高速列车通过隧道时产生的列车风研究

牛纪强

(1.中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075;

2.中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)



高速列车通过隧道时产生的列车风研究

牛纪强1,2

(1.中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075;

2.中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)

摘要:采用数值计算方法，对不同编组长度高速列车以不同速度(200，250，300和350 km/h)通过隧道和于隧道中心交会进行模拟，并对产生的列车风进行分析研究。其中，数值计算方法进过实车试验数据验证，波形吻合度较好。研究发现，列车尾流引起的列车风最大，这一现象在靠近列车一侧区域尤为明显。编组长度对隧道内列车风影响显著，长编组引起的列车风明显大于短编组，增幅可达70.49%。单列车通过隧道时产生的列车风与车速近似呈线性关系，而列车于隧道内交会产生的列车风风速与车速关系已不再是线性；且相对单车工况，交会工况列车风增幅可达1.6倍。隧道内列车风峰值在空间分布存在显著差异。

关键词：高速列车；列车风；隧道；编组；交会

由于空气黏性作用，隧道内列车在运行时，边界层内空气会随列车一起运动，形成的列车风，将会危害隧道内作业人员和隧道内置设备上，严重影响列车运行的安全[1]。我国地形复杂，山区丘陵分布广泛。最近几年高速铁路的高速发展，线路中隧道比例不断上升。因此，隧道内列车风的危害将会日益突显。自从日本“新干线”开通以来，国内外对列车高速通过隧道产生的列车风进行了理论、数值模拟和试验研究，Gilbert等[2]利用动模型对ICE2列车在封闭、半封闭、不同隧道截面面积和隧道长度的隧道内产生的列车风进行了研究。Kwon等[3,4]对列车在隧道中运行时的流动特性进行了模拟。王厚雄等[5-7]在实车试验基础上，对钝形列车和高速列车周围列车风分布、特性以及对周围人员气动作用等进行了较为系统的研究。雷波等[8]根据列车风场的特点，提出一种计算列车风作用于人体气动力的方法。李炎等[9]提出了活塞风压力和活塞风速度的计算方法。刘堂红等[10]对隧道内列车风进行了实车试验研究，发现隧道内列车风风速与列车运行速度成线性关系。李人宪等[11]采用数值计算方法，提出列车风对人体最大水平作用力计算关系式和人体附近最大列车风速计算关系式、以及高速列车附近人体安全距离的建议。李明水等[12]对上海磁悬浮列车高速会车压力载荷进行了测量，得到了距离列车一定距离处的列车风。费瑞振等[13]采用数值模拟方法对高速列车在隧道内运行时列车风的变化规律和分布特征进行了深入研究，计算隧道内两侧疏散通道上不同位置在列车运行过程中的最大风速，分析了在列车风作用下人员的安全性。谭鹏等[14]采用数值模拟方法对列车在城际铁路隧道内运行过程中所产生的列车风变化过程进行分析，计算流线型高速列车在隧道内运行时，隧道内沿纵向不同位置列车风最大风速，进一步对隧道内列车风纵向和横向分布特性进行了探讨。毕海权等[15]对TR磁浮列车的外流场进行了数值模拟研究，得到了列车上部、侧面和下部的列车风场特性。施成华等[16]采用数值模拟方法，对高速列车在隧道内运行过程中所产生的列车风速度的变化过程进行分析，计算隧道内不同位置在列车运行过程中的最大风速和最大风压。本文采用滑移网格方法，对长大编组高速列车通过单洞双线隧道时产生的气动效应进行了模拟，并通过对隧道内靠近列车一侧和远离列车一侧区域内列车风的监测，研究了隧道内不同位置处列车风的差异以及编组、车速和交会等对隧道内列车风的影响。为隧道内设备的强度设计、安放方式和人员避让提供一定参考。

