8編組高速列車過中長隧道氣動效應模擬

王東屏,張旭平,趙潔,孫成龍

(1.大連交通大學 機械工程學院,遼寧 大連 116028;2.大連交通大學 機車車輛工程學院,遼寧 大連 116028)

目前,空氣動力學問題已經成為高速鐵路發展過程中一個不容忽視的課題。尤其是當列車通過隧道時,列車與周圍空氣的相互作用及空氣復雜的流動,形成了一個隨列車位置變化的可移動壓力源。隧道內壓力波的變化及隧道內空氣的流動給車身的零部件、列車的能耗、旅客乘坐的舒適性、隧道的設施結構及周邊環境等均帶來影響[1-2]。因此,有必要對高速列車過隧道時出現的空氣動力學問題進行研究。Miao等[3]對高速列車在側風下通過隧道交叉口的空氣動力學性能進行了數值研究。Heine等[4]研究了列車在隧道中運行時高速鐵路隧道結構對列車壓力波的產生造成的影響。

目前,有關8編組高速列車過中長隧道時列車氣動特性的研究相對較少。因此,本文以某8編組國產高速列車為研究對象,將高速列車組以350 km/h的速度通過隧道的數值仿真結果與TB/T 3503.3—2018[5]的理論計算結果進行對比,驗證仿真方法的正確性,并分析列車在通過隧道的過程中,隧道壁面、列車表面和列車內部的壓力變化特性,中長隧道內壓力波的傳播規律,以及壓力變化特性與壓力波傳播規律之間的關系。

1 數值計算

1.1 幾何模型與計算區域

為獲得良好的計算效率和計算精度并提高網格質量,本文對列車模型、轉向架等部件進行合理簡化,去除受電弓等對列車周圍流場影響較小的結構,列車簡化模型見圖1。由圖1可知,列車由頭車、6節中間車及尾車組成。列車模型總長度為207.8 m,寬度為3.35 m,高度為4.06 m。隧道截面形狀根據TB 10621—2014[6]制定,隧道洞口采用直切式,隧道斷面見圖2。計算隧道為1 000 m的雙線隧道,凈空有效面積為100 m2。為了避免邊界阻塞比和尾流對仿真結果造成不良影響,確定流體計算區域見圖3。計算域分為隧道域和外域,將外域設置為兩個長380 m,寬70 m,高50 m的相同長方體。為保證列車從露天區域突然進入隧道時的穩定性,列車的初始位置在距隧道入口72 m處。

(a) 正視圖

(b) 側視圖圖1 列車簡化模型

圖2 100 m2雙線隧道斷面

圖3 流體計算區域

1.2 網格模型及監測點

為模擬列車相對于周圍環境的運動,本文采用網格動態鋪層的方式來實現列車運動時列車前后區域網格的生成和消去;通過設置交界面來實現網格之間數據的交換。為了較好地捕捉列車表面的壓力變化,對車身表面及附近采用非結構網格進行加密,除車身包裹區域外其他部分采用六面體網格。最小網格尺寸為0.03 m,網格數為1 300 萬。計算區域及列車表面網格見圖4。

(a) 隧道入口網格

(b) 車體表面及周圍網格

(c) 轉向架周圍網格圖4 計算區域及列車表面網格

為了研究單列高速列車通過隧道時隧道及列車表面壓力的變化,沿隧道縱向方向在進出口處對稱布置監測點,且每個縱向位置的橫截面選取3個位置進行布置,隧道壁面監測點分布見圖5。在列車表面布置的監測點統一采用“車廂號-監測點號”的方式編號,頭尾車監測點編號方式相同,2～6車監測點編號方式相同,除頭尾車0、13、14號,2～6車9號,其余編號均遵循奇數為靠近隧道壁面的列車側,偶數為遠離隧道壁面的列車側的原則。列車表面監測點具體位置分布見圖6。

(a) 縱斷面

(b) 橫斷面圖5 隧道壁面監測點分布(單位:m)

