崔景東

列車(chē)通過(guò)鐵路隧道時(shí)的數(shù)值模擬分析

崔景東

（無(wú)錫市軌道建設(shè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司 無(wú)錫 214000）

采用Gambit軟件建立隧道列車(chē)模型，并利用Flunet17.0軟件設(shè)置了相應(yīng)的活塞風(fēng)二維動(dòng)網(wǎng)格模型，模擬了列車(chē)在不同車(chē)速下經(jīng)過(guò)鐵路隧道時(shí)，隧道內(nèi)部速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：隨著列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道時(shí)速度的增大，所產(chǎn)生的活塞風(fēng)的風(fēng)速也就越大；當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度越大時(shí)，活塞風(fēng)的風(fēng)速突降的程度也就越大；列車(chē)頭部達(dá)到隧道入口時(shí)，車(chē)頭處壓力驟然增大，列車(chē)周?chē)鷼怏w壓力波動(dòng)劇烈；列車(chē)尾部到達(dá)隧道入口時(shí)，車(chē)尾處壓力突然降低，并出現(xiàn)負(fù)壓。

隧道；活塞風(fēng)效應(yīng)；數(shù)值模擬

0 引言

隨著我國(guó)鐵路隧道數(shù)量和長(zhǎng)度的增加以及列車(chē)行駛速度的提高，使得列車(chē)運(yùn)行所產(chǎn)生活塞風(fēng)的變化更加劇烈，隧道內(nèi)部流場(chǎng)更加復(fù)雜?；钊L(fēng)會(huì)引起鐵路隧道內(nèi)部風(fēng)速和風(fēng)壓突變，對(duì)隧道內(nèi)部固定設(shè)施以及日常維護(hù)人員的安全產(chǎn)生一定的影響。同時(shí)，活塞風(fēng)能夠促進(jìn)隧道空氣流動(dòng)，對(duì)調(diào)節(jié)隧道內(nèi)空氣品質(zhì)和溫度有一定的積極作用，也可以節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗。

目前，對(duì)活塞風(fēng)的研究主要包括以下幾個(gè)方面[1]，活塞風(fēng)理論解析計(jì)算的研究[2,3]、活塞風(fēng)影響因素的研究[4,5]以及活塞風(fēng)對(duì)區(qū)間隧道影響的研究[6,7]。關(guān)于活塞風(fēng)的研究在公路隧道、地鐵隧道等地下區(qū)間工程中研究較多，專門(mén)針對(duì)鐵路隧道列車(chē)活塞風(fēng)的研究較少。本文以英國(guó)Patchway隧道作為物理模型，用Gambit軟件建立其全尺寸模型，使用Fluent17.0軟件設(shè)置了相應(yīng)的活塞風(fēng)二維動(dòng)網(wǎng)格模型，以模擬隧道內(nèi)部速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化規(guī)律。

1 活塞風(fēng)的計(jì)算模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

當(dāng)列車(chē)在隧道中運(yùn)行時(shí)，會(huì)使得其內(nèi)部流場(chǎng)發(fā)生復(fù)雜的變化。為合理簡(jiǎn)化計(jì)算模型，做出如下假設(shè)：①將隧道內(nèi)低速風(fēng)流視為不可壓流動(dòng)；②隧道內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)為湍流；③假定隧道內(nèi)壁面絕熱，且流體具有同向性的紊流粘性，同時(shí)滿足Boussinesq假設(shè)；④將列車(chē)在隧道內(nèi)行駛時(shí)的狀況簡(jiǎn)化為勻速運(yùn)動(dòng)。假定列車(chē)在隧道運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)，所以本文的紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)-雙方程模型。故該流體的流動(dòng)應(yīng)該同時(shí)滿足以下方程。

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

方程

1.2 物理模型

由于實(shí)際的隧道和列車(chē)幾何形狀特別復(fù)雜，為方便二維模擬計(jì)算將其簡(jiǎn)化。結(jié)合本文的主要研究對(duì)象為列車(chē)在不同速度下經(jīng)過(guò)隧道時(shí)其內(nèi)部流場(chǎng)的變化特性，故將隧道跟列車(chē)模型均簡(jiǎn)化為矩形。考慮到計(jì)算成本，將隧道設(shè)為長(zhǎng)度為1140m，高度為6.5m，列車(chē)設(shè)為長(zhǎng)度為200m，高度為3.2m，列車(chē)距離隧道入口35m處。

