台阶开孔式缓冲结构对隧道气动效应分析

杨彬彬, 闫亚光*, 高利民, 邵建恒, 任远, 解会兵

(1.河北工程大学土木工程学院, 邯郸 056000; 2.北京交通大学土木建筑工程学院, 北京100044)

列车驶入隧道过程中,由于车前空间的变化,列车在隧内压缩空气形成压缩波,压缩波以声速传播至洞口,一部分能量会形成微气压波。微气压波不仅对隧道周边环境造成噪音污染,也会给附近居民生活带来不利的影响,并且随着列车速度的不断提升,隧道微气压波的危害也变得日益严重。所以有必要研究组合式缓冲结构来进一步缓解微气压波的危害。

中外学者提出了多种方法来缓解隧内的气动效应。骆建军等[1-2]运用数值模拟方法得出了横通道的断面积、位置和横通道与隧道斜交角度的变化都能对隧道内压力梯度产生影响,并得出当横通道的长度为20～30 m时,对隧内的压力值降低效果较明显。史宪明等[3]采用数值模拟的方法对内置开孔隔墙隧道车体压力波动特性进行研究,得出开孔间距和开孔距离对车体压力波的影响较为明显。王英学等[4]提出了一种经济、高效的间缝式开口缓冲结构,与常规的开口型相比,其延米降低率更好,能进一步提高缓冲结构的降低效率。闫亚光等[5-6]基于气动声学方程对喇叭型缓冲结构的横断面积、入口面积、长度参数进行优化,使压力曲线成线性增长,进而大幅度降低压力梯度值,并对10种不同开孔参数的缓冲结构作对比得出最优开孔形式。杨伟超等[7]提出了等截面帽檐斜切开孔组合型缓冲结构与单一类型的缓冲结构相比,能进一步缓解隧道的气动效应,并对泄压孔的参数进行了优化。张洁等[8]基于数值模拟的方法对600km/h磁浮列车通过截面扩大型缓冲结构的初始压缩波波前特性进行研究,得出当缓冲结构长度为100m时对微气压波的缓解效果最好。李文辉等[9]对变截面隧道进行研究,得出在车体和隧内的压力缓解方面变截面隧道优于典型缓冲结构,但是对微气压波的缓解效果弱于典型缓冲结构。张童童等[10-11]把外缓冲结构内置,提出了内阶梯形缓冲结构,能用在隧道入口地形复杂不便设置缓冲结构处,能有效地缓解隧道内的气动效应。并提出了一种联通式内缓冲结构,对其缓冲结构的结构形式进行优化,得出了最优的结构形式。任文强[12]对高铁隧道顶部开口缓解微气压波的规律进行具体分析,得出了单开口、双开口的最优参数。李慧君[13]对台阶缓冲结构进行了研究,得出了此缓冲结构的最佳长度、阶数和横截面积。Howe[14-16]运用理论基础对多开口缓冲结构进行分析,得出了最优参数。Miyachi[17]基于理论分析的研究方法,推导出考虑地形因素的微压波预测公式。

中外学者对缓解隧道气动效应的各种方法进行了积极探索,但是对组合型式的缓冲结构研究较少,为了进一步减缓隧道入口微气压波的危害,提出台阶开孔式缓冲结构。基于FLUENT软件的κ-ε两方程(κ为湍动能,ε为耗散率),建立列车-隧道计算模型,通过与试验对比验证模型的可行性,然后对不同工况下的开孔参数进行对比分析,最终得出最优的设计参数,为组合型缓冲结构的研究提供了新思路。

1 理论基础

1.1 控制方程

列车以350 km/h的速度驶入隧道过程中,由于车前空间变化,会在车前压缩空气,因此隧内流场假设为非稳态、黏性、可压缩流的三维流场,采用Navier-Stokes方程和κ-ε两方程进行求解,描述如下。

(1)连续性方程为

(1)

(2)动量方程为

(2)

(3)

(4)

(3)能量方程为

(5)

(4)状态方程为

P=ρRT

(6)

式中:ρ为密度;P为压力;v为气流速度;vx、vy、vz为气流速度在x、y、z坐标轴方向的分量;t为时间;▽为哈密顿算子;R为气体常数;μ为气体的黏度系数;μ为紊流黏度;Pr为气体定压比热比;σ为紊流普朗特数;T为热力学温度。

