劉鳳華，余以正

(中國(guó)北車集團(tuán) 長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062)*

0 引言

近年來，國(guó)內(nèi)許多大城市正在建設(shè)或籌劃城市快速軌道交通系統(tǒng)(或地鐵系統(tǒng)).城際列車、地鐵速度小于高鐵，但由于頭型長(zhǎng)細(xì)比小，且地鐵車一般在隧道內(nèi)運(yùn)行，從空氣動(dòng)力學(xué)的角度分析，高鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況比地鐵車隧道工況多，地鐵隧道截面積遠(yuǎn)小于高鐵隧道截面積，隧道截面變化頻繁，因此面臨的氣動(dòng)問題實(shí)際也很突出.根據(jù)以往對(duì)高鐵的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)列車頭型長(zhǎng)細(xì)比減小一半左右，最大壓力波幅度增加2倍以上.而地鐵車的頭型長(zhǎng)細(xì)比與高鐵比往往增加了幾倍.因此需要考慮列車高速進(jìn)出隧道或者在截面變化的隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的壓力波對(duì)列車運(yùn)行和乘客舒適性的影響［1］.

此外，通過仿真分析研究地鐵車在隧道內(nèi)的阻力變化，研究發(fā)現(xiàn)列車在隧道內(nèi)運(yùn)行阻力系數(shù)遠(yuǎn)大于明線運(yùn)行時(shí)阻力系數(shù)，因此由于氣動(dòng)阻力造成的能耗實(shí)際上是比較大的.

列車在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中由于空氣動(dòng)力學(xué)問題帶來的諸如車門在某些工況下無法關(guān)閉等現(xiàn)實(shí)問題，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)地鐵車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)方面研究很少，尤其是線路運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很少.因此本文的研究對(duì)地鐵車新車型的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)以及參考意義.

1 地鐵車內(nèi)外動(dòng)壓線路運(yùn)行實(shí)測(cè)

(1)測(cè)試線路 此次分析研究選擇的測(cè)試線路是深圳地鐵二號(hào)線后?！t樹灣地鐵路段，與其他路段比，此路段距離更長(zhǎng)，并且較為平直;另外此路段還有一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是隧道截面有一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的距離為矩形截面，因此列車在此段能加速到70 km/h，然后列車以此速度進(jìn)入該段隧道圓形截面，出現(xiàn)了一段相當(dāng)大的壓力波動(dòng)，并能被人耳感覺.

(2)測(cè)試設(shè)備 由于地鐵車的速度較低，壓力波動(dòng)基本在100～1 500 Pa(是大氣壓的0.1%～1%)之間，因此需要采用較低量程、精度較高的傳感器，因此選用差壓傳感器電子掃描閥.本次試驗(yàn)使用的DSM3400電子掃描閥系統(tǒng)及配套模塊，是目前國(guó)內(nèi)同類設(shè)備中最先進(jìn)、在量程和精度方面最適合本次測(cè)試的設(shè)備.本次試驗(yàn)采用312 Hz采樣頻率.

(3)測(cè)點(diǎn)布置 此次試驗(yàn)，在車內(nèi)外共分布了90個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中在車內(nèi)布置16個(gè)測(cè)點(diǎn)，車外共布置74個(gè)測(cè)點(diǎn).車外測(cè)點(diǎn)主要分布在頭車車前端、頭車車窗、空調(diào)蓋板處，并且當(dāng)列車朝相反的方向運(yùn)行時(shí)頭車的測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槲曹嚨臏y(cè)點(diǎn);車內(nèi)測(cè)點(diǎn)主要分布在司機(jī)室、第一節(jié)車廂以及第一節(jié)車與第二節(jié)車的風(fēng)擋處.圖1、圖2是相關(guān)位置測(cè) 點(diǎn)布置示意圖.

圖1 測(cè)點(diǎn)布置總示意圖

圖2 車外測(cè)點(diǎn)布置示意圖

(4)測(cè)試工況 實(shí)際測(cè)試中進(jìn)行了包括車內(nèi)舒適性測(cè)試(車內(nèi)壓力變化);車頭、裙板內(nèi)外壓力測(cè)試;車門內(nèi)外壓力測(cè)試;屏蔽門內(nèi)外壓力測(cè)試;空調(diào)蓋板內(nèi)外壓力測(cè)試等.測(cè)試了列車在50、60、70、80 km/h運(yùn)行條件下各個(gè)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓數(shù)據(jù).本文限于篇幅主要選取車內(nèi)舒適性測(cè)試以及車外壓力變化進(jìn)行研究.