1.3 網(wǎng)格劃分

本文模型的計(jì)算區(qū)域劃分見(jiàn)圖1。在圖1中區(qū)域1和區(qū)域3為包含了遠(yuǎn)場(chǎng)邊界在內(nèi)的隧道外的大部分計(jì)算區(qū)域，區(qū)域2為隧道周?chē)诿娴母浇鼌^(qū)域，區(qū)域4和區(qū)域7為隨列車(chē)運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，區(qū)域5為隧道底部的附近區(qū)域，區(qū)域6為列車(chē)周?chē)诿娴妮^小區(qū)域。根據(jù)各自區(qū)域的流場(chǎng)特性，分別進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分。區(qū)域6為列車(chē)周?chē)鷧^(qū)域，由于該區(qū)域流場(chǎng)的特性變化劇烈，因此該區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量多。區(qū)域4和區(qū)域7為隨列車(chē)前后運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，因此這兩部分的網(wǎng)格需劃分得密。對(duì)于區(qū)域2和區(qū)域5的隧道附近區(qū)域，本文采用標(biāo)準(zhǔn)-雙方程模型中默認(rèn)的壁面函數(shù)法，其靠近隧道壁面附近的粘性底層厚度不超過(guò)第一個(gè)網(wǎng)格寬度[8]。區(qū)域1和區(qū)域3兩部分為遠(yuǎn)場(chǎng)邊界，對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果影響不大，故網(wǎng)格劃分得稀疏。

圖1 模型計(jì)算域的劃分圖

1.4 邊界條件

如圖1所示，設(shè)定區(qū)域1（左側(cè)）采用壓力進(jìn)口邊界和區(qū)域2（右側(cè)）采用壓力出口邊界，區(qū)域4,6,7的邊界跟區(qū)域2,5邊界采用滑移網(wǎng)格交界面，以模擬列車(chē)運(yùn)動(dòng)的狀況。列車(chē)的四條邊設(shè)為wall邊界，并且其速度取列車(chē)運(yùn)動(dòng)的速度值。隧道上下兩條邊設(shè)為wall邊界，其表面當(dāng)量粗糙高度取5mm，壁面摩擦系數(shù)取0.02[8]，其余邊界采用默認(rèn)的wall邊界。

1.5 動(dòng)網(wǎng)格的設(shè)定

考慮到本文主要研究列車(chē)在隧道中運(yùn)行時(shí)所引起的其內(nèi)部流場(chǎng)隨時(shí)間的改變問(wèn)題，因此使用Fluent17.0軟件設(shè)立動(dòng)網(wǎng)格的模型。列車(chē)周?chē)鷧^(qū)域6和前后區(qū)域4,7為運(yùn)動(dòng)列車(chē)區(qū)域，與靜止區(qū)域2,5之間通過(guò)滑移網(wǎng)格交界面進(jìn)行連接。列車(chē)和其周?chē)鷧^(qū)域?yàn)閯傮w運(yùn)動(dòng)，其具體運(yùn)動(dòng)的方式通過(guò)UDF進(jìn)行編譯：將速度值賦給列車(chē)四周和區(qū)域6前后兩條邊。列車(chē)前后流場(chǎng)區(qū)域4,7的空氣隨列車(chē)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，故屬于變形運(yùn)動(dòng)。

1.6 求解方法

本文使用基于壓力的分離式求解器，速度設(shè)為絕對(duì)速度，選用標(biāo)準(zhǔn)的-雙方程的湍流模型，壓力和速度的耦合問(wèn)題采用 SIMPLE 算法。

2 模擬結(jié)果分析

本文分析列車(chē)以不同的速度在隧道內(nèi)行駛時(shí)，對(duì)隧道內(nèi)部速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布情況的影響。因此，模擬狀況設(shè)定為在不改變其他條件的狀況下，列車(chē)由距離隧道入口35m處出發(fā)，其速度分別以25，30和35m/s在隧道內(nèi)部運(yùn)行。

