田棟棟 王 文

高速列車隧道交會流場模擬

田棟棟 王 文

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 渭南 714000）

采用計算流體力學(xué)軟件Fluent，選用RNG-湍流模型，建立列車隧道交會時的二維動網(wǎng)格模型，對高速列車隧道交會引起的空氣動力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了二維非定常數(shù)值模擬，分析列車交會時隧道內(nèi)流速、壓力分布變化規(guī)律。研究表明：兩車交會時，兩車中間部分壓力值最小，靠近隧道壁面?zhèn)鹊膲毫^大，且兩側(cè)壓力成對稱分布；兩車中間流場速度在0m/s附近波動，靠近隧道壁面?zhèn)刃纬擅黠@環(huán)隙流；靠近車體部分由于拖曳力作用與車行方向同向，靠近壁面部分與車行方向相反，且所占空間較大；初交會時，列車頭部擠壓作用疊加，環(huán)隙流速、壓力均有較大增幅；兩車相離時，車尾部尾渦作用疊加，尾部渦流影響減弱。

隧道；列車交會；空氣動力學(xué)；數(shù)值模擬

0 前言

高速列車通過隧道時，由于車頭部分?jǐn)D壓作用，會使隧道壓力突然增大，在隧道內(nèi)形成活塞風(fēng)。但隧道兩車交會時，由于壓縮波的疊加，隧道內(nèi)流場、壓力場變化較為復(fù)雜。同時高速列車隧道交會過程的研究對于行車安全及車體設(shè)計具有重要的意義。

周丹等[1]基于Fluent軟件，選用標(biāo)準(zhǔn)-雙方程湍流模型，采用滑移網(wǎng)格方法，對不同編組長度高速列車明線交會以及于各自最不利長度隧道通過和交會工況進(jìn)行模擬，并對車體表面產(chǎn)生的交變壓力載荷進(jìn)行研究。魏洋波等[2]基于Fluent軟件，選用標(biāo)準(zhǔn)-雙方程湍流模型，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，對高速列車明線交會及隧道內(nèi)交會時的空氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同線間距對高速列車交會壓力波的影響。劉冬雪等[3]采用CFD軟件Fluent，模擬研究了A型地鐵列車在隧道內(nèi)加減速時車體表面壓力變化和車內(nèi)壓力變化，分析隧道凈空面積與密封指數(shù)的關(guān)系，并采用動模型實驗驗證數(shù)值計算準(zhǔn)確性。梅元貴等[4]采用STAR-CD軟件，建立了列車幾何模型和非定?？蓧嚎s湍流的三維流動模型，對高速列車隧道內(nèi)等速和不等速交會的全過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。許建林等[5]基于CFD軟件，采用三維可壓縮非定常湍流流動的模型壓力修正算法和任意滑移界面網(wǎng)格技術(shù)，對高速列車隧道內(nèi)等速和不等速交會壓力波進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了列車交會過程中車體外部壓力場的變化。徐偉等[6]基于三維非定常不可壓縮流動的N-S方程，采用LES湍流模型和動網(wǎng)格算法，對CRH2動車組以100m/s的速度通過長100m的隧道進(jìn)行了動態(tài)數(shù)值模擬計算。

本文基于Fluent軟件，選用RNG湍流模型和動網(wǎng)格技術(shù)，對高速列車隧道交會引起的空氣動力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了二維非定常模擬，分析隧道內(nèi)流速、壓力分布變化規(guī)律，為車頭結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化、對于隧道交會車速的確定提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 模型的建立

列車隧道交會引發(fā)的隧道空氣流場是復(fù)雜的三維流動，但三維數(shù)值模擬對計算機硬件要求高，且計算效率低下。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[7]，二維模型能與理論分析結(jié)果較好的契合。本文采用二維模型，對隧道內(nèi)列車交會過程進(jìn)行非定常數(shù)值模擬。計算模型如圖1所示。

