400 km/h高速鐵路隧道洞口等截面無開孔擴大型緩沖結構氣動效應分析

王維洲 鐘登朝 胖 濤 梅元貴

(1.蘭州交通大學甘肅省軌道交通力學應用工程實驗室， 蘭州 730070；2.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

高速列車駛入隧道產生初始壓縮波，壓縮波以音速傳播至隧道出口處向外輻射形成壓力脈沖波，使得洞口外產生“轟鳴聲”，強度足夠大時還會產生音爆，嚴重影響隧道周圍環境和居民生活。針對這一問題，國內外專家、學者開展了大量的試驗和研究工作。日本學者發現列車進入隧道產生的壓縮波最大壓力梯度近似與車速的3次方成正比，提出在隧道進口端加裝緩沖結構的措施，并系統研究了開孔型的喇叭口擴大型和等截面擴大型緩沖結構，有效地解決了既有速度下的微氣壓波問題[1-3]。德國學者Hieke等針對300 km/h隧道微氣壓波問題，研究了洞口斜切、兩側開孔和頂部開孔等緩沖結構，并進行了線路測試驗證[4-5]。法國學者Rety等研究了緩沖結構洞門斜切角度對列車進入隧道引起壓縮波梯度的影響規律[6]，Uystepruyst等研究了圓錐及拋物線漸變擴大斷面和等截面擴大型無開孔緩沖結構的減緩氣動效應，并給出了等截面擴大斷面面積與隧道斷面面積之比在不同速度等級下(250～400 km/h)的優化值[7]。英國學者Vardy等采用動模型試驗方法研究了兩側開孔的長大緩沖結構，并進行了大小孔的比較[8]。中國學者陶偉明研究了洞口緩沖結構、洞身輔助坑道和隧道群開口連接明洞對微氣壓波的減緩效果[9]，馬偉斌等總結了多條線路的微氣壓波測試結果和變化規律[10]，吳劍等總結了300～350 km/h高速鐵路雙線隧道壓縮波的洞內傳播激化特征[11]，趙勇等總結了350 km/h隧道緩沖結構的型式、參數和氣動效應[12]，也得出了高速列車進入大斷面雙線隧道產生的壓縮波最大梯度和微氣壓波與列車速度的3次方成正比的結論[13]。

截至目前，針對400 km/h隧道微氣壓波的研究較少，而400 km/h隧道微氣壓波問題更為嚴重，對隧道的防治措施也提出了更高要求。基于此，本文采用基于CFD軟件的三維可壓縮非定常湍流流動有限體積法和重疊網格法，研究400 km/h高速列車進入未設緩沖結構、設置無開孔等截面、無開孔擴大斷面型緩沖結構隧道的初始壓縮波波形和壓力梯度的變化規律，比較了不同緩沖結構斷面面積與隧道斷面面積比值對壓縮波波形和降低壓力梯度的影響規律，本文研究結果可為400 km/h隧道緩沖結構和設計提供基礎。

1 研究方法

本文采用STAR CCM+流體仿真軟件進行數值計算。模型計算采用的控制方程為三維可壓縮非定常的N-S方程，離散方法采用有限體積法，湍流模型選用k-SST模型。網格生成采用重疊網格方法，壁面采用全y+壁面處理。

重疊網格法將計算區域劃分為背景區域和重疊區域，重疊區域包含列車。設置Free Stream邊界、wall邊界、overset邊界3種邊界條件。地面、車體、緩沖結構和隧道為wall邊界，車體周圍為overset邊界，其他為Free Stream邊界。受網格數量的限制，本文忽略了道床和軌道對高速列車通過隧道和緩沖結構時產生壓力波的影響。

初始條件：列車運行速度為400 km/h，遠場壓力值取為 101 325 Pa，參考溫度為288 K。列車采用光滑啟動的方法從靜止狀態加速到運行速度，然后包含列車的重疊區域保持勻速狀態運行直至設定的計算時刻結束。

2 計算模型及計算域

2.1 動車組計算模型

本文采用國內400 km/h某型4節編組動車組的全尺寸模型，列車模型保留了轉向架和風擋，忽略了受電弓。模型全長209 m,列車車高4.1 m,鼻長12 m,截面面積為11.88 m2。

2.2 計算域及網格劃分

本文的計算域高100 m，寬200 m，長803 m。選取長200 m的雙線隧道，隧道內凈空面積為100 m2。為減少網格數量，節省計算資源，采用分區域劃分網格的方法，對背景區域和重疊區域分別進行合理的網格劃分。劃分網格時，流場變化不大的空間網格尺寸較大，在流場變化劇烈的空間(如緩沖結構、頭車、車尾、轉向架以及風擋等)設置加密塊，同時要求不同網格尺寸之間平穩過渡，保證網格數量在各個空間的合理分配，避免網格數量過大導致計算迭代誤差過大。此外，為提高計算精度，在車體表面、風擋、隧道壁面處生成了邊界層網格。