1.2 计算模型概述

选用中国自主研发的复兴号CR400-BF动车组为列车模型,车速为350 km/h,采用三车编组的列车模型,总长74.6 m。隧道为中国标准双线隧道,断面积为100 m2,隧道全长500 m,测点位于隧道内,距离隧道入口100 m处的隧道顶部。台阶开孔式缓冲结构为三阶等长,总长为40 m,各阶断面分别为170、145、120 m2,列车和缓冲结构模型如图1所示。

台阶开孔式缓冲结构主要从以下两个方面缓解隧内气动效应。一方面由于缓冲结构断面的突变,使得压缩波在断面突变处部分发生反射,一部分形成新的压缩波继续在隧内传播,反射部分传播至隧道入口会形成膨胀波,压缩波和膨胀波在隧内进行反复的交替传播,使得压缩波能量耗散,从而使得压力梯度最大值降低;另一方面,由于泄压孔的存在使得隧道内受压缩的气体由泄压孔排到隧道外,从而能进一步缓解初始压缩波的压力梯度。

1.3 网格划分及边界条件

采用结构化网格和非结构化网格对计算模型进行划分,列车的头尾部由于结构复杂,采用非结构化网格划分,其余部分用结构化网格进行划分。为了使数值模拟结果更加准确,模型中网格最小尺寸为0.05 m,时间步长设为0.005 s。

采用滑移网格技术进行模拟,列车与隧道之间的信息交换通过滑移交界面interface来完成。计算模型的边界条件分为两种类型:计算域顶面、侧面、远端界面设定为Pressure-far-field边界条件,计算域底面、隧道底面设置为wall边界条件。计算域尺寸为240 m(长)×120 m(宽)×60 m(高),无缓冲结构计算域和边界尺寸如图2所示。

图2 无缓冲结构计算域示意图Fig.2 Diagram of computation domain of unhood

气体介质为理想气体ideal-gas,黏滞系数为1.789 4×10-5kg/(m·s),导热系数为0.024 2 W/(m·K)。静压设置为标准大气压101 325 Pa。

2 模型验证

通过中南大学模型试验数据与本文的数值模拟进行对比,验证数值计算方法的可行性。模型试验采用两车编组,列车长2.92 m,速度为55.98 m/s,隧道断面积为0.258 m2,隧道长28 m,缩尺比例为1∶17.6,测点距离隧道入口约14.2 m。图3给出了试验结果和本文计算值的比较。

图3 试验结果和计算结果对比Fig.3 Comparison of test results and calculated results

从图3分析可知,通过数值模拟得出的计算初始压缩波曲线与验证模型的试验结果基本吻合,但两者的曲线存在细微的不同,可能是由试验环境和模拟环境的误差所引起的,但两者的最大差值保持在3%以内,不会对结果造成显著影响,因此验证了计算模型的可行性。

3 计算结果与分析

通过具体分析不同工况下初始压缩波的压力和压力梯度值的变化情况,得出了不同开孔参数下台阶开孔式缓冲结构对初始压缩波的减缓效果,并优化了台阶开孔式缓冲结构的最优开孔参数,其中包括:开孔距离、开孔率、开孔数量、开孔位置,共13种工况,具体工况参数如表1所示。

表1 三阶开孔式缓冲结构工况参数Table 1 Parameters of three-order open-hole hood structure

3.1 开孔距离对隧道气动效应的影响

三阶等长开孔式缓冲结构如表1所示,缓冲结构的开孔率α为36%,开孔数量为2孔,开孔位置为顶部开孔,为了探讨不同开孔距离对隧道气动效应的影响,开孔距离分别取1、2、3、4 m,4种工况讨论开孔距离对隧道气动效应的影响。

图4为不同开孔距离下,测点位置处的压力和压力梯度曲线,图4分析可得以下结论。

图4 不同开孔距离下压力和压力梯度曲线Fig.4 Pressure and pressure gradient curves at different opening distances

(1)初始压缩波。随着开孔距离的增加,初始压缩波波前厚度增大,压力曲线上升平缓。无缓冲结构时,最大压力值为2 044.3 Pa,工况1～4的最大压力分别为2 021.5、2 022.4、2 023.0、2 023.9 Pa,测点处最大压力值差值较小,说明开孔距离的变化对初始压缩波峰值影响较小。

