保溫套襯對季凍區隧道空氣動力學的影響研究

劉龍衛 侯占鰲 崔光耀 祁家所

(1. 中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶 401123；2. 北方工業大學， 北京 100144)

我國季節性凍土面積遼闊，占版圖面積的53.5%，其中西北、華北、東北以及西南高海拔山區分布密集[1]。近年來，我國交通基礎設施持續、深入發展，季凍區鐵路隧道大量涌現，運營期間凍害不斷出現，其危害已嚴重影響鐵路隧道的運營安全。

研究表明，聚氨酯-波紋鋼板保溫套襯對季凍區隧道保溫效果明顯[2-3]。但隧道的凈空面積會因保溫套襯的增設相對減少，這將對隧道內列車高速通過時的空氣動力學效應產生影響。目前國內外專家、學者主要對不同隧道長度、速度等級、緩沖結構等因素進行了大量研究[4-11]，但對于隧道不同凈空面積的研究，特別是對隧道增設套襯對于襯砌空氣動力學影響方面的研究較少。本文基于有限體積法，采用CFD流體動力學軟件進行建模，后將模型導入Fluent進行計算并輸出計算結果。建立列車在不同凈空面積下以一定速度通過隧道的Fluent計算模型，使用滑移網格技術，模擬運動狀態下，列車在隧道內穿行時的三維非定常可壓縮理想空氣流場，研究高速列車在隧道不同位置時，隧道襯砌空氣動力學效應的變化規律。

1 榆樹川隧道工程概況

榆樹川隧道處于布爾哈通河低山丘陵區，隧道最大埋深158 m，全長 2 211 m，進口里程DK 237+624，出口里程DK 239+835。布爾哈通河低山丘陵區屬于北亞溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候，最冷月的平均氣溫為-15.2 ℃，根據影響鐵路工程的氣候分區，布爾哈通河低山丘陵區為嚴寒地區。冬季酷寒漫長，夏季溫暖短促，極端最低氣溫曾達 -37.1 ℃，因此隧道設計需增設保溫套襯。已知隧道掌子面未增設保溫套襯時的內輪廓凈空面積為72 m2，增設保溫套襯后的隧道凈空面積減少為 69 m2，隧道掌子面設計如圖1所示。

圖1 掌子面設計圖(m)

2 數值模擬模型建立

采用計算流體動力學軟件CFD、FLUENT共同完成此次模擬。由于CFD軟件自帶的滑移網格劃分技術能夠很好地模擬三維非定常可壓縮流場，因此采用CFD進行模型全程的建立與網格劃分。FLUENT通過有限體積算法，把整個流體計算模型進行區域分類，將區域模型劃分為系列控制體積，然后對劃分好的控制體積進行待解微分方程積分，最終解得一組積分后的離散方程。

列車穿行隧道的空氣動力學計算過程屬于大區域變形運動過程，CFD的滑移網格技術是針對大區域變形運動的網格劃分技術，其流體網格根據隧道內列車位置的不斷變化而作相應調整，要求每一個時間步均需向CFD計算提供計算信息。

本文將計算域分為隧道、空氣、車體三部分。空氣狀態采用密度為1.185 kg/m3的可壓縮空氣。

2.1 計算模型

數值模擬列車高速通過隧道時的三維非定常可壓縮理想空氣流場，分別計算200 km/h列車通過增設保溫套襯隧道(凈空面積為 69 m2)和未增設保溫套襯隧道(內輪廓凈空面積為72 m2)兩個流場[12]。受列車的復雜外形和FLAC3D計算條件的限制，在不影響模型計算精度的情況下，對列車模型作適當簡化，隧道長取200 m，FLUENT列車隧道模型如圖2所示。

圖2 fluent模型圖

2.2 計算網格

由于客運專線列車高速通過隧道引起的流場變化屬于三維非定常問題，模型網格技術采用分區對接網格。其中地面、襯砌、隧道采用六面體結構網格離散，列車采用四面體的非結構化網格進行劃分。不斷重劃分共同滑移面之間網格，可將數據在各區域間完成交換。