1数学模型

列车以一定运行速度通过隧道和隧道内交会时，周围流场具有强非定常性问题；由于隧道内气体受隧道壁面的限制无法自由流动，列车高速进入后，气体会受到隧道壁和车体的强烈挤压，此时需考虑到气体的可压缩性。因此，采用非定常、黏性、可压缩N-S方程和RNGκ-ε双方程湍流模型来描述列车过隧道和与隧道内交会过程。文中数值计算软件采用国际主流商用软件ANSYS 15.0中的CFD模块——Fluent，压力与速度的耦合求解采用SIMPLE算法，离散中对时间项采用二阶隐式格式，对流项采用高阶精度的QUICK格式，扩散项采用二阶中心格式。考虑到所选标准κ-ε湍流模型，本次计算时间步长为1.0×10-4~1.5×10-4s。在国家超算广州中心的天河2号超级计算机平台，采用256个CPU进行并行计算，单个工况计算时长100 h以上。

2计算模型

2.1　模型及网格

对文中涉及到的位置和长度等参数采用无量纲化，相对于运行方向，x/H，y/H和z/H分别为纵向、横向和垂向方向，x为距离列车鼻尖点长度，y为距轨道中心长度，z为距轨面高度。列车风U由纵向分量u，横向分量v和垂向分量w组成，列车运行速度为V。为便于数据分析，对数据进行无量纲化，如下：

对于本文采用8车编组和16车重联编组高速列车作为计算模型，车长L=54.4H(8车编组)和108.6H(16车重联编组)，车宽W=3.38 m，车高H=3.7 m。列车模型如图1所示。由于车体以及转向架等几何形状较为复杂，计算区域采用分块划分网格，车体表面采用三角形网格离散，列车周围采用四面体网格离散，其他区域空间均采用六面体网格离散。考虑到计算机资源限制和本文主要关心列车周围流场等因素，对车体周围网格进行了局部加密，远离车体区域网格较为稀疏，疏密网格区域之间设置过渡因子。与动模型试验结果对比后，确定此次数值计算中车体表面网格最小间距为0.01 m，隧道入口附近处最小网格间距为0.05 m，列车运行方向缓冲结构附近处相邻网格间距为0.1 m，隧道上网格间距为0.5 m。整个流场体网格数不少于2 500万。图2为隧道入口处网格图。

(a)头部；(b)重联部位图1　列车模型Fig.1 Train model

图2　隧道入口网格图Fig.2 Grid of tunnel portal

2.2　计算区域

为保证流场充分发展，避免边界条件对列车周围流场结构影响，取车高H=3.7为特征长度，隧道前后计算域X方向长度为166H，Y方向宽度为54H，Z方向高度为27H。列车初始位置位于距隧道入口17.5H处，选取总长为2 000 m(包括缓冲结构)的隧道用于模拟计算，入口设有开口式明洞缓冲结构(长15 m)，隧道出口设有开口式明洞+帽檐缓冲结构(长29 m)，单洞双线隧道有效净空面积为100 m2，线间距为5 m。单列车过隧道工况计算区域如图3所示，交会工况

图3　单列车过隧道计算区域示意图Fig.3 Calculation region of train passing through the tunnel

计算域为在隧道出口计算域内加入列车。列车风测点布置于距隧道入口400 m处隧道截面上，距离地面高1.3 m处，测点1称为靠近列车一侧测点，测点2称为远离列车一侧测点，如图4所示。

单位：m图4　隧道布点示意图Fig.4 Arrangement of measuring points in tunnel

2.3　边界条件

数值模拟采用滑移网格方法。对于单列车过隧道工况边界条件设置如图3所示，列车车身表面给定运动边界条件：X方向速度分量给定列车运行速度v，Y和Z向速度分量为0；压力出口边界条件中取静压为0。

3算法验证

为验证本文所采用计算方法的正确性，利用我国于2008~2009年在石太客运专线进行的200~250 km/h隧道气动效应实车试验数据进行数值算法验证。选取实车试验中列车以250 km/h通过隧道长3 598 m，线间距为4.6 m，有效净空面积为92 m2的南小坪隧道，由超声波风速传感器测得的列车风纵向分量的时程曲线作为算法验证所需的对比数据。数值计算中采用与实车试验中相同的8车编组的高速列车，为便于网格离散，对模型进行了必要且合理的简化处理，并建立相应计算模型。