2.1 活塞風(fēng)風(fēng)速的分布

列車(chē)以不同的速度到達(dá)隧道入口時(shí)，其車(chē)頭和車(chē)尾產(chǎn)生的活塞風(fēng)的速度矢量分布如圖2所示。

從圖2中可以看出：（1）當(dāng)列車(chē)車(chē)頭到達(dá)隧道入口時(shí)，車(chē)頭前方的空氣由于受到擠壓，產(chǎn)生很大的擾動(dòng)。一部分空氣沿著隧道方向開(kāi)始向隧道出口流動(dòng)，另一部分空氣因隧道內(nèi)部氣流速度小于列車(chē)速度，單位時(shí)間內(nèi)從隧道入口進(jìn)入的空氣量小于列車(chē)單位時(shí)間進(jìn)入隧道所排開(kāi)的空氣量。因此，這部分空氣以與列車(chē)相反的方向從列車(chē)與隧道之間的環(huán)狀空間被排出。當(dāng)列車(chē)尾部到達(dá)隧道入口時(shí)，列車(chē)車(chē)尾所排開(kāi)的空間呈真空狀態(tài)，在其尾部渦流區(qū)的真空抽吸作用下，隧道進(jìn)口處的空氣又以與列車(chē)相同的方向沿隧道進(jìn)入洞內(nèi)。并且列車(chē)以較大速度進(jìn)入隧道內(nèi)部時(shí)，隧道入口上方的空氣因受到山體等障礙物的阻擋，也會(huì)產(chǎn)生一定的速度漩渦。（2）盡管列車(chē)以不同速度進(jìn)入隧道時(shí)，其車(chē)頭跟車(chē)尾所產(chǎn)生的活塞效應(yīng)的變化趨勢(shì)是相似的。

隨著列車(chē)的運(yùn)行速度增大時(shí)，車(chē)頭前方的空氣和隧道上方的空氣所受的干擾程度也越劇烈，所產(chǎn)生的活塞風(fēng)風(fēng)速也越大。

圖2 列車(chē)車(chē)頭、車(chē)尾分別到達(dá)隧道入口處時(shí)活塞風(fēng)速度矢量圖

圖3 不同車(chē)速過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)縱向活塞風(fēng)風(fēng)速變化時(shí)程曲線

在距離隧道入口150m處布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)模擬列車(chē)在不同速度下的運(yùn)行過(guò)程，得到列車(chē)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的縱向活塞風(fēng)速變化過(guò)程曲線，在圖3中所示。從圖中可以看出，當(dāng)列車(chē)以25m/s運(yùn)行時(shí)，在=0.4s時(shí)，測(cè)點(diǎn)處的空氣速度仍然為零，表明列車(chē)所產(chǎn)生的空氣擾動(dòng)還未轉(zhuǎn)播到測(cè)點(diǎn)。在=0.4～7.07s時(shí)間段內(nèi)，測(cè)點(diǎn)風(fēng)速為正向并以起伏的趨勢(shì)逐漸增大。當(dāng)=7.4s時(shí)（即列車(chē)頭部通過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)），測(cè)點(diǎn)風(fēng)速轉(zhuǎn)向并急劇減小到最小值-12.8m/s。在列車(chē)車(chē)身通過(guò)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間段內(nèi)，測(cè)點(diǎn)流速方向與列車(chē)行駛方向相反，測(cè)點(diǎn)流速值有所回升但變化過(guò)程較為起伏。當(dāng)=15.4s時(shí)（列車(chē)尾部通過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)），測(cè)點(diǎn)風(fēng)速再次轉(zhuǎn)向并迅速增大；測(cè)點(diǎn)風(fēng)速值為正向以起伏的方式逐漸增大之后在均值11.48m/s上下波動(dòng)。

從圖3中還可以得出列車(chē)雖然以不同的速度運(yùn)行時(shí)，但在測(cè)點(diǎn)處所監(jiān)測(cè)活塞風(fēng)的變化趨勢(shì)是相同的。隨著列車(chē)車(chē)速的提高，所產(chǎn)生的活塞風(fēng)風(fēng)速也就越大，因此列車(chē)的速度對(duì)活塞風(fēng)的影響有著較大的作用。

