8编组高速列车过中长隧道气动效应模拟

王东屏,张旭平,赵洁,孙成龙

(1.大连交通大学 机械工程学院,辽宁 大连 116028;2.大连交通大学 机车车辆工程学院,辽宁 大连 116028)

目前,空气动力学问题已经成为高速铁路发展过程中一个不容忽视的课题。尤其是当列车通过隧道时,列车与周围空气的相互作用及空气复杂的流动,形成了一个随列车位置变化的可移动压力源。隧道内压力波的变化及隧道内空气的流动给车身的零部件、列车的能耗、旅客乘坐的舒适性、隧道的设施结构及周边环境等均带来影响[1-2]。因此,有必要对高速列车过隧道时出现的空气动力学问题进行研究。Miao等[3]对高速列车在侧风下通过隧道交叉口的空气动力学性能进行了数值研究。Heine等[4]研究了列车在隧道中运行时高速铁路隧道结构对列车压力波的产生造成的影响。

目前,有关8编组高速列车过中长隧道时列车气动特性的研究相对较少。因此,本文以某8编组国产高速列车为研究对象,将高速列车组以350 km/h的速度通过隧道的数值仿真结果与TB/T 3503.3—2018[5]的理论计算结果进行对比,验证仿真方法的正确性,并分析列车在通过隧道的过程中,隧道壁面、列车表面和列车内部的压力变化特性,中长隧道内压力波的传播规律,以及压力变化特性与压力波传播规律之间的关系。

1 数值计算

1.1 几何模型与计算区域

为获得良好的计算效率和计算精度并提高网格质量,本文对列车模型、转向架等部件进行合理简化,去除受电弓等对列车周围流场影响较小的结构,列车简化模型见图1。由图1可知,列车由头车、6节中间车及尾车组成。列车模型总长度为207.8 m,宽度为3.35 m,高度为4.06 m。隧道截面形状根据TB 10621—2014[6]制定,隧道洞口采用直切式,隧道断面见图2。计算隧道为1 000 m的双线隧道,净空有效面积为100 m2。为了避免边界阻塞比和尾流对仿真结果造成不良影响,确定流体计算区域见图3。计算域分为隧道域和外域,将外域设置为两个长380 m,宽70 m,高50 m的相同长方体。为保证列车从露天区域突然进入隧道时的稳定性,列车的初始位置在距隧道入口72 m处。

(a) 正视图

(b) 侧视图图1 列车简化模型

图2 100 m2双线隧道断面

图3 流体计算区域

1.2 网格模型及监测点

为模拟列车相对于周围环境的运动,本文采用网格动态铺层的方式来实现列车运动时列车前后区域网格的生成和消去;通过设置交界面来实现网格之间数据的交换。为了较好地捕捉列车表面的压力变化,对车身表面及附近采用非结构网格进行加密,除车身包裹区域外其他部分采用六面体网格。最小网格尺寸为0.03 m,网格数为1 300 万。计算区域及列车表面网格见图4。

(a) 隧道入口网格

(b) 车体表面及周围网格

(c) 转向架周围网格图4 计算区域及列车表面网格

为了研究单列高速列车通过隧道时隧道及列车表面压力的变化,沿隧道纵向方向在进出口处对称布置监测点,且每个纵向位置的横截面选取3个位置进行布置,隧道壁面监测点分布见图5。在列车表面布置的监测点统一采用“车厢号-监测点号”的方式编号,头尾车监测点编号方式相同,2～6车监测点编号方式相同,除头尾车0、13、14号,2～6车9号,其余编号均遵循奇数为靠近隧道壁面的列车侧,偶数为远离隧道壁面的列车侧的原则。列车表面监测点具体位置分布见图6。

(a) 纵断面

(b) 横断面图5 隧道壁面监测点分布(单位:m)

图6 列车表面监测点具体位置分布

1.3 边界条件及求解参数

车身及转向架、隧道、地面、外流域与隧道相交面均设置为静止无滑移壁面;压力出口和压力进口均为0 Pa;外流域的其他面均设置为对称面。运动区域和静止区域的接触面设置为Interface交界面。自定义Profile函数来设置列车的运行速度,边界条件示意图见图7。

图7 边界条件示意图

本文采用Ansys Fluent软件,基于三维、可压缩、非定常、雷诺时均N-S方程和RNGk-ε两方程湍流模型求解列车通过隧道时的空气动力学问题。压力、密度项均采用二阶迎风格式,流体压力和速度耦合采用Simple算法。时间步长设置为0.001 5 s,内迭代步数为80步。列车运行速度为350 km/h,参考压力取101 325 Pa,参考温度取288.16 K。

2 对比分析

将TB/T 3503.3—2018[5](以下简称标准)的理论计算结果与本文三维流动模型计算结果进行对比,验证本文所采用的数值模拟计算方法的合理性和可行性。

列车外表面最大压力峰-峰值Δpmax可用于估算列车受到的气动载荷。根据标准计算得到某8编组列车以350 km/h通过1 000 m隧道时列车外表面的最大压力峰-峰值Δpmax为3 584.94 N。本文三维流动模型数值计算的列车各车厢侧墙中心最大压力峰-峰值与标准的对比结果见表1。