从图5可以看出，通过对距隧道入口20 m处测点所得列车风沿列车运行方向的分量u变化与实车试验对比，其变化规律基本一致，且具有较好的吻合性。但是由于实际情况(温度、湿度等)及列车尾流的复杂多变，无法完全精准的模拟到当时列车通过测点时的运行状况及流场变化，导致测点处列车风最大幅值相差相对较大。

图5　实验数据与计算结果比较Fig.5 Results comparison between experiment and calculation

4计算结果

当列车进入隧道，将引发一系列相关的压力现象。首先，压缩波和膨胀波在隧道内入口与出口间来回反射会不断引起隧道内压力迅速变化。第二，列车头部鼻尖前部压缩空气和尾部的膨胀气体的作用会在隧道内产生活塞效应。第三，在进列车入封闭空间后，隧道内流场状态在有限的时间内发生变化。上述现象所构成的复杂的流场状态在隧道内任何不同位置不会发生重复，除数值模拟外，在实车及缩比试验中也均不可能被完全重塑。

图6为高速列车以250 km/h车速通过隧道时，距隧道400 m处不同方向上列车风变化曲线。从图6可知，隧道内列车风横向分量v和垂向分量w变化幅值接近，且相对于纵向分量u来说很小，v和w不到u的10%。因此，不予考虑横向分量和垂向分量对测量结果的影响。本文主要以列车风纵向分量u为主，来研究编组、车速和交会等因素对隧道内列车风的影响。

图6　单列车过隧道的不同方向列车风Fig.6 Different directions of gusts introduced by train passing through tunnel

图7为16车重联编组高速列车以300 km/h车速通过隧道时，在隧道内距隧道进口400 m处产生的纵向列车风的变化曲线。从图中可以看出，列车通过隧道时，靠近列车一侧和远离列车一侧列车风变化有着显著的差别。列车进入隧道形成活塞风导致测点处风速增大，当列车头部流线部分完全进入隧道后，活塞风几乎不再增大，对应图中的a-b段；图中b处为列车头部到达测点时引起的纵向列车风突变；图中c处为列车重联部分通过测点时引起的纵向列车风突变；图中d处为列车尾部离开测点时引起的纵向列车风突变。对比隧道两侧纵向列车风可知，列车到达测点前，两侧纵向列车风变化基本一致。列车通过测点时，相对远离列车一侧而言，靠近列车一侧空间狭小，气流流动相对较慢，导致纵向列车风相对较小；重联部位通过测点时，测点处流场空间有个瞬间突变过程，此时列车风也发生突变。通过图7中的对比，还发现列车通过测点后(对应图7中d处)，两侧纵向列车风变化差异尤为显著，靠近列车一侧因受列车尾流效应影响较大，在列车尾部通过后列车风还会继续增大，随着列车驶离，尾流效应减弱，列车风逐渐减小；远离列车一侧区域受列车尾流效应影响则相对较小，导致在列车通过后，列车风随之减小，且远离列车侧列车风变化幅值是近车侧的56.4%。

图7　单列车过隧道列车风变化Fig.7 Curves of gusts introduced by train passing through tunnel

4.1　隧道内不同位置列车风比较

图8为8车编组高速列车以300 km/h车速单列车通过隧道时，隧道内距隧道入口400 m测点(隧道前部)和960 m测点(位于隧道中部)附近处列车风纵向分量变化曲线。从图8中可以看出，列车未到达测点前和列车通过测点后，不同位置处列车风变化曲线有较大差异，而当列车通过测点时，列车风变化基本相似。靠近列车一侧测点处列车风纵向分量绝对值的最大峰值相差不超过2.5%；对于远离列车一侧测点处列车风纵向分量绝对值的最大峰值，隧道前部位置处大于隧道中部位置处列车风16.4%。

(a)近车侧;(b)远车侧图8　单列车过隧道时隧道内不同位置列车风变化Fig.8 Curves of gusts introduced by train passing through tunnel at different positions