2 列車的空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1 仿真分析數(shù)學(xué)模型的選取

利用FLUENT大型流場(chǎng)計(jì)算商用軟件，根據(jù)流場(chǎng)特點(diǎn)，數(shù)值求解的控制方程為低速粘流的Navier-Stokes方程，湍流采用兩方程湍流模型，近壁區(qū)采用低Re數(shù)修正與壁面函數(shù)相結(jié)合的方法，方程采用有限體積法離散，并采用并行的壓力修正算法求解［2］.

2.2 CFD計(jì)算模型

分析選取一節(jié)半車進(jìn)行了分析研究，車頭是影響計(jì)算結(jié)果的重要部位，因此在該區(qū)域分布了較密的網(wǎng)格以保形，同時(shí)根據(jù)流動(dòng)特點(diǎn)規(guī)劃分區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以保證模擬精度.在車身連接處，轉(zhuǎn)向架、風(fēng)檔和空調(diào)等部位都進(jìn)行了網(wǎng)格加密.對(duì)曲率變化較大的部分和關(guān)鍵區(qū)域都進(jìn)行了網(wǎng)格加密，以滿足此類問題計(jì)算對(duì)網(wǎng)格的要求，近壁面第一層網(wǎng)格最小網(wǎng)格高度為0.5 mm.限于計(jì)算規(guī)模，不可能按照隧道的實(shí)際長(zhǎng)度建模，只能選取列車在一段隧道內(nèi)運(yùn)行進(jìn)行CFD模擬研究，本次分析選取隧道長(zhǎng)為500 m.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 車外壓力測(cè)試結(jié)果分析

車外測(cè)點(diǎn)主要分布在頭車車前端、頭車車窗、空調(diào)蓋板處，并且當(dāng)列車朝相反的方向運(yùn)行時(shí)頭車的測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槲曹嚨臏y(cè)點(diǎn)，各外部測(cè)點(diǎn)的測(cè)試目的并不一樣.本文限于篇幅，車外壓力變化情況僅選取頭車測(cè)點(diǎn)與尾車測(cè)點(diǎn)分析.研究發(fā)現(xiàn)，不同的車速下，車頭處測(cè)點(diǎn)的壓力分布趨勢(shì)幾乎一樣，只是壓力大小以及出現(xiàn)壓力峰值的時(shí)間不同.因此本文中只列出在80 mm時(shí)各壓力測(cè)點(diǎn)的壓力變化情況.圖3是列車運(yùn)行速度為80 km/h時(shí)，車外壓力測(cè)點(diǎn)壓力變化情況.由圖3(a)可以看到，在120 s左右的時(shí)候，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力突然急劇升高，有些測(cè)點(diǎn)壓力在瞬間從200 Pa左右突變至1 200 Pa，這主要是由于此時(shí)隧道從方形截面突變到圓形截面所致，可見隧道截面形狀的變化對(duì)車外壓力變化影響很大.當(dāng)隧道截面頻繁變化時(shí)，車外壓力波動(dòng)也會(huì)隨之頻繁變化.這種氣動(dòng)力的頻繁變化甚至可能會(huì)影響某些結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，因此在后期研究中應(yīng)當(dāng)對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的關(guān)注.

圖3(b)是車尾測(cè)點(diǎn)壓力變化情況，多數(shù)壓力測(cè)點(diǎn)處于負(fù)壓值區(qū)，在170 s左右時(shí)出現(xiàn)了壓力突變，有些測(cè)點(diǎn)的負(fù)壓值從-300 Pa左右突變到-850 Pa左右.這主要是由于此時(shí)隧道從圓形截面突變到方形截面所致，可見隧道截面的變化對(duì)尾車壓力變化也有很大的影響.整體來講，與車頭相比，車尾壓力變化趨勢(shì)相對(duì)平緩.

圖3 80 km/h時(shí)車外壓力測(cè)點(diǎn)壓力變化情況

3.2 車內(nèi)壓力測(cè)試結(jié)果分析

車內(nèi)壓力的變化主要影響舒適性，列車在隧道內(nèi)運(yùn)行的壓力及壓力變化率若超出一定的限制，會(huì)造成乘客耳朵不適，乘客舒適度降低，行車阻力增大和能耗增加.根據(jù)相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，車內(nèi)空氣壓力變化≤200 Pa/1 s為優(yōu);車內(nèi)空氣壓力變化≤800 Pa/3 s為良;車內(nèi)空氣壓力變化≤1250 Pa/3 s為合格.車內(nèi)壓力的波動(dòng)的大小，在很大程度上與車速有關(guān).本文選取的是第一節(jié)車車廂內(nèi)某一個(gè)測(cè)點(diǎn)在不同的車速下壓力變化情況進(jìn)行研究.