3 計算結果與分析

3.1 初始壓縮波的形成

將動車組進入緩沖結構的時刻定義為零時刻，動車組進入緩沖結構時隧道內的壓力分布如圖1所示。由圖1可以看出，t=-0.108 s時，列車鼻尖距離緩沖結構洞口1個鼻長，緩沖結構內壓力開始升高，靠近列車的緩沖結構壁面大于遠離車體一側的壓力，越靠近緩沖結構洞口壓力變化越大，壓力梯度就越大，此時隧道內壁面受到列車引起壓力增大的影響還不明顯。t=0時，列車車頭剛好到達緩沖結構洞口，緩沖結構內壓力繼續升高，隧道內壁面的壓力也開始升高，靠近列車的緩沖結構壁面遠大于遠離車體一側的壓力，初始壓縮波正在形成。t=0.216 s時，列車駛入緩沖結構2個鼻長的距離，車頭前方空間壓力持續增大。進入緩沖結構洞口一段距離后，隧道壁面等壓線從“斜切式”形狀變成“正切式”形狀，壓縮波從三維效應變成一維平面波。t=0.432 s 時，列車駛入隧道1個鼻長的距離，車頭前方空間壓力增量接近飽和。

圖1 列車進入緩沖結構的壓力分布圖

3.2 不同速度下無緩沖結構對比

350 km/h和400 km/h速度下的壓力時間歷程曲線如圖2所示， 350 km/h和400 km/h速度下的壓力梯度時間歷程曲線如圖3所示。由圖2和圖3可以看出，400 km/h速度下的初始壓縮波峰值比350 km/h速度下的初始壓縮波峰值增大了32%，相應地，最大壓力梯度增大了35.8%。

圖2 350 km/h和400 km/h速度下壓力時間歷程曲線圖

圖3 350 km/h和400 km/h速度下壓力梯度時間歷程曲線圖

3.3 緩沖結構的不同形狀研究

斷面形狀為方形和拱形的緩沖結構與隧道的斷面面積之比均為2.6，長度為3倍的鼻長。隧道內距離隧道口7D(D表示隧道的水力直徑，取10.64 m)的隧道頂部中央測點處，拱形和方形緩沖結構的壓力時間歷程曲線和壓力梯度時間歷程曲線分別如圖4、圖5所示，壓力幅值和梯度變化如表1所示。由圖4可以看出，有緩沖結構的壓力波波形要復雜得多，且壓力有3次明顯的躍升。t=0時，列車進入緩沖結構，產生初始壓縮波，產生第一次壓力躍升；t=0.32 s時，壓縮波傳播到隧道內測點位置，t=0.324 s時，列車到達隧道入口，阻塞比增大，產生第二次壓力躍升；t=0.54 s時，壓縮波傳播到隧道內測點位置，當初始壓縮波到達隧道入口時，一部分以壓縮波的形式傳播進隧道內，一部分以膨脹波的形式反射回緩沖結構洞口，再從緩沖結構洞口以壓縮波的形式反射回隧道內，產生第三次壓力躍升。t=0.754 s時，壓縮波傳播到隧道內測點。

圖4 不同緩沖結構形式的壓力對比圖

圖5 不同緩沖結構形式的壓力梯度對比圖

表1 壓力幅值和梯度變化表

由表1和圖5可以看出，與無緩沖結構相比，方形緩沖結構對初始壓縮波的壓力梯度峰值減小了57%，拱形緩沖結構對初始壓縮波的壓力梯度峰值減小了51.6%；與無緩沖結構相比，方形緩沖結構的初始壓縮波峰值增大了4.8%，拱形緩沖結構的初始壓縮波峰值增大了5.6%。因此，方形緩沖結構對初始壓縮波的減緩效果優于拱形緩沖結構。

3.4 緩沖結構的不同斷面比研究

在方形緩沖結構型式的基礎上，對不同斷面積比進行數值模擬分析。不同斷面比緩沖結構壓力對比如圖6所示，不同緩沖結構形式壓力梯度對比如圖7所示，不同斷面比壓力幅值和梯度變化如表2所示。由圖6、圖7和表2可以看出，3種不同斷面比的緩沖結構都對初始壓縮波有減緩效果，其中斷面比為2.6的方形緩沖結構對初始壓縮波的減緩效果最佳，壓力梯度減小了57%；斷面比2.8的減緩效果次之，達到了53.3%；斷面比2.0的減緩效果最小，減小了44.8%。在初始壓縮波峰值方面，斷面比越大，初始壓縮波的峰值就越大，斷面比2.0、2.6、2.8方形緩沖結構的初始壓縮波峰值分別增大了3.1%、4.8%、5%。

圖6 不同斷面比緩沖結構的壓力對比圖

表2 不同斷面比壓力幅值和梯度變化表

4 結論

本文采用CFD軟件的三維數值模擬方法，研究了400 km/h高速列車進入隧道產生的初始壓縮波特征，在對350 km/h和400 km/h速度下無緩沖結構壓縮波分析的基礎上，研究了等截面無開孔擴大斷面型緩沖結構不同形狀、不同斷面積比對初始壓縮波的影響規律，得出主要結論如下：

(1)列車運行速度越高，列車進入隧道時產生的初始壓縮波峰值越大，相應的壓力梯度也越大，隧道入口增設緩沖結構對初始壓縮波特別是最大壓力梯度有很好的減緩效果。

(2)在斷面比同為2.6時，方形緩沖結構對初始壓縮波的減緩效果達到57%，拱形緩沖結構的減緩效果為53.3%，因此方形緩沖結構比拱形緩沖結構對初始壓縮波壓力梯度的降低效果更好。

(3)當列車速度為400 km/h時，斷面比為2.0、2.6、2.8的方形緩沖結構對初始壓縮波的減緩效果分別為44.8%、57%、53.3%，因此方形緩沖結構的最佳截面比為2.6。