表1 高速列车侧墙中心压力峰值

由表1可知,三维数值计算的最大压力峰-峰值为4.014 6 kPa,除第1、2节车厢外,其余车厢均大于标准公式计算得到的最大压力峰-峰值,具有较好的一致性。经对比分析可知,本文所采用的三维流动模型数值计算方法用于研究列车过隧道问题具有一定的可靠性。

3 结果及分析

某8编组高速列车以350 km/h的速度通过长度为1 000 m、净空有效面积为100 m2的隧道时,列车外表面压力变化过程见8,其中图8(a)为马赫波的传播示意图,图8(b)为第二节车厢侧面中心压力变化过程。

图8 列车外表面压力变化过程

头车鼻尖到达隧道入口,前方的空气开始受到压缩,产生初始压缩波。尾车在进入隧道的过程中,产生膨胀波,并以声速传播到车体表面监测点,导致压力降低(位置①);初始压缩波到达隧道出口以性质相异的膨胀波反射回列车表面,使压力进一步下降(位置②);初始膨胀波经反射成压缩波到达监测点,监测点压力升高(位置③);初始压缩波经二次反射仍为压缩波,使监测点压力进一步上升(位置④);三次反射后的初始压缩波形成膨胀波,使监测点压力降低(位置⑤);列车头部离开隧道会产生压缩波,扩散至监测点,使压力上升(位置⑥),直到列车完全驶出隧道,压力慢慢恢复到明线运行时的压力值。

3.2 隧道表面压力变化特性

列车在隧道中所处的位置不是完全对称的,这导致列车两侧的流场分布不均衡,进而造成隧道内产生压力三维效应。隧道内各横截面不同高度监测点的压力变化见图9。由图9可知,列车刚进入隧道时,在极短时间内隧道和列车之间的空气在不对称空间的流速差值很大,隧道入口段的压力三维效应最为显著。由于靠近列车侧的隧道空间较小,空气流速相对更快,靠近列车侧3.6 m高的隧道监测点压力变化幅值最大。距离隧道入口9.4、333.3、500、973.8 m的各截面上不同高度监测点的压力变化幅值之间最大差值分别为1 014、277、

(a) 距离隧道入口9.4 m处

(b) 距离隧道入口333.3 m处

(c) 距离隧道入口500 m处

(d) 距离隧道入口973.8 m处图9 隧道内各横截面不同高度监测点的压力变化

191、175 Pa,表明隧道压力三维效应随着纵向位置的增大越来越小,压力波的作用效果趋于稳定。

隧道内靠近列车侧3.6 m高、中轴线顶端8.7 m高的监测点在各横截面上的压力变化见图10。由图10可知,隧道纵向位置不同,压力波形差异很大,在高度不变的前提下,隧道中部区域压力变化幅值比两端大。这是由于列车在运行的过程中,隧道端部受压力波影响的时间极短。由前面的分析可知,靠近列车侧3.6 m高的隧道壁面监测点的压力变化幅值最大。分析图10(a)可知,中长隧道中部波形发展得更为充分, 更容易受到同类型压力波的作用;隧道两端反射形成性质相异的压力波,并发生干涉叠加。最大正压峰值和最大负压峰值的绝对值分别为2 244和3 517 Pa,均出现在距离隧道入口500 m处的位置;最小正压峰值和最小负压峰值的绝对值分别为1 239和1 709 Pa, 均出现在距离隧道入口973.8 m处;两处纵向位置的正压峰值和负压峰值分别相差44%和51%。

(a) 靠近列车侧3.6 m高的隧道位置

(b) 隧道中轴线顶端8.7 m高的隧道位置图10 隧道内相同高度监测点在各横截面的压力变化

图11展示了靠近列车侧3.6 m、隧道中轴线顶端8.7 m、远离列车侧3.6 m处隧道监测点的最大压力峰-峰值沿纵向位置的变化规律。由图11可以看出,隧道内的正压值和负压值均先增大后减小,前期的变化率大于后期的变化率,且负压值的变化率大于正压值的变化率。隧道内压力的变化,受到初始压力波反射叠加的影响,同时还受到随车压力波的影响。初始压力波在中长隧道中传播的时间较长,壁面摩擦等因素消耗了波的部分能量,所以最大压力峰-峰值随着纵向位置的增加先增大后减小。最大压力峰-峰值在隧道入口附近(0～30 m)增加最快,在30～333 m处增加变缓,在333～550 m处基本不发生变化。当距隧道入口的距离达到550 m时,最大压力峰-峰值开始缓慢减小,最后逐渐恢复到最初的压力值。

图11 压力峰值沿隧道纵向位置的变化规律

3.3 列车表面监测点压力分析

图12为靠近隧道壁面侧各车厢中心监测点的压力峰值。由图12可知,车头运行时挤压前方的空气形成的压缩波以声速向出口传播,部分与经反射得到的压缩波共同影响列车表面监测点的压力,而8编组列车的车尾进入隧道产生的膨胀波形成了一个负压源。从车头到车尾, 正压峰值逐渐减小,负压峰值的绝对值逐渐增大且均大于正压峰值。正压峰值变化幅度相对于负压峰值变化幅度更大。头车的负压峰值的绝对值是正压峰值的5倍, 尾车的负压峰值的绝对值是正压峰值的34.8倍。头车的正压峰值是尾车的12.8倍。