圖1 列車隧道交會示意圖

1.2 基本方程

采用基于Navier－Stokes方程的風(fēng)流模型，選取RNG湍流模型使方程組封閉。隧道內(nèi)空氣湍流流動用到的控制方程包括基本控制方程（連續(xù)性方程、動量方程、能量方程）、-模型方程和組分方程。方程形式如下：

基本控制方程通式：

方程：

方程：

其中

式中：為待求通用物理量；Γ、S分別為對應(yīng)變量的輸運系數(shù)和源項；u為速度分量，m/s；為紊流動能，m2/s2；為紊流的動能耗散率，m2/s3；為紊流脈動動能產(chǎn)生項；為流體密度，kg/m3；為層流動力黏性系數(shù)，Pa·s；μ為紊流動力黏性系數(shù)，Pa·s；1、2、σ、σ、c為經(jīng)驗常數(shù)，1=1.44，2=1.92，σ=1.30，σ=1.00，c=0.09。

1.3 邊界條件

（1）入口邊界為壓力入口，出口邊界為壓力出口，壓力均為0Pa。

（2）隧道壁面為無滑移、絕熱邊界，粗糙度設(shè)為0.008m。

2 動網(wǎng)格模型的建立

2.1 動網(wǎng)格計算模型

對于通量，在任一控制體內(nèi)，其邊界是運動的，守恒方程的通式為：

2.2 程序的二次開發(fā)

建模中考慮列車運動帶來的流場隨時間改變的問題，采用Fluent軟件建立動網(wǎng)格模型。將列車邊界設(shè)置為動壁，兩車用car1、car2區(qū)分。運用Fluent軟件提供的DEFINE_CG_MOTION宏，用C語言編譯列車運動的UDF。列車勻速相向而行，速度=56m/s，計算總時長=12s。

2.3 數(shù)值算法

列車交會過程的流場采用非定常隱式解法，選取RNG-ε湍流模型，流場迭代采用PISO（Pressure Implicit with Splitting of Operators）算法，壓力場采用標(biāo)準(zhǔn)離散方式，其他采用二階迎風(fēng)格式離散。本文動網(wǎng)格計算中網(wǎng)格的動態(tài)變化過程選用彈簧近似光滑模型（spring-based smoothing）和局部重劃模型（local remeshing）模型進(jìn)行計算。時間步長設(shè)置為0.005s。

3 模型驗證

Pope C W等[8]對帕斯威隧道內(nèi)不同列車車型在隧道內(nèi)運行所引起的活塞風(fēng)和壓力波進(jìn)行了實測研究。隧道全長=1140m，隧道當(dāng)量直徑=4.97m，列車長度=196.6m，阻塞比=0.4，列車平均速度取35m/s。風(fēng)速計布置在距隧道入口150m處，距邊墻0.5m。

研究以實際隧道為模型，簡化建立二維動網(wǎng)格模型。基于Fluent軟件，選用RNG-ε湍流模型，對測點流速變化進(jìn)行監(jiān)測，并將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行比較驗證，結(jié)果如圖2所示。

圖2 模型驗證

由圖2可以看出，隧道內(nèi)150 m處測點風(fēng)速試驗值與模擬值變化趨勢較為一致，由于二維簡化原因，在列車通過測點位置時的環(huán)隙流速存在較大差異。利用二維動網(wǎng)格模擬列車交會流場，具有一定的可行行和可信度。

4 結(jié)果與分析

列車在隧道交會前后，隧道內(nèi)及車體周身流場分布區(qū)別明顯。截取兩車未交會和交會不同時刻兩種工況下車頭附近流場分布圖（圖3~圖7），對其分布規(guī)律進(jìn)行分析。