图9为8车编组高速列车以300 km/h车速于隧道内交会时，隧道内距隧道入口400 m测点(隧道前部)和960 m测点(位于隧道中部)附近处列车风纵向分量变化曲线。从图9中可以看出，不同位置处列车风变化曲线显著不同，由于隧道中间测点位于列车交会处，两段产生的活塞风在此处发生变化一致，但方向相反而相互抵消，故此处测点已无法产生活塞风效应了。对于靠近列车一侧测点处列车风纵向分量绝对值的最大峰值，隧道前部位置处大于隧道中部位置处列车风27.9%；远离列车一侧测点处列车风纵向分量绝对值的最大峰值相差不超过4.5%。

图10为16车编组高速列车以300 km/h车速通过隧道，列车尾部位于隧道内距隧道入口400 m测点(隧道前部)和960 m测点(位于隧道中部)附近处时隧道横截面速度分布。从图中可知，列车尾流对隧道内靠近列车侧区域影响显著。

(a)近车侧;(b)远车侧图9　隧道内交会时隧道内不同位置列车风变化Fig.9 Curves of gusts introduced by trains meeting in the tunnel at different positions

(a)靠近隧道入口(400 m);(b)隧道中心附近(960 m)图10　隧道内横截面速度分布云图Fig.10 Velocity distribution of cross section in tunnel

图11(a)为16车编组高速列车以300 km/h车速通过隧道，隧道内距隧道入口400 m截面1(隧道前部)和960 m截面2(位于隧道中部)附近处列车风X方向分量的风车速比沿隧道周向分布，图11(b)为距地面0.47H高的隧道非交会壁面处轴向列车风x方向分量的风车速比分布。从图11(a)中可知，从地面沿隧道周向0~3.4H范围内，列车风x分量的风车速比的最大值、最小值和峰峰值均变化很小，分别维持在0.11，0.19和0.3左右。从3.4H~6.8H范围内，风车速比的最大值和峰峰值逐渐增大，最大值和峰峰值增幅分别超过了68%和228%。可知，列车尾流隧道内靠近列车侧影响显著，且越靠近地面，尾流效应越显著，风车速比最小值略微减小。不同隧道截面处，隧道周向压力分布规律基本一致，幅值有一定差异。列车引起的隧道内近车侧区域不同截面上的相同位置处列车风x方向分量正峰值相差很小。

(a)隧道周向列车风的风车速比分布;(b)隧道轴向列车风的风车速比分布图11　列车风风车速比沿隧道周向和轴向分布Fig.11 Distribution of gust and train speed ratio along circumferential and axial of tunnel

图12为16车编组高速列车以300 km/h车速通过隧道，隧道内距隧道入口400 m处隧道截面周向上不同位置处测点列车风x方向分量变化曲线。列车靠近测点截面过程，截面上测点受活塞风影响，其x方向分量受流向与列车运行方向相同，列车通过测点截面过程，截面附近列车风x方向分量流向基本与列车运行方向相反，列车驶离截面时，靠近列车侧隧道壁面底部区域列车风x方向分量在列车未全部驶离截面前就开始与列车运行方向相同，而从近车侧区域中部到远车侧区域的列车风x方向分量方向变化则延迟很多。

图12　列车周向壁面不同位置处列车风变化曲线Fig.12 Train gust of different location on the circumferential tunnel surface

4.2　编组对列车风的影响

图13为8车编组和16车重联编组高速列车以300 km/h车速单车通过隧道时，隧道内距隧道进口390 m附近尾车流场速度分布云图。从图13中可以看出，图13(b)中红色区域范围显著大于图13(a)，且红色相对较深。因此，16车重联编组列车尾车引起的尾流影响范围和强度均明显大于8车编组的。

(a)8车编组;(b)16车重联编组图13　尾车流场速度分布云图(距隧道入口400 m附近)Fig.13 Velocity contours of flow field around tail vehicle

