陳大偉，丁叁叁，宋軍浩，姚拴寶

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111)

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們的出行壓力越來越大，地鐵作為解決城市交通壓力的有效工具，具有大通勤量和高效率等特點(diǎn)，可以有效地解決城市地面交通阻塞問題，近年來得到了飛速發(fā)展。目前各大城市都建有或在建城市軌道交通系統(tǒng)，地鐵列車的最高運(yùn)行速度也從80 km/h逐漸提高到160 km/h，如廣州地鐵3號(hào)線、鄭州地鐵鄭許線最高運(yùn)行速度120 km/h；成都地鐵18號(hào)線最高運(yùn)行速度140 km/h；北京地鐵大興新機(jī)場(chǎng)線最高運(yùn)行速度160 km/h。

隨著運(yùn)行速度的提高，隧道內(nèi)空氣與列車間的相互作用產(chǎn)生的隧道壓力波問題變得越來越顯著。高強(qiáng)度的壓力波由車外傳至車內(nèi)引起司機(jī)和乘客耳膜出現(xiàn)不適癥狀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)人體健康造成影響。目前關(guān)于隧道壓力波的研究大多集中在高速動(dòng)車組方面[1-5]，地鐵列車速度較低時(shí)，隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)不明顯，對(duì)地鐵列車通過隧道產(chǎn)生壓力波的研究較少。梅元貴[6]對(duì)特長(zhǎng)隧道和中長(zhǎng)隧道兩種條件下的車外瞬變壓力和車內(nèi)壓力波動(dòng)特性進(jìn)行研究，歸納了隧道長(zhǎng)度、列車速度和氣密性指數(shù)對(duì)車內(nèi)壓力變化的影響特性。冉騰飛[7]采用三維非定常數(shù)值計(jì)算方法對(duì)地鐵列車由明線駛?cè)胨淼兰罢鹃g運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的最大車體表面峰峰值進(jìn)行了分析比較。徐世南[8]對(duì)地鐵車輛通過最不利長(zhǎng)度隧道時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，得到并分析了車體表面壓力峰峰值與列車速度和隧道凈空面積關(guān)系。駱建軍[9]對(duì)區(qū)間隧道段內(nèi)設(shè)置擴(kuò)大段+通風(fēng)豎井組合式緩解設(shè)施改變高速地鐵隧道內(nèi)瞬變壓力的作用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明合適的擴(kuò)大段位置和增大斷面積可以有效的緩解隧道內(nèi)的壓力和壓力梯度。楊偉超[10]對(duì)地鐵內(nèi)列車的運(yùn)行過程進(jìn)行了模擬，分析了中間風(fēng)井和區(qū)間隧道通風(fēng)對(duì)車體壓力的影響。

本文結(jié)合高速地鐵運(yùn)行隧道一般結(jié)構(gòu)，建立地鐵列車模型和隧道模型。采用數(shù)值仿真方法對(duì)列車通過隧道壓力波進(jìn)行了仿真分析，研究不同運(yùn)行速度、隧道斷面面積、編組形式、隧道長(zhǎng)度等對(duì)車外壓力波動(dòng)幅值影響規(guī)律。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

列車通過隧道時(shí)，隧道內(nèi)空氣受到列車和隧道壁面空間的限制而受到擠壓，須將空氣視為可壓縮的理想氣體。因此，計(jì)算采用三維、非定常、可壓縮的時(shí)均Navier-Stokes方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型。計(jì)算采用Fluent 14.0，壓力速度修正采用SIMPLEC算法，對(duì)流項(xiàng)采用高階精度的二階迎風(fēng)格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心格式離散。

1.2 計(jì)算模型

計(jì)算模型采用采用四輛編組B型地鐵列車，幾何模型做適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略轉(zhuǎn)向架的影響。列車編組圖如圖1所示，頭、尾車對(duì)稱分布，長(zhǎng)度均為20 m，中間車長(zhǎng)度19 m，橫截面投影面積為9.071 m2。車外壓力測(cè)點(diǎn)以四編組為例共16個(gè)，其中頭、尾車各5個(gè)，每節(jié)中間車3個(gè)。如果編組加長(zhǎng)，頭、尾車測(cè)點(diǎn)位置不變，中間車的測(cè)點(diǎn)數(shù)量依照每節(jié)車3個(gè)逐漸增加，測(cè)點(diǎn)位置位于車廂中間區(qū)域。

圖1 列車幾何模型及測(cè)點(diǎn)布置Fig. 1 Geometry model of the train and the measurement point layout

隧道模型斷面根據(jù)現(xiàn)有斷面情況，如圖2所示。凈空面積為26.63 m2，地鐵B 型車與隧道截面的阻塞比為0.341。

圖2 隧道模型斷面Fig. 2 Cross section of the tunnel model

1.3 計(jì)算域及邊界條件

為模擬列車通過隧道的相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程，采用滑移網(wǎng)格法進(jìn)行模擬。計(jì)算域如圖3，外場(chǎng)區(qū)域?yàn)榘雸A形遠(yuǎn)場(chǎng)，長(zhǎng)度為250 m，高度為50 m，寬度為100 m，隧道長(zhǎng)度與計(jì)算工況保持一致。