工況1：列車交會前

圖3 交會前壓力云圖

圖4 交會前流線圖

由圖3可以看出，因為隧道本身空間分布及相向列車壓縮波的影響，車頭鼻尖處壓力分布不以車體中線呈對稱分布，鼻尖高壓力偏向靠近隧道壁面?zhèn)?。由圖4可以看出，流體部分沿車體與隧道形成的環(huán)隙空間向車行反方向流動，車頭前方由于壓縮波的作用，在隧道中呈型分布，與車行方向同向。且型分布只在靠近車頭部的一定距離內(nèi)，遠(yuǎn)離該距離時流場不在呈型分布。由于車體為無滑移壁面，將產(chǎn)生一拖曳力，故隧道中最大速度都是靠近車體表面部分。

工況2：列車交會

兩車交會時，隨著兩車持續(xù)交錯運行，隧道內(nèi)速度、壓力變化極為復(fù)雜，不同交會時刻下隧道內(nèi)流場分布如圖5~7所示。

圖5 交會速度云圖

圖6 交會壓力云圖

由圖5可以看出，兩車初相遇時，由于車頭擠壓作用，使活塞風(fēng)與環(huán)隙流形成疊加，各車頭前端流場流速較單車運行跟大，且流向與車行方向一致。兩車相離時，各車尾部由于負(fù)壓渦流區(qū)作用的相互抵消，流速很快歸于0m/s附近。由圖6可以看出，隨著兩車交會過程的進(jìn)行，列車鼻尖處最大壓力值逐漸增大。且負(fù)壓值也增大，整個壓力變化幅度變寬。兩車相離后，由于尾渦作用的疊加，隧道交會點處壓力很快歸于穩(wěn)定。

圖7 矢量、流線圖

由圖7可以看出，兩車初交會時，車頭擠壓作用明顯，車身與壁面空間形成較高流速的環(huán)隙流場，與車行方向異相。兩車相離時，在車尾形成尾渦區(qū)，兩個尾渦相互干擾，使尾渦偏向隧道壁面?zhèn)?，隨著兩車進(jìn)一步相離，兩車尾渦的作用相互抵消，交會點速度、壓力快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

為分析列車交會時環(huán)隙流的分布變化，在兩車交會中間點處設(shè)置監(jiān)測線，對兩車交會時環(huán)隙流場做模擬分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 環(huán)隙速度分布

由圖8可以看出，兩車交會時，由于兩車拖曳力相互疊加作用，兩車中間空間速度維持在0 m/s附近波動。而在靠近隧道壁面?zhèn)刃纬擅黠@環(huán)隙流場，除靠近車體部分由于曳力作用與車行方向同向，其他空間部分環(huán)隙流方向與車行方向相反。

在兩車交會點設(shè)置監(jiān)測線，用以監(jiān)測列車車距逐漸縮小過程中，隧道速度、壓力在該位置時的縱向分布。監(jiān)測結(jié)果如圖9、10所示。

圖9 速度分布

圖10 壓力分布

由圖9可以看出，近壁側(cè)速度均與列車車行方向一致，越靠近列車壁速度越大。遠(yuǎn)壁側(cè)速度與列車車行方向相反，且由于列車動壁及隧道靜壁曳力的作用呈型分布。由圖10可以看出，由于相向列車活塞風(fēng)及隧道空間的影響，列車鼻尖處最高壓力偏向近壁側(cè)。且近壁側(cè)壓力呈正壓，遠(yuǎn)壁側(cè)壓力呈負(fù)壓。

為分析列車頭部速度、壓力的分布變化規(guī)律，在距車鼻尖不同位置設(shè)置監(jiān)測線，監(jiān)測結(jié)果如圖11、12所示。

由圖11、12可以看出，隨著測點與鼻尖間距的增大，列車頭部最大速度及壓力值逐漸降低，且下降幅值逐漸減小。距鼻尖越近，其速度與壓力在近壁區(qū)呈最大正值，在遠(yuǎn)壁區(qū)呈最大負(fù)值。

圖11 列車頭部速度分布

圖12 列車頭部壓力分布

5 結(jié)論

研究基于數(shù)值模擬軟件Fluent，選用RNG湍流模型，采用動網(wǎng)格技術(shù)對高速列車隧道交會引起的隧道內(nèi)流速、壓力分布變化規(guī)律進(jìn)行非定常分析，主要結(jié)論如下：