由圖4可見，車速對(duì)車內(nèi)壓力波動(dòng)影響很大.當(dāng)車速為50 km/h時(shí)，壓力變化最大值為150 Pa;車速為80 km/h時(shí)，車內(nèi)壓力變化最大值為500 Pa，對(duì)應(yīng)的最大最小值之差則為2.7倍.當(dāng)列車以80 km/h運(yùn)行時(shí)，在120 s左右時(shí)測(cè)點(diǎn)壓力瞬間從-200 Pa變化到240 Pa，瞬間壓力變化率達(dá)到了400 Pa/s以上，并能被人耳感受到，明顯影響到了舒適性.這主要是由于此次分析研究的深圳地鐵二號(hào)線后海—紅樹灣地鐵路段，隧道截面有一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的距離為矩形截面，因此列車在此段能加速到70 km/h，然后列車以此速度進(jìn)入該段隧道圓形截面，出現(xiàn)了一段相當(dāng)大的壓力波動(dòng).可見對(duì)于該車影響車內(nèi)壓力波動(dòng)主要由車速與隧道截面變化有關(guān).因此當(dāng)列車在隧道截面形狀變化過于劇烈的隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)該采取限速措施，速度應(yīng)該低于50 km/h.

圖4 不同車速下車內(nèi)壓力測(cè)點(diǎn)的壓力變化情況

受限于線路工況與列車實(shí)際運(yùn)營(yíng)要求，本次試驗(yàn)車速最高為80 km/h，而新的城際客車車速可能要達(dá)到100～140 km/h，因此需要根據(jù)本次測(cè)試的結(jié)果擬合出該車在更高速度同等級(jí)運(yùn)營(yíng)條件下在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)車內(nèi)壓力變化情況.圖5是通過三次多項(xiàng)式擬合外推得到的車內(nèi)壓力3 s內(nèi)變化情況［3］，由圖5可見，當(dāng)列車速度達(dá)到120 km/h時(shí)，車內(nèi)壓力變化達(dá)到2 340 Pa/3 s，車內(nèi)舒適性指標(biāo)將不合格.

圖5 三次多項(xiàng)式擬合外推車內(nèi)壓力變化情況

3.3 車內(nèi)外壓力值變化關(guān)系研究

圖6是選取列車鼻尖處外部測(cè)點(diǎn)的壓力值與對(duì)應(yīng)的車內(nèi)部壓力測(cè)點(diǎn)壓力值.兩條曲線中上部曲線為列車鼻尖外部測(cè)點(diǎn)壓力變化值，下部曲線為列車鼻尖處對(duì)應(yīng)的內(nèi)部測(cè)點(diǎn)壓力變化值.由圖6可以看到，在該測(cè)點(diǎn)處車內(nèi)外壓力波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，可見車內(nèi)外壓力的波動(dòng)是同相位的.提高車輛的密封性有助于降低車內(nèi)的壓力波動(dòng)值［4］.