2.2 壓力的分布

列車(chē)以不同的速度到達(dá)隧道入口時(shí)，在其車(chē)頭和車(chē)尾所產(chǎn)生的壓力等值線如圖4所示。

圖4 列車(chē)車(chē)頭、車(chē)尾分別到達(dá)隧道入口處時(shí)壓力等值線圖

從圖4中可知：列車(chē)頭部以較快速度到達(dá)隧道入口時(shí)，由于列車(chē)周?chē)臻g迅速較小和隧道壁面的阻礙，致使列車(chē)前方空氣壓強(qiáng)突增，在隧道入口處形成了壓縮波，以聲速向隧道出口傳播[10]。列車(chē)與隧道壁面之間的環(huán)狀空間內(nèi)的空氣以及隧道上方的空氣也因列車(chē)突入，使其壓強(qiáng)也出現(xiàn)劇烈變化，不同位置處的等壓線值相差較大。當(dāng)列車(chē)尾部進(jìn)入隧道入口時(shí)，由于原來(lái)列車(chē)車(chē)體占據(jù)的空間因車(chē)尾突然進(jìn)入隧道被空了出來(lái)，導(dǎo)致隧道口與列車(chē)車(chē)體之間環(huán)狀空間的被擠壓的空氣得以釋放，造成此處的空氣壓力突然減低出現(xiàn)負(fù)壓。同時(shí)，在隧道出口處形成了膨脹波，它同時(shí)也以聲速超過(guò)列車(chē)向著隧道出口傳播。列車(chē)以不同的運(yùn)行速度進(jìn)入隧道入口時(shí)，其車(chē)頭與車(chē)尾所產(chǎn)生的壓力突變的狀況是類(lèi)似的。隨著隧道列車(chē)車(chē)速的提高時(shí)，車(chē)頭、車(chē)尾在隧道入口處所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)也越劇烈。

3 結(jié)論

本文通過(guò)使用Fluent17.0軟件中的動(dòng)網(wǎng)格模型，模擬了列車(chē)在不同車(chē)速下通過(guò)鐵路隧道時(shí)，隧道內(nèi)部所產(chǎn)生的活塞風(fēng)和壓力的變化，現(xiàn)得結(jié)論如下：

（1）列車(chē)以不同的速度經(jīng)過(guò)隧道時(shí)，在其內(nèi)部所產(chǎn)生的活塞風(fēng)效應(yīng)的變化規(guī)律是相似的。隨著列車(chē)運(yùn)行速度的增大，所產(chǎn)生的活塞風(fēng)的風(fēng)速也就越大。

（2）列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道內(nèi)部的某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，活塞風(fēng)的風(fēng)速會(huì)產(chǎn)生突降。當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度越大時(shí)，活塞風(fēng)的風(fēng)速突降的程度也就越大。

（3）列車(chē)頭部達(dá)到隧道入口時(shí)，車(chē)頭處壓力驟然增大，列車(chē)周?chē)鷼怏w壓力波動(dòng)劇烈；列車(chē)尾部到達(dá)隧道入口時(shí)，車(chē)尾處壓力突然降低，并出現(xiàn)負(fù)壓。隨著隧道列車(chē)車(chē)速的提高時(shí)，車(chē)頭、車(chē)尾在隧道入口處所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)也越劇烈。

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Numerical Simulation Analysis of Train Passing Through Railway Tunnel

Cui Jingdong

( Wuxi Rail Construction Design Consulting Co., Ltd, Wuxi, 214000 )

This paper uses Gambit software to establish a tunnel train model, and uses Flunet17.0 software to set up the corresponding piston wind two-dimensional dynamic grid model, which simulates the dynamic changes of the speed field and pressure field inside the tunnel when the train passes through the railway tunnel at different speeds. law. The research results show that as the speed of the train passing through the tunnel increases, the wind speed of the piston wind generated increases; when the speed of the train passing the monitoring point increases, the wind speed of the piston wind decreases sharply; When the head of the train reaches the tunnel entrance, the pressure at the head of the train suddenly increases, and the gas pressure around the train fluctuates violently; when the tail of the train reaches the tunnel entrance, the pressure at the rear of the train drops suddenly and negative pressure appears.

tunnel; piston wind effect; numerical simulation

1671-6612（2021）03-360-05

U459.1

A

崔景東（1993.2-），男，助理工程師，E-mail：1045263100@qq.com

2020-08-12