版社，2009.

[10]王英學.高速鐵路隧道空氣動力效應控制技術[M].北京：科學出版社，2012.

[11]關永久.高速列車在隧道內會車過程的氣動特性研究[D].成都：西南交通大學，2010.

[12]施成華，楊偉超，彭立敏，等.高速鐵路隧道列車風作用下接觸網安全性分析[J].中南大學學報:自然科學版，2012，43(9):3652-3658.

[13]蔣錫健.基于有限元法的鐵路接觸網附加導線的風偏分析[J].機械與電子，2012(6):67-70.

[14]陳榮.活塞風對接觸線的影響研究[D].成都：西南交通大學，2013.

Analysis of Influences of High-speed Train Through the Tunnel on Catenary’s Safety

WANG Guo-zhi，SUN Hai-zhen，YU Lan-ying，KE Jian，WU Wen-hai

(School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

In order to study the influences on catenary’s safety by high-speed train passing through the tunnel，the numerical simulation method and the sliding mesh technology are used to simulate respectively the processes of different high-speed train combinations passing through single track tunnel and double track tunnel at the speed of 350 km/h.The characteristics of piston wind in the tunnel by are obtained monitoring the air velocity and air pressure at the davit.Based on aerodynamic performance simulation results，the wind-induced vibration response of the contact line is simulated to obtain the range of the aerodynamic noise and the contact line displacement.The results show that the speed of the train winds is increasing with the increase of the train length and train speed and the decrease of the tunnel section，the higher the train speed，the more remarkable the aerodynamic performance.The contact line has the maximum forward displacement of 2.92 mm the moment when the train enters the tunnel.

High-speed train; Tunnel; Catenary; Safety; Numerical simulation; Piston wind; Wind-induced vibration response

2016-03-22；

2016-04-06

王國志(1969—)，男，副教授，研究方向：隧道安全性研究、機電液一體化、鐵路絕緣子清洗，E-mail：shzzhen@163.com。

1004-2954(2016)10-0118-04

U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.026