图14为300 km/h车速下，8车编组和16车重联编组高速列车单列车通过隧道时，距隧道进口400 m处隧道内靠近列车侧和远离列车侧测点列车风变化曲线。从图14中可以看出，8车编组列车(长201.4 m)在到达测点前已全部进入隧道，列车在隧道内运行时，列车前部气流受挤压后可以通过车体与隧道壁面间空隙向列车后部流动，导致列车前部活塞风出现下降后重新达到一个平衡。与16车重连编组有所不同，8车编组列车到达测点处时，列车风会发生较大上升。对于单列车通过隧道时，16车重联编组在隧道内靠近列车一侧和远离列车一侧区域产生的列车风正峰值比8车编组的分别大65.23%和70.49%；隧道内靠近列车一侧列车风负峰值16车重联编组比8车编组的小36.99%，隧道内远离列车一侧列车风负峰值16车重联编组比8车编组的大20.18%。

(a)靠近列车侧;(b)远离列车侧图14　不同编组列车过隧道列车风变化Fig.14 Curves of gusts introduced by different marshalling train passing through tunnel

4.3　车速对列车风的影响

表1列出了16车重联编组高速列车以250，300，330和350km/h车速通过隧道时，列车风峰值计算结果。

表1　列车风与速度比计算结果

表中速度比CV定义为：CV=u/V，式中u为列车风风速纵向分量(m/s)；V为列车运行速度(m/s)。

图15为风速与列车运行速度的关系曲线。从图上可以看出，隧道壁面距隧道入口400 m处列车风风速与车速近似呈线性关系。表中列出的速度比CV也体现出了这点，靠近列车一侧测点速度比CV约0.46，远离列车一侧测点速度比CV约0.11，即速度比CV与列车运行速度无关。

表2列出了16车重联编组高速列车以250，300，330和350 km/h车速远离距隧道入口400 m处截面后，截面上测点列车风x方向分量的风车速比的最大值。由于列车远离测点后，隧道内此区域列车风仍处于波动状态，因此采用列车通过测点后一段时间内的列车风x方向分量的风车速比的最大值来进行对比分析，发现其列车风x方向分量的风车速比随车速增大，而先增大后减小，在330 km/h附近达到最大值。

图15　单列车过隧道列车风随车速变化Fig.15 Curves of gusts introduced by train passing through tunnel with the train speed

表2　列车风的风车速比

4.4　交会对列车风的影响

图16为16车重联编组高速列车以250 km/h车速单车通过隧道和于隧道内交会时，隧道内距隧道进口390 m附近尾车流场速度分布云图。从图16中可以看出，图16(a)中靠近列车一侧区域风速显著大于图16(b)中相应区域；图16(b)中远离列车一侧区域风速大于图16(a)中相应区域。

图17为16车重联编组单列车以250 km/h车速过隧道和隧道中心交会时，靠近列车一侧和远离列车一侧测点列车风变化曲线。从图中可知，不论单列车还是交会，对于列车通过测点过程来说，列车风变化波形相似，幅值上的差异较为显著。从图17(a)可知，列车隧道内交会时头部通过测点时靠近列车一侧列车风大于单列车时；列车单列车过隧道时重联部位通过测点后造成的列车风比交会时大，单列车时列车尾部通过测点后列车风正峰值比交会时大42.35%。由图中可知，列车交会时隧道出口处进入的列车产生的压缩波和膨胀波改变了隧道内距隧道入口端400 m附近处的压力变化，进而导致此处列车风发生改变，使之区别于单列车通过隧道时列车风变化。从图17(b)可知，不论是单列车还是交会，列车通过测点后，远离列车一侧列车风会迅速降低；交会时列车1通过测点时产生的列车风绝对值最大值比单列车通过隧道时大60.62%，交会时列车2通过测点时产生的列车风绝对值最大值比单列车通过隧道时大159.06%。

(a)单车；(b)交会图16　尾车流场速度分布云图(距隧道入口390 m附近)Fig.16 Velocity contours of flow field around tail vehicle