圖6 列車表面監測點具體位置分布

1.3 邊界條件及求解參數

車身及轉向架、隧道、地面、外流域與隧道相交面均設置為靜止無滑移壁面;壓力出口和壓力進口均為0 Pa;外流域的其他面均設置為對稱面。運動區域和靜止區域的接觸面設置為Interface交界面。自定義Profile函數來設置列車的運行速度,邊界條件示意圖見圖7。

圖7 邊界條件示意圖

本文采用Ansys Fluent軟件,基于三維、可壓縮、非定常、雷諾時均N-S方程和RNGk-ε兩方程湍流模型求解列車通過隧道時的空氣動力學問題。壓力、密度項均采用二階迎風格式,流體壓力和速度耦合采用Simple算法。時間步長設置為0.001 5 s,內迭代步數為80步。列車運行速度為350 km/h,參考壓力取101 325 Pa,參考溫度取288.16 K。

2 對比分析

將TB/T 3503.3—2018[5](以下簡稱標準)的理論計算結果與本文三維流動模型計算結果進行對比,驗證本文所采用的數值模擬計算方法的合理性和可行性。

列車外表面最大壓力峰-峰值Δpmax可用于估算列車受到的氣動載荷。根據標準計算得到某8編組列車以350 km/h通過1 000 m隧道時列車外表面的最大壓力峰-峰值Δpmax為3 584.94 N。本文三維流動模型數值計算的列車各車廂側墻中心最大壓力峰-峰值與標準的對比結果見表1。

表1 高速列車側墻中心壓力峰值

由表1可知,三維數值計算的最大壓力峰-峰值為4.014 6 kPa,除第1、2節車廂外,其余車廂均大于標準公式計算得到的最大壓力峰-峰值,具有較好的一致性。經對比分析可知,本文所采用的三維流動模型數值計算方法用于研究列車過隧道問題具有一定的可靠性。

3 結果及分析

某8編組高速列車以350 km/h的速度通過長度為1 000 m、凈空有效面積為100 m2的隧道時,列車外表面壓力變化過程見8,其中圖8(a)為馬赫波的傳播示意圖,圖8(b)為第二節車廂側面中心壓力變化過程。

圖8 列車外表面壓力變化過程

頭車鼻尖到達隧道入口,前方的空氣開始受到壓縮,產生初始壓縮波。尾車在進入隧道的過程中,產生膨脹波,并以聲速傳播到車體表面監測點,導致壓力降低(位置①);初始壓縮波到達隧道出口以性質相異的膨脹波反射回列車表面,使壓力進一步下降(位置②);初始膨脹波經反射成壓縮波到達監測點,監測點壓力升高(位置③);初始壓縮波經二次反射仍為壓縮波,使監測點壓力進一步上升(位置④);三次反射后的初始壓縮波形成膨脹波,使監測點壓力降低(位置⑤);列車頭部離開隧道會產生壓縮波,擴散至監測點,使壓力上升(位置⑥),直到列車完全駛出隧道,壓力慢慢恢復到明線運行時的壓力值。

3.2 隧道表面壓力變化特性

列車在隧道中所處的位置不是完全對稱的,這導致列車兩側的流場分布不均衡,進而造成隧道內產生壓力三維效應。隧道內各橫截面不同高度監測點的壓力變化見圖9。由圖9可知,列車剛進入隧道時,在極短時間內隧道和列車之間的空氣在不對稱空間的流速差值很大,隧道入口段的壓力三維效應最為顯著。由于靠近列車側的隧道空間較小,空氣流速相對更快,靠近列車側3.6 m高的隧道監測點壓力變化幅值最大。距離隧道入口9.4、333.3、500、973.8 m的各截面上不同高度監測點的壓力變化幅值之間最大差值分別為1 014、277、

