高速列车过隧道时的底板压力分析

徐世南+张继业+李田+张亮

摘要： 基于空气动力学理论，建立列车通过隧道的模型，分析高速列车通过隧道时底板的压力.采用FLUENT进行数值模拟，得到列车底板各个监测面的压力时程曲线，提取底板的最大正压、最大负压和压力幅值，研究其变化规律.结果表明：底板压力沿横向变化较小；底板压力梯度和压力幅值较大区域均位于底板靠近一位端转向架位置；在相同速度下头车底板最前端的压力幅值最大；列车头车、中间车与尾车底板压力最大幅值近似与列车速度的平方成正比.

关键词： 高速列车； 底板； 隧道； 空气动力学； 压力时程曲线； 压力幅值

中图分类号： U266文献标志码： B

Abstract： Based on the theory of aerodynamics， the model of a highspeed train passing through tunnel is built and the pressure of bottom panel of the high speedtrain passing through tunnel is analyzed. The numerical simulation is performed by FLUENT and the pressure time history curves of the bottom panel on every monitoring surface are obtained， by which the maximum positive pressure， maximum negative pressure and pressure amplitude are extracted and the change law is studied. The results show that， the change of bottom panel pressure at transverse position is small； the area with larger pressure gradient and amplitude locates at the position of bottom panel which is close to the “A” end bogie； the maximum pressure amplitude is located at the forefront of head train bottom panel at the same velocity of the train； the maximum pressure amplitude on the bottom panels of head， middle and tail trains is approximately proportional to the square of train velocity.

Key words： highspeed train； bottom panel； tunnel； aerodynamics； pressure time history curve； pressure amplitude

收稿日期： 2014[KG*9〗03[KG*9〗05修回日期： 2014[KG*9〗04[KG*9〗12

基金项目： 高速铁路基础研究联合基金（U1234208）

作者简介： 徐世南（1988—），男，浙江宁波人，硕士研究生，研究方向为空气动力学，（Email）892092166@qq.com；

张继业（1965—），男，四川夹江人，教授，博士，研究方向为高速列车流固耦合动力学，（Email）jyzhang@home.swjtu.edu.cn0引言

列车运行速度已成为衡量一个国家铁路现代化程度的重要标志.随着列车运行速度的不断提高，一系列的列车空气动力学问题迎面而来：列车高速交会时产生的瞬态压力冲击对行车安全、旅客乘坐舒适性和列车结构安全等均产生严重影响；列车高速通过隧道时产生的压力对隧道衬砌结构、隧道工作人员和乘客产生不利影响.因此，对高速列车气动压力的研究尤为重要.[1]

田红旗等[2]研究列车压力波与速度的关系，认为列车压力幅值与列车运行速度平方成正比；王一伟等[3]和王建宇等[4]通过理论分析研究隧道压力波的形成和峰值的影响因素，分析压力波传播、反射和叠加规律；李人宪[5]研究列车会车时产生的压力波对列车侧窗的影响，得出车窗在隧道内受到的冲击明显大于明线的结论.

在列车气动压力研究领域中，对列车受电弓、风挡和裙板等也有较多的研究[69]；但是，对列车通过隧道时车底板气动性能的研究还未见文献报道.当列车高速运行时，特别是在高速通过隧道时，列车运行环境急剧恶化，列车底板因此会发生开裂、损坏等事故，危及列车的行驶安全.因此，对高速列车通过隧道时的车底板进行气动性能研究具有重要意义.以国产某高速列车为研究对象，对列车通过隧道时车底板的压力进行研究，分析底板压力沿列车横向和纵向的变化以及压力幅值与列车速度的关系.

1计算模型和网格划分

1.1数学模型

高速列车通过隧道时引起周围空气的流动是黏性、可压缩、非定常的三维湍流流动，其遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律这三大定律.[10]通过求解三维瞬态可压缩的雷诺时均NS方程和kε两方程湍流模型获得列车通过隧道时底板的气动压力，其控制方程的运输方程[11]为（ρφ）t+div（ρ（u-ut）φ）=div（Γgrad φ）+S式中：t为时间；ρ为空气密度；φ为流场通量；u为流场速度矢量；ut为列车运动速度矢量；S为扩散系数；Γ为源项.

1.2几何模型

列车编组形式为头车、1节中间车和尾车3车编组，其中头车和尾车的长度均为25.3 m，中间车长度为25 m，列车总长为75.6 m.忽略车体外部复杂结构细节，如受电弓和门把手等，保留转向架结构.列车头车和尾车底板长12.5 m，中间车底板长13.7 m，底板宽均为2.8 m.对列车的底板进行分块，其中：头车和尾车底板各沿列车长度方向3等分，宽度方向25等分，共计各分成75块；中间车底板沿列车长度方向3等分，宽度方向27等分，共计分成81块.列车模型示意见图1.