(a)靠近列车一侧；(b)远离列车一侧图17　列车过隧道与隧道内交会时列车风变化Fig.7 Curves of gusts introduced by train passing through and meeting in tunnel

图18为16车重联编组列车于隧道内交会时列车风风速与列车运行速度的关系曲线。从图18上可以看出，受另外交会列车进隧道带来的活塞风影响，导致距隧道入口400 m处列车风风速与车速变化已不再是线性规律。可知，隧道出口端进入的列车产生的压缩波和膨胀波对隧道入口进入的列车周围及隧道内流场状态造成了显著影响，导致列车隧道内交会时列车风变化明显区别于单列车过隧道。

图18　隧道内交会列车风随车速变化Fig.18 Curves of gusts introduced by train meeting in tunnel with train speed

5结论

1)列车尾流造成的列车风比列车通过时剧烈的多，且主要影响隧道内靠近列车一侧区域，远离列车一侧区域受尾流影响相对较小；靠近列车一侧隧道壁面处列车风显著大于远离列车一侧，针对本文所采用隧道而言，车速300 km/h，重联编组情况下，靠近列车一侧列车风幅值是远离列车一侧的2.5倍。

2)隧道内不同位置处列车风有一定差别。对于单列车过隧道，靠近列车一侧列车风最大峰值，隧道前部和隧道中部处基本相同；远离列车一侧列车风最大峰值，隧道前部显著大于隧道中部处。对于隧道内交会，靠近列车一侧列车风最大峰值，隧道中部显著大于隧道前部处；远离列车一侧列车风最大峰值，隧道前部和隧道中部处基本相同。

3)编组对隧道内列车风影响显著，尤其是尾流效应造成的列车风更加突出；车速300 km/h时，16车重联编组的靠近列车一侧和远离列车一侧列车风峰值比8车编组的分别大72.2%和20.2%。

4)不管靠近列车一侧，还是远离列车一侧区域，列车风风速与车速均近似呈线性关系。

5)迎面列车引起的压缩波和膨胀波对列车风幅值有显著影响，车速250 km/h时，单列车过隧道靠近列车一侧列车风比交会大56%，交会时远离列车一侧列车风比单列车大31%；交会时列车风风速与车速变化已不再是线性规律，且列车运行速度超过300 km/h，远离列车一侧列车风会大于靠近列车一侧的。

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(编辑蒋学东)

Research on gusts caused by high-speed trains passing through tunnel

NIU Jiqiang1，2

(1.School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China；

2.Key Laboratory of Traffic Safety on Track Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract:By numerical calculation method, train going through tunnel and trains intersecting in the middle of tunnel at different speed (200，250，300 and 350 km/h) were simulated, and gusts introduced by train was analyzed.Numerical calculation method was modified by the full-scale test data.The results show that, gusts caused by wake of train are the biggest.Gusts in tunnel are significantly influenced by the number of train carriages.Gusts introduced by 16-carriage train are greater than that of 8-carriage train, and the growth reaches 70.49%.It is an approximate linear relationship at nearby side and far side of train between the gusts speed and train speed when train passing through tunnel.While it is no longer linear relationship between gusts speed and variation of train speed when trains crossing in tunnel.The gusts introduced by trains crossing in tunnel is 1.6 times of one introduced by train going through tunnel.Two trains crossing in the middle of the tunnel have a certain influence on the amplitude of gusts.At the nearby side of train, gusts caused by train passing through the tunnel are bigger than that introduced by marshaling train crossing in the tunnel.At the far side of train, gusts caused by train meeting in the tunnel are bigger than that introduced by marshaling train passing through the tunnel.

Key words：high-speed train; gusts; tunnel; marshalling; intersecting

通讯作者：牛纪强(1988-)，男，山东临沂人，博士研究生，从事列车空气动力学研究；E-mail:jiqiangniu@163.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51105384)；高铁联合基金资助项目(U1134203);湖南省研究生科研创新资助项目(CX2015B046)

收稿日期：2015-04-11

中图分类号：U266.2

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2015)06-1268-09