圖6 鼻部后面位置的列車-隧道-壓力特征

4 仿真分析結(jié)果分析

4.1 列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)壓力變化情況

本次分析，選取列車運(yùn)行速度80 km/h.為了分析方便，本文選取列車的幾個(gè)特殊的時(shí)刻進(jìn)行分析，分別是列車車頭剛剛進(jìn)入隧道，列車完全進(jìn)入隧道，列車在隧道內(nèi)運(yùn)行這幾個(gè)時(shí)刻.圖7(a)是列車車頭剛進(jìn)入隧道的情況，由圖可見，列車高速進(jìn)入隧道時(shí)，空氣流動(dòng)受到隧道壁面的限制被阻滯，使列車前端靜止的壓力受到劇烈壓縮，所以列車進(jìn)入隧道時(shí)以及列車進(jìn)入隧道后列車頭部壓力繼續(xù)升高。列車前端的最大壓力高達(dá)1 550 Pa，比穩(wěn)態(tài)運(yùn)行高出很多.圖7(c)是列車完全進(jìn)入隧道后壓力變化情況，此時(shí)車體表面的壓力分布很不均勻.中前部呈正壓狀態(tài)，而中后部則呈負(fù)壓狀態(tài)，且表面壓力變化較大。這與上文中實(shí)測(cè)結(jié)果壓力分布趨勢(shì)完全一致.圖7(d)是列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)形成的壓縮波與膨脹波，形成壓力波的原因是因?yàn)榱熊囈暂^高速進(jìn)入隧道時(shí)，由于列車邊壁和隧道邊壁限制了空氣的側(cè)向流動(dòng)和上下流動(dòng)，從而使列車前方的空氣受到壓縮并隨列車向前移動(dòng)，該處空氣產(chǎn)生壓力增量.增壓后的空氣又推動(dòng)相鄰的靜止空氣向前運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生壓力增量，這樣依次傳遞下去，在隧道內(nèi)形成了壓力擾動(dòng)波陣面.該波陣面以聲速沿隧道向前傳播，波陣面前方的空氣流速為零，而波陣面后方的空氣以一定的流速隨列車沿隧道向前流動(dòng)［5］.

圖7 列車過隧道壓力變化情況

研究發(fā)現(xiàn)仿真分析時(shí)列車隧道效應(yīng)更為明顯，這主要是由于本次測(cè)試時(shí)，受限于列車實(shí)際運(yùn)營(yíng)條件及線路距離，列車總是處于加速減速階段，不能長(zhǎng)時(shí)間以較高速度運(yùn)行，并且實(shí)際隧道很長(zhǎng);CFD計(jì)算可使列車保證任何期望的速度，但受限于計(jì)算規(guī)模，CFD計(jì)算時(shí)只能選取一段較短長(zhǎng)度的隧道進(jìn)行計(jì)算.盡管如此，計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)列車完全在隧道內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在頭尾部測(cè)點(diǎn)處，CFD仿真分析得到的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致.并且實(shí)際中，此次仿真分析的結(jié)果對(duì)于線路實(shí)測(cè)布點(diǎn)有很好的指導(dǎo)作用.

5 結(jié)論

本文通過線路實(shí)測(cè)與仿真分析相結(jié)合，研究了地鐵車在隧道內(nèi)運(yùn)行的壓力以及阻力的變化，得出以下結(jié)論:

(1)列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，在列車頭型確定的前提下，車外的壓力分布趨勢(shì)主要取決于隧道形狀，在隧道截面變化處出現(xiàn)壓力峰值，壓力波動(dòng)最為明顯.當(dāng)隧道截面頻繁變化時(shí)，車外壓力波動(dòng)也會(huì)隨之頻繁變化，此時(shí)應(yīng)該對(duì)某些部件的結(jié)構(gòu)疲勞給予關(guān)注;

(2)列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，車速對(duì)車內(nèi)壓力波動(dòng)值影響很大，車速為80 km/h時(shí)車內(nèi)同一點(diǎn)的對(duì)應(yīng)的壓力最大最小值之差比車速為50 km/h大2.7倍;通過三次多項(xiàng)式擬合外推可得到該車在更高速度同等級(jí)運(yùn)營(yíng)條件下在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)車內(nèi)壓力變化情況;在列車相同位置內(nèi)外同一點(diǎn)處，車內(nèi)外壓力波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，提高車輛的密封性有助于降低車內(nèi)的壓力波動(dòng)值;

(3)當(dāng)列車完全進(jìn)入隧道后在隧道內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，數(shù)值計(jì)算與線路實(shí)測(cè)得到的車表面壓力分布規(guī)律基本吻合;

(4)隨著地鐵車速的進(jìn)一步提高，對(duì)于列車本身來講，為降低列車在隧道內(nèi)的運(yùn)行阻力以及車內(nèi)外壓力波動(dòng)，需從源頭做起，即設(shè)計(jì)新的流線型頭型，保證全車的密封性［6］.

［1］WILLEMSEN E.High Reynolds number wind tunnel experiments on trains［J］.Journal of wind engineering and industrial aerodynamics，1997，69:437-447.

［2］武青海.列車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2002，23(4):132-138.

［3］田紅旗.列車空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.

［4］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［5］北京交通大學(xué)城市軌道交通研究中心.［J］.長(zhǎng)區(qū)間隧道與快速運(yùn)營(yíng)造成的影響［R］.北京:北京交通大學(xué)，2002.

［6］JOSEPH A SCHETZ.高速列車空氣動(dòng)力學(xué)［J］.力學(xué)進(jìn)展，2003，33:404-423.