(a) 距離隧道入口9.4 m處

(b) 距離隧道入口333.3 m處

(c) 距離隧道入口500 m處

(d) 距離隧道入口973.8 m處圖9 隧道內各橫截面不同高度監測點的壓力變化

191、175 Pa,表明隧道壓力三維效應隨著縱向位置的增大越來越小,壓力波的作用效果趨于穩定。

隧道內靠近列車側3.6 m高、中軸線頂端8.7 m高的監測點在各橫截面上的壓力變化見圖10。由圖10可知,隧道縱向位置不同,壓力波形差異很大,在高度不變的前提下,隧道中部區域壓力變化幅值比兩端大。這是由于列車在運行的過程中,隧道端部受壓力波影響的時間極短。由前面的分析可知,靠近列車側3.6 m高的隧道壁面監測點的壓力變化幅值最大。分析圖10(a)可知,中長隧道中部波形發展得更為充分, 更容易受到同類型壓力波的作用;隧道兩端反射形成性質相異的壓力波,并發生干涉疊加。最大正壓峰值和最大負壓峰值的絕對值分別為2 244和3 517 Pa,均出現在距離隧道入口500 m處的位置;最小正壓峰值和最小負壓峰值的絕對值分別為1 239和1 709 Pa, 均出現在距離隧道入口973.8 m處;兩處縱向位置的正壓峰值和負壓峰值分別相差44%和51%。

(a) 靠近列車側3.6 m高的隧道位置

(b) 隧道中軸線頂端8.7 m高的隧道位置圖10 隧道內相同高度監測點在各橫截面的壓力變化

圖11展示了靠近列車側3.6 m、隧道中軸線頂端8.7 m、遠離列車側3.6 m處隧道監測點的最大壓力峰-峰值沿縱向位置的變化規律。由圖11可以看出,隧道內的正壓值和負壓值均先增大后減小,前期的變化率大于后期的變化率,且負壓值的變化率大于正壓值的變化率。隧道內壓力的變化,受到初始壓力波反射疊加的影響,同時還受到隨車壓力波的影響。初始壓力波在中長隧道中傳播的時間較長,壁面摩擦等因素消耗了波的部分能量,所以最大壓力峰-峰值隨著縱向位置的增加先增大后減小。最大壓力峰-峰值在隧道入口附近(0～30 m)增加最快,在30～333 m處增加變緩,在333～550 m處基本不發生變化。當距隧道入口的距離達到550 m時,最大壓力峰-峰值開始緩慢減小,最后逐漸恢復到最初的壓力值。

圖11 壓力峰值沿隧道縱向位置的變化規律

3.3 列車表面監測點壓力分析

圖12為靠近隧道壁面側各車廂中心監測點的壓力峰值。由圖12可知,車頭運行時擠壓前方的空氣形成的壓縮波以聲速向出口傳播,部分與經反射得到的壓縮波共同影響列車表面監測點的壓力,而8編組列車的車尾進入隧道產生的膨脹波形成了一個負壓源。從車頭到車尾, 正壓峰值逐漸減小,負壓峰值的絕對值逐漸增大且均大于正壓峰值。正壓峰值變化幅度相對于負壓峰值變化幅度更大。頭車的負壓峰值的絕對值是正壓峰值的5倍, 尾車的負壓峰值的絕對值是正壓峰值的34.8倍。頭車的正壓峰值是尾車的12.8倍。

(a) 正壓峰值

(b) 負壓峰值

尾車的負壓峰值的絕對值是頭車的1.32倍。

圖13為頭車和尾車表面監測點壓力。由圖13可知,頭車前端鼻尖位置的監測點(監測點1-0)正壓峰值和最大壓力峰-峰值最大,分別為6 653和3 828 Pa。最大負壓峰值的絕對值和最小壓力峰-峰值出現在司機室的前窗處(監測點1-1),分別為3 396和3 497 Pa。同一時刻,頭車鼻端與司機室前窗差值最小為6 590 Pa, 最大為7 020 Pa。尾車最大正壓值和最大壓力峰-峰值依然出現在鼻尖處(監測點8-0),分別為1 013和4 428 Pa。最大負壓峰值的絕對值出現在尾車前窗處(監測點8-1),最小壓力峰-峰值出現在流線型車身和平直車身的過渡處(監測點8-3),為3 366 Pa。尾車的壓力波動遠比頭車明顯,尤其是尾車的鼻端處。綜上所述,在頭車和尾車設計初段,要特別注意車體的強度和疲勞強度,以保證列車的安全運行。