(2)压力梯度。压力梯度曲线出现了明显的两个峰值A1、A2,各波峰值出现时间差异不大,基本一致。当开孔距离从1 m增加到4 m时,列车进入隧道所产生的压缩波的波峰值A1不断减小,A2则不断增大,当开孔距离为4 m(工况4)时,A1、A2波峰值基本相等,此时对压力梯度最大值的缓解效果最好,缓解率为60.14%。

3.2 开孔率对隧道气动效应的影响

三阶等长开孔式缓冲结构如表1所示,其中开孔距离为4 m,开孔数量为2孔,开孔位置选择顶部开孔。为了研究不同开孔率对隧道气动效应的影响,总开孔率α分别取28%、32%、36%、40%,从第一第二开孔率两个方面讨论开孔率对隧道气动效应的影响。

3.2.1 第一开孔率对隧道气动效应的影响

开孔宽度B=4 m,第一开孔长度分别取5、6、7 m,第一开孔率α1分别为20%、24%、28%,第二开孔长度为3 m,第二开孔率α2为12%。总开孔率α为32%、36%、40%,3种工况讨论第一开孔率对隧道气动效应的影响。

图5为不同开孔率下,测点位置处的压力和压力梯度曲线,图5分析可得以下结论。

图5 不同开孔率下压力和压力梯度曲线Fig.5 Pressure and pressure gradient curves at different opening rates

(1)初始压缩波。初始压缩波压力曲线的上升速率并非随着第一开孔率的增加而增加。不同开孔率下初始压缩波的压力曲线变化基本一致,与无缓冲结构相比,压力曲线波前厚度增大,压力曲线上升平缓,压力最大值基本相同。

(2)压力梯度。压力梯度曲线出现了明显的两个波峰值A1、A2,各波峰值出现时间基本一致,但是压力梯度最大值略有不同。当开孔率α为32%(工况5)时,A1波峰值最大,但是A2值最小,当开孔率α为40%(工况6)时,A1波峰值最小,但是A2波峰值最大,并且超过了A1波峰值。当开孔率α为36%(工况4)时,A1、A2波峰值基本相同,此时对压力梯度最大值的缓解效果最好,缓解率为60.14%。

3.2.2 第二开孔率对隧道气动效应的影响

开孔宽度B=4 m,第二开孔长度分别取1、2、3 m,第二开孔率α2分别为4%、8%、12%,第一开孔长度为6 m,第一开孔率α1为24%,总开孔率α为28%、32%、36%,分别为工况7、工况8、工况4,3种工况讨论开孔率对隧道气动效应的影响。

图6为不同开孔率下,测点位置处的压力和压力梯度曲线,图6分析可得以下结论。

图6 不同开孔率下的压力和压力梯度曲线Fig.6 Pressure and pressure gradient curves at different opening rates

(1)初始压缩波。不同开孔率下初始压缩波的波前厚度基本相同,与无缓冲结构相比,压力曲线波前厚度增大,压力曲线上升平缓,压力最大值略有不同,但是基本一致。

(2)压力梯度。压力梯度曲线出现了明显的两个峰值A1、A2,不同开孔率α2下,各峰值出现的时间基本一致,但压力梯度最大值存在差异。随着开孔率的变化A1波峰值逐渐降低,A2波峰值则是不断升高,但是A2波峰值的增长率明显大于A1波峰值的减少率,说明第二开孔率对A2波峰值的影响较强。

综上所述,当台阶开孔式缓冲结构第一开孔为4 m×6 m,第二开孔为4 m× 3m,总开孔率α为36%(工况4)时,能较好的缓解初始压缩波压力梯度最大值,缓解率为60.14%。

3.3 开孔数量对隧道气动效应的影响

三阶等长开孔式缓冲结构,缓冲结构的开孔距离为4 m,开孔率α为36%,开孔位置选择顶部开孔。为了探讨不同开孔数量对隧道气动效应的影响,开孔数量分别取2孔、3孔、6孔,分别为工况4、工况9、工况10,3种工况讨论开孔数量对隧道气动效应的影响。