2.3 邊界條件設置

本文fluent模型設置出口、速度和固定壁面邊界。具體設置如下：(1)速度邊界根據不同的列車速度分別設置；(2)隧道內部氣壓與外部大氣相通，出口邊界設置壓力出口邊界；(3)軌道壁面、列車壁面、隧道壁面均設置為固定壁面，邊界條件為無滑動位移，模型流體速度為0[13]。

2.4 測點布置

沿隧道入口每隔50 m設置1個監測斷面，共設置3個(分別為隧道進口、隧道中部、隧道出口)監測斷面，監測點的斷面布置如圖3所示，斷面監測點布置如圖4所示。

圖3 監測斷面布置圖

圖4 監測點布置圖

3 計算結果分析

列車分別在未增設保溫套襯隧道(內輪廓凈空面積為72 m2)與增設保溫套襯隧道(凈空面積為 69 m2)運行0～1.08 s的隧道襯砌壓力如圖5～圖12所示。

圖5 0 s未增設保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

圖6 0 s增設保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

圖7 0.36 s未增設保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

圖8 0.36 s增設保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

圖9 0.72 s未增設保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

圖10 0.72 s增設保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

圖11 1.08 s未增設保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

圖12 1.08 s增設保溫套襯隧道襯砌壓力云圖(Pa)

由圖5～圖12可知，隧道襯砌所受壓力的最大值部位隨列車的運行一同移動。在列車行駛到同一位置時，增設保溫套襯隧道的襯砌壓力均大于未增設保溫套襯隧道的襯砌壓力。

當列車全程通過時，未增設保溫套襯隧道(內輪廓凈空面積為72 m2)與增設保溫套襯隧道(凈空面積為69 m2)襯砌在隧道進口、隧道中部、隧道出口處的壓力變化如表1、表2所示。

表1 未增設保溫套襯隧道襯砌壓力表

表2 增設保溫套襯隧道襯砌壓力表

由表1可知，當列車接近某一位置襯砌時，該位置襯砌壓力達到最大值，由表2可知，隧道凈空面積減小后，隧道襯砌壓力明顯增大。

未增設保溫套襯隧道(內輪廓凈空面積為72 m2)與增設保溫套襯隧道(凈空面積為69 m2)襯砌的壓力變化如圖13～圖15所示。

圖13 隧道進口襯砌壓力變化圖

圖14 隧道中部襯砌壓力變化圖

圖15 隧道出口襯砌壓力變化圖

由圖13～圖15可知，在車頭到達時，隧道襯砌內壁壓力變化達到最大，無論是否增設套襯，隧道襯砌內壁在車頭到達時的壓力變化均達到最大。隧道增設保溫套襯后，由于凈空面積的減小，襯砌空氣動力學影響增加，在車頭到達時，隧道進口襯砌壓力變化較未增設保溫套襯增加2.93%，中部襯砌壓力變化較未增設保溫套襯增加6.29%，出口襯砌壓力變化較未增設保溫套襯增加3.22%。

不同凈空面積隧道不同位置的襯砌壓力變化最大值如圖16所示。

圖16 隧道襯砌壓力變化最大值圖

由圖16可知，隧道襯砌所受壓力變化最大值均出現在隧道中部以后，隧道中部以后的壓力變化最大值成收斂趨勢，隧道進口至中部的壓力變化最大值相對較小，成線性增長趨勢。

4 結論

(1)隧道襯砌內空氣動力學影響在列車車頭到達時達到最大，車頭經過后空氣動力學影響逐漸減弱。

(2)當隧道凈空面積由72 m2減少為69 m2時，空氣動力學影響受凈空面積的減少而增大，隧道進口襯砌壓力變化增加2.93%，中部襯砌壓力變化增加6.29%，出口襯砌壓力變化增加3.22%。

(3)季凍區隧道增設保溫套襯后，隧道空氣動力學影響增大，空氣動力學影響最大處出現在隧道中部以后。

(4)列車運行穿過隧道中部后，隧道襯砌壓力變化最大值成收斂趨勢，之后不再增長。