(a) 頭車不同位置

(b) 尾車不同位置圖13 頭車和尾車表面監測點壓力

3.4 列車內部壓力特性分析

車外壓力傳遞到車內取決于兩個因素,即車輛的密封性和車體剛度。根據公式[7-10]計算可以得到車內壓力。圖14為動態氣密指數τ=10 s時,頭車和尾車的車內外壓力時程曲線。由圖14可以看出,車內壓力變化幅度遠小于車外壓力,且車內壓力波動滯后于車外壓力波動,頭車的壓力波動幅度小于尾車的壓力波動幅度,兩者相差約30%。

(a) 頭車

(b) 尾車圖14 頭車和尾車的車內外壓力時程曲線

圖15為動態氣密指數τ=10 s時,高速列車通過隧道的過程中不同車廂的車內壓力最值。由圖15可以看出, 從車頭到車尾, 各節車廂的最小

(a) 壓力最小值

(b) 壓力最大值圖15 不同車廂的車內壓力最值

壓力逐漸增大,而最大壓力逐漸減小,這與頭車和尾車的車外壓力變化趨勢相同,尾車的負壓峰值的絕對值是頭車的1.7倍。不同車廂內,負壓峰值的變化幅度較大,正壓峰值的變化幅度相對較小,頭車和尾車的負壓變化幅度是正壓變化幅度的4.7倍。列車在實際運行中,由于各節車廂是相互貫通的,所以車廂各監測點壓力的差值會比數值計算的要小。

4 結論

本文采用三維、非定常、可壓縮N-S方程和RNGk-ε兩方程湍流模型,研究了某8編組高速列車以350 km/h的速度通過1 000 m隧道過程中,隧道壁面、列車表面及列車內部的壓力變化特性,得到如下主要結論:

(1)與TB/T 3503.3—2018計算的最大壓力峰-峰值對比,本文數值計算的最大壓力峰-峰值的相對誤差不超過10.70%,說明本文對8編組高速列車隧道運行的計算是可靠的。

(2)列車通過1 000 m隧道產生的壓力波均可經三次反射,且列車及隧道表面的壓力變化與壓力波在隧道內傳播的變化規律具有一致性。

(3)在列車進入隧道的過程中,隧道入口處列車與隧道之間不對稱的空間內,近列車側與遠列車側的空氣流速差值較大,三維效應最為顯著。距離隧道入口9.4、333.3、500、973.8 m的各截面上不同高度監測點的壓力變化幅值之間最大差值分別為1 014、277、191、175 Pa。

(4)在中長隧道的中部,波形發展更為充分,更容易受到同類型壓力波的疊加作用。最大正壓峰值和最大負壓峰值的絕對值分別為2 244和3 517 Pa,均出現在距離隧道入口500 m處的位置。因此隧道中部要盡量避免輔助設備的安裝。

(5)初始壓力波在中長隧道中傳播的時間較長,壁面摩擦等因素消耗了波的部分能量。最大壓力峰-峰值在隧道入口附近(0～30 m)增加最快;在30～333 m的位置,增加變緩;在333～550 m的位置基本不發生變化。

(6)8編組高速列車在隧道運行時,從車頭到車尾,車體表面的正壓峰值逐漸減小,負壓峰值的絕對值逐漸增大且均大于正壓峰值。頭車鼻尖處承受的壓力最大,而尾車表面的壓力變化比頭車更顯著。氣動壓力載荷在車廂上分布不均,同一時刻,頭車鼻端與司機室前窗差值最小為6 590 Pa,最大為7 020 Pa。

(7)車內壓力變化幅度遠小于車外壓力變化幅度,且車內壓力波動滯后于車外壓力波動,頭車的壓力波動幅度小于尾車的壓力波動幅度,兩者相差約30%。不同車廂內,負壓峰值的變化幅度大,正壓峰值的變化幅度相對較小,頭車和尾車的負壓變化幅度是正壓變化幅度4.7倍。