图7为不同开孔数量下,测点位置处的压力和压力梯度曲线,分析图7可得以下结论。

图7 不同开孔数量下压力和压力梯度曲线Fig.7 Pressure and pressure gradient curve under different number of openings

(1)初始压缩波。不同开孔数量下初始压缩波的压力曲线变化规律基本相同,压力曲线上升平缓,压力最大值略有不同,但基本一致,说明开孔数量对初始压缩波的压力影响不大。

(2)压力梯度。不同开孔数量下的压力梯度曲线略有不同,当开孔数量为2孔时,压力梯度存在两个波峰值A1、A2,且波峰值A1、A2基本相同。当开孔数量为3孔和6孔时,两者的初始压缩波压力梯度曲线变化基本一致,压力梯度波峰值A1、A2逐渐变为一个峰值,但是6孔的压力梯度峰值较2孔的压力梯度值增长1.2%。3孔与2孔的压力梯度峰值基本相同,说明开孔数量对压力梯度峰值的影响不大。

综上所述,当台阶开孔式缓冲结构开孔数量为2孔(工况4)时,能较好地缓解初始压缩波的压力梯度最大值,缓解率为60.14%。

3.4 开孔位置对隧道气动效应的影响

三阶等长开孔式缓冲结构,缓冲结构的开孔距离为4 m,开孔率α为36%,开孔数量为2孔。为了探讨开孔位置对隧道气动效应的影响,分别从顶部、侧面、顶部侧面交叉开孔和侧面顶部交叉开孔,分别为工况4、工况11、工况12、工况13,4种工况讨论开孔位置对隧道气动效应的影响。

图8为不同开孔位置下,测点位置处的压力和压力梯度曲线,分析图8可得如下结论。

(1)初始压缩波。不同开孔位置下初始压缩波的压力曲线变化规律基本相同,但是顶部开孔与其他几种开孔位置相比压力曲线上升更平缓。与无缓冲结构相比压力最大值均有小幅度下降,但相差不大。说明开孔位置对初始压缩波的压力影响较小。

(2)压力梯度。不同开孔位置下的压力梯度曲线略有不同,顶部开孔(工况4)时,A1、A2波峰值基本相同。侧面开孔(工况11)时,A1波峰值与顶部开孔时基本相同,但A2波峰值较顶部开孔增4.5%。

顶部侧面交叉开孔(工况12)时,A1波峰值最小,较顶部开孔降低1.6%,但A2波峰值最大,较顶部开孔增长6.9%。侧面顶部交叉开孔(工况13)时,A1波峰值最大,较顶部开孔增长3.45%,A2波峰值最小,较顶部开孔降低3.5%。开孔位置减缓微气压波效果由强到弱为:顶部开孔、侧面开孔、侧面顶面开孔、顶面侧面开孔。

综上所述,当台阶开孔式缓冲结构采用顶部开孔(工况4)时,能较好地缓解初始压缩波的压力梯度最大值,缓解率为60.14%。

4 结论

(1)在隧道入口设置台阶开孔缓冲结构对初始压缩波压力最大值的影响不大,不同参数下的最大压力值差值较小,但对压力梯度最大值降低效果明显,最优的开孔型式对压力梯度的缓解率为60.14%。

(2)随着缓冲结构开孔距离的增加,A1波峰值逐渐减小,A2波峰值逐渐增大,当开孔距离为4 m时,A1、A2波峰值基本相同,此时对压力梯度的减缓效果最好。

(3)随着缓冲结构开孔率的增加,缓冲结构对压力梯度的减缓效果并非随着开孔率的增加而增加,而是在第一开孔为4 m×6 m,第二开孔为4 m×3 m时,开孔率为36%,缓解效果最好。

(4)不同开孔数量对压力梯度峰值的影响不大,当开孔数量为2孔和3孔时,A1、A2波峰值基本相同,开孔数量为6孔时较开孔数量为2孔时压力梯度值增长1.2%,因此开孔数量为2孔时,缓解效果最优。

(5)不同开孔位置对A1、A2波峰值的影响比较明显,侧面顶部交叉开孔较顶部开孔A1波峰值增加3.45%,顶部侧面开孔较顶部开孔A2波峰值增长6.9%,开孔位置减缓微压波效果由强到弱为:顶部开孔、侧面开孔、侧面顶面开孔、顶面侧面开孔。