（1）通過模型驗證，表明采用動網(wǎng)格技術(shù)對隧道內(nèi)列車運行流場分析的方式可行，計算結(jié)果可靠。

（2）隨著列車逐漸靠近，兩列車頭部速度、壓力都偏向近壁區(qū)，且距離越近偏離幅值越大。兩車尾部渦流相互影響作用，使渦流靠近隧道壁面?zhèn)取?/p>

（3）近壁側(cè)速度均與列車車行方向一致，越靠近列車壁速度越大。遠(yuǎn)壁側(cè)速度與列車車行方向相反，且由于列車動壁及隧道靜壁曳力的作用呈型分布。近壁側(cè)壓力呈正壓，遠(yuǎn)壁側(cè)壓力呈負(fù)壓。

（4）列車頭部擠壓作用相互疊加，隧道內(nèi)環(huán)隙流速增大。列車尾部渦流區(qū)疊加，使渦流影響減弱，車尾后部流場很快回歸穩(wěn)定。

[1] 周丹,賈麗榮,牛紀(jì)強.編組長度對高速列車表面交變壓力載荷的影響[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2018,15(1):1-7.

[2] 魏洋波,梁習(xí)鋒.線間距對交會壓力波的影響研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2017,14(12):2525-2531.

[3] 劉冬雪,蔣雅男,楊明智.加減速時地鐵列車隧道氣動性能研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2018,15(1):178-187.

[4] 梅元貴,孫建成,許建林,等.高速列車隧道交會壓力波特性[J].交通運輸工程學(xué)報,2015,15(5):34-43.

[5] 許建林,孫建成,梅元貴,等.高速列車隧道內(nèi)交會壓力波基本特性數(shù)值模擬研究[J].振動與沖擊,2016,35(3): 184-191.

[6] 徐偉,楊翊仁,張明祿,等.高速列車通過隧道時的氣動特性研究[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué),2014,35(S1):123-126.

[7] 王一偉,楊國偉,黃晨光,等.隧道長度對高速列車交會壓力波的影響研究[J].中國科學(xué):技術(shù)科學(xué),2012,42(1): 82-90.

[8] POPE C W. Transient pressures in tunnels-A formula for predicting the strength of the entry wave produced by trains with streamlined and unstreamlined nosed[J]. British railway board tech aero, 1976,12.

Simulation of the Flow Field of the High-speed Train Meeting in the Tunnel

Tian Dongdong Wang Wen

( Shaanxi Railway Institute, Weinan, 714000 )

Using the computational fluid dynamics software Fluent and the RNG-turbulence model, a two-dimensional dynamic grid model at the intersection of train tunnels was established, and the aerodynamic effects caused by the intersection of high-speed train tunnels were simulated with two-dimensional non-constant values to analyze the train During the intersection, the flow velocity and pressure distribution in the tunnel change. The research shows that: when the two vehicles meet, the pressure value in the middle of the two vehicles is the smallest, the pressure near the tunnel wall is greater, and the pressure on both sides is symmetrically distributed; the velocity of the intermediate flow field of the two vehicles fluctuates around 0 m/s, and an obvious annular flow is formed near the tunnel wall; the part close to the car body is in the same direction as the driving direction due to the towing force, and the part close to the wall surface is opposite to the driving direction, and takes up more space; at the initial meeting, the squeezing effect of the train head is superimposed, and the annulus flow velocity and pressure are greatly increased; when the two vehicles are separated, the tail vortex effect of the parking space is superimposed, and the effect of the tail vortex is weakened.

tunnel;train rendezvous;aerodynamics;numerical simulation

U459.1

A

1671-6612（2021）02-169-06

陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目（KY2017-032）

田棟棟（1987-），男，碩士研究生，講師，E-mail：745908351@qq.com

2020-06-30