徐世南+張繼業(yè)+李田+張亮

摘要： 基于空氣動(dòng)力學(xué)理論，建立列車(chē)通過(guò)隧道的模型，分析高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)底板的壓力.采用FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，得到列車(chē)底板各個(gè)監(jiān)測(cè)面的壓力時(shí)程曲線(xiàn)，提取底板的最大正壓、最大負(fù)壓和壓力幅值，研究其變化規(guī)律.結(jié)果表明：底板壓力沿橫向變化較??；底板壓力梯度和壓力幅值較大區(qū)域均位于底板靠近一位端轉(zhuǎn)向架位置；在相同速度下頭車(chē)底板最前端的壓力幅值最大；列車(chē)頭車(chē)、中間車(chē)與尾車(chē)底板壓力最大幅值近似與列車(chē)速度的平方成正比.

關(guān)鍵詞： 高速列車(chē)； 底板； 隧道； 空氣動(dòng)力學(xué)； 壓力時(shí)程曲線(xiàn)； 壓力幅值

中圖分類(lèi)號(hào)： U266文獻(xiàn)標(biāo)志碼： 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

基金項(xiàng)目： 高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金（U1234208）

作者簡(jiǎn)介： 徐世南（1988—），男，浙江寧波人，碩士研究生，研究方向?yàn)榭諝鈩?dòng)力學(xué)，（Email）892092166@qq.com；

張繼業(yè)（1965—），男，四川夾江人，教授，博士，研究方向?yàn)楦咚倭熊?chē)流固耦合動(dòng)力學(xué)，（Email）jyzhang@home.swjtu.edu.cn0引言

列車(chē)運(yùn)行速度已成為衡量一個(gè)國(guó)家鐵路現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志.隨著列車(chē)運(yùn)行速度的不斷提高，一系列的列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題迎面而來(lái)：列車(chē)高速交會(huì)時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力沖擊對(duì)行車(chē)安全、旅客乘坐舒適性和列車(chē)結(jié)構(gòu)安全等均產(chǎn)生嚴(yán)重影響；列車(chē)高速通過(guò)隧道時(shí)產(chǎn)生的壓力對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)、隧道工作人員和乘客產(chǎn)生不利影響.因此，對(duì)高速列車(chē)氣動(dòng)壓力的研究尤為重要.[1]

田紅旗等[2]研究列車(chē)壓力波與速度的關(guān)系，認(rèn)為列車(chē)壓力幅值與列車(chē)運(yùn)行速度平方成正比；王一偉等[3]和王建宇等[4]通過(guò)理論分析研究隧道壓力波的形成和峰值的影響因素，分析壓力波傳播、反射和疊加規(guī)律；李人憲[5]研究列車(chē)會(huì)車(chē)時(shí)產(chǎn)生的壓力波對(duì)列車(chē)側(cè)窗的影響，得出車(chē)窗在隧道內(nèi)受到的沖擊明顯大于明線(xiàn)的結(jié)論.

在列車(chē)氣動(dòng)壓力研究領(lǐng)域中，對(duì)列車(chē)受電弓、風(fēng)擋和裙板等也有較多的研究[69]；但是，對(duì)列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)車(chē)底板氣動(dòng)性能的研究還未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道.當(dāng)列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，特別是在高速通過(guò)隧道時(shí)，列車(chē)運(yùn)行環(huán)境急劇惡化，列車(chē)底板因此會(huì)發(fā)生開(kāi)裂、損壞等事故，危及列車(chē)的行駛安全.因此，對(duì)高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)的車(chē)底板進(jìn)行氣動(dòng)性能研究具有重要意義.以國(guó)產(chǎn)某高速列車(chē)為研究對(duì)象，對(duì)列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)車(chē)底板的壓力進(jìn)行研究，分析底板壓力沿列車(chē)橫向和縱向的變化以及壓力幅值與列車(chē)速度的關(guān)系.

1計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

1.1數(shù)學(xué)模型

高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)引起周?chē)諝獾牧鲃?dòng)是黏性、可壓縮、非定常的三維湍流流動(dòng)，其遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律這三大定律.[10]通過(guò)求解三維瞬態(tài)可壓縮的雷諾時(shí)均NS方程和kε兩方程湍流模型獲得列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)底板的氣動(dòng)壓力，其控制方程的運(yùn)輸方程[11]為（ρφ）t+div（ρ（u-ut）φ）=div（Γgrad φ）+S式中：t為時(shí)間；ρ為空氣密度；φ為流場(chǎng)通量；u為流場(chǎng)速度矢量；ut為列車(chē)運(yùn)動(dòng)速度矢量；S為擴(kuò)散系數(shù)；Γ為源項(xiàng).

1.2幾何模型

列車(chē)編組形式為頭車(chē)、1節(jié)中間車(chē)和尾車(chē)3車(chē)編組，其中頭車(chē)和尾車(chē)的長(zhǎng)度均為25.3 m，中間車(chē)長(zhǎng)度為25 m，列車(chē)總長(zhǎng)為75.6 m.忽略車(chē)體外部復(fù)雜結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如受電弓和門(mén)把手等，保留轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu).列車(chē)頭車(chē)和尾車(chē)底板長(zhǎng)12.5 m，中間車(chē)底板長(zhǎng)13.7 m，底板寬均為2.8 m.對(duì)列車(chē)的底板進(jìn)行分塊，其中：頭車(chē)和尾車(chē)底板各沿列車(chē)長(zhǎng)度方向3等分，寬度方向25等分，共計(jì)各分成75塊；中間車(chē)底板沿列車(chē)長(zhǎng)度方向3等分，寬度方向27等分，共計(jì)分成81塊.列車(chē)模型示意見(jiàn)圖1.