(a) 正压峰值

(b) 负压峰值

尾车的负压峰值的绝对值是头车的1.32倍。

图13为头车和尾车表面监测点压力。由图13可知,头车前端鼻尖位置的监测点(监测点1-0)正压峰值和最大压力峰-峰值最大,分别为6 653和3 828 Pa。最大负压峰值的绝对值和最小压力峰-峰值出现在司机室的前窗处(监测点1-1),分别为3 396和3 497 Pa。同一时刻,头车鼻端与司机室前窗差值最小为6 590 Pa, 最大为7 020 Pa。尾车最大正压值和最大压力峰-峰值依然出现在鼻尖处(监测点8-0),分别为1 013和4 428 Pa。最大负压峰值的绝对值出现在尾车前窗处(监测点8-1),最小压力峰-峰值出现在流线型车身和平直车身的过渡处(监测点8-3),为3 366 Pa。尾车的压力波动远比头车明显,尤其是尾车的鼻端处。综上所述,在头车和尾车设计初段,要特别注意车体的强度和疲劳强度,以保证列车的安全运行。

(a) 头车不同位置

(b) 尾车不同位置图13 头车和尾车表面监测点压力

3.4 列车内部压力特性分析

车外压力传递到车内取决于两个因素,即车辆的密封性和车体刚度。根据公式[7-10]计算可以得到车内压力。图14为动态气密指数τ=10 s时,头车和尾车的车内外压力时程曲线。由图14可以看出,车内压力变化幅度远小于车外压力,且车内压力波动滞后于车外压力波动,头车的压力波动幅度小于尾车的压力波动幅度,两者相差约30%。

(a) 头车

(b) 尾车图14 头车和尾车的车内外压力时程曲线

图15为动态气密指数τ=10 s时,高速列车通过隧道的过程中不同车厢的车内压力最值。由图15可以看出, 从车头到车尾, 各节车厢的最小

(a) 压力最小值

(b) 压力最大值图15 不同车厢的车内压力最值

压力逐渐增大,而最大压力逐渐减小,这与头车和尾车的车外压力变化趋势相同,尾车的负压峰值的绝对值是头车的1.7倍。不同车厢内,负压峰值的变化幅度较大,正压峰值的变化幅度相对较小,头车和尾车的负压变化幅度是正压变化幅度的4.7倍。列车在实际运行中,由于各节车厢是相互贯通的,所以车厢各监测点压力的差值会比数值计算的要小。

4 结论

本文采用三维、非定常、可压缩N-S方程和RNGk-ε两方程湍流模型,研究了某8编组高速列车以350 km/h的速度通过1 000 m隧道过程中,隧道壁面、列车表面及列车内部的压力变化特性,得到如下主要结论:

(1)与TB/T 3503.3—2018计算的最大压力峰-峰值对比,本文数值计算的最大压力峰-峰值的相对误差不超过10.70%,说明本文对8编组高速列车隧道运行的计算是可靠的。

(2)列车通过1 000 m隧道产生的压力波均可经三次反射,且列车及隧道表面的压力变化与压力波在隧道内传播的变化规律具有一致性。

(3)在列车进入隧道的过程中,隧道入口处列车与隧道之间不对称的空间内,近列车侧与远列车侧的空气流速差值较大,三维效应最为显著。距离隧道入口9.4、333.3、500、973.8 m的各截面上不同高度监测点的压力变化幅值之间最大差值分别为1 014、277、191、175 Pa。

(4)在中长隧道的中部,波形发展更为充分,更容易受到同类型压力波的叠加作用。最大正压峰值和最大负压峰值的绝对值分别为2 244和3 517 Pa,均出现在距离隧道入口500 m处的位置。因此隧道中部要尽量避免辅助设备的安装。

(5)初始压力波在中长隧道中传播的时间较长,壁面摩擦等因素消耗了波的部分能量。最大压力峰-峰值在隧道入口附近(0～30 m)增加最快;在30～333 m的位置,增加变缓;在333～550 m的位置基本不发生变化。

(6)8编组高速列车在隧道运行时,从车头到车尾,车体表面的正压峰值逐渐减小,负压峰值的绝对值逐渐增大且均大于正压峰值。头车鼻尖处承受的压力最大,而尾车表面的压力变化比头车更显著。气动压力载荷在车厢上分布不均,同一时刻,头车鼻端与司机室前窗差值最小为6 590 Pa,最大为7 020 Pa。

(7)车内压力变化幅度远小于车外压力变化幅度,且车内压力波动滞后于车外压力波动,头车的压力波动幅度小于尾车的压力波动幅度,两者相差约30%。不同车厢内,负压峰值的变化幅度大,正压峰值的变化幅度相对较小,头车和尾车的负压变化幅度是正压变化幅度4.7倍。