圖3 計(jì)算區(qū)域Fig. 3 Computational domain

采用ICEM CFD劃分計(jì)算區(qū)域的空間網(wǎng)格，列車模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行離散，頭部和風(fēng)擋區(qū)域單獨(dú)加密，外場(chǎng)區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，計(jì)算網(wǎng)格如圖4。

圖4 計(jì)算網(wǎng)格Fig. 4 Computational grid

邊界條件：外場(chǎng)均為壓力出口，出口壓力為101325 Pa，靠近隧道的兩側(cè)壁面均為固壁邊界，列車、隧道和地面也為固壁邊界。若無特殊說明，列車均從距離隧道入口100 m的位置勻速進(jìn)入隧道。

2 數(shù)值方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證列車隧道壓力波數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確度，利用中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的高速列車雙向動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試列車通過隧道時(shí)的壓力波試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相同工況的數(shù)值仿真計(jì)算。

考慮到目前缺乏地鐵列車的隧道壓力波試驗(yàn)結(jié)果，且不同類型列車、不同速度等級(jí)下的列車隧道壓力波計(jì)算方法是相同的。本文數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證采用的列車模型是CRH380A。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榭s比尺寸為1∶8的三輛編組CRH380A，列車運(yùn)行速度為310 km/h，隧道長(zhǎng)度為60 m，隧道凈空面積為1.56 m2。車體表面測(cè)點(diǎn)位于中間車長(zhǎng)度方向中心位置，圖5給出了車體表面壓力隨時(shí)間變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（紅線）和數(shù)值計(jì)算結(jié)果（黑線），可以看出：數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的壓力波曲線基本一致，動(dòng)模型試驗(yàn)的壓力波幅值為3 556 Pa，數(shù)值計(jì)算得到的壓力波變化幅值為3490 Pa，相對(duì)誤差為1.9%，表明本文采用的計(jì)算方法和網(wǎng)格離散方法能夠較為準(zhǔn)確的模擬列車通過隧道時(shí)的壓力變化。

圖5 列車車體表面測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化曲線Fig. 5 Time variation of the pressure at the measurement points of the train surface

3 計(jì)算結(jié)果及分析

以下主要對(duì)列車速度、阻塞比、隧道斷面形狀、列車編組形式、隧道長(zhǎng)度進(jìn)行分析。

3.1 列車速度

不同速度在最不利隧道長(zhǎng)度條件下隧道通過的車外壓力波動(dòng)曲線如圖6所示。不同速度下隧道壓縮波、膨脹波疊加至車身的變化使測(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)趨勢(shì)有所不同?？梢钥闯觯哼\(yùn)行速度越高，車外壓力波動(dòng)越顯著；對(duì)于頭車和中間車測(cè)點(diǎn)，列車進(jìn)入隧道后產(chǎn)生的第一個(gè)車外壓力波動(dòng)峰峰值最大，對(duì)于尾車測(cè)點(diǎn)，列車進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生的壓縮波對(duì)該區(qū)域的壓力波動(dòng)影響可以忽略，而尾車進(jìn)入后產(chǎn)生的膨脹波對(duì)該區(qū)域的壓力波動(dòng)影響較大，列車進(jìn)入隧道后產(chǎn)生的第二個(gè)壓力波動(dòng)峰峰值對(duì)尾車車外壓力波動(dòng)的影響最大。列車出隧道時(shí)產(chǎn)生的車外壓力波動(dòng)較弱，對(duì)列車影響很小。

圖6 列車表面測(cè)點(diǎn)在不同運(yùn)行速度條件下的壓力波動(dòng)曲線Fig. 6 Pressure fluctuation at the measurement points of the train surface for different running speeds

不同速度等級(jí)條件下的車外壓力波如圖7，隧道斷面為矩形斷面，凈空面積為26.63 m2，可以看出：列車運(yùn)行速度越高，車外壓力波動(dòng)峰峰值和最大值越大，最小值的絕對(duì)值越大；在各個(gè)速度等級(jí)條件下，越靠近頭車，車外壓力波動(dòng)越顯著；對(duì)于不同速度、不同位置的測(cè)點(diǎn)，壓力最小值的貢獻(xiàn)量都顯著大于壓力最大值的貢獻(xiàn)量，即負(fù)壓占主導(dǎo)位置；對(duì)于壓力峰峰值，列車運(yùn)行速度越高，壓力峰峰值對(duì)速度的變化越靈敏，對(duì)于測(cè)點(diǎn)H3和M1，車外壓力峰峰值與列車運(yùn)行速度的2.7次方成正比，對(duì)于測(cè)點(diǎn)M4，車外壓力峰峰值與列車運(yùn)行速度的2.6次方成正比，對(duì)于測(cè)點(diǎn)T1，車外壓力峰峰值與列車運(yùn)行速度的2.9次方成正比。

圖7 列車表面測(cè)點(diǎn)在不同運(yùn)行速度下的壓力波動(dòng)幅值Fig. 7 Pressure fluctuation amplitude at the measurement points of the train surface for different running speeds

3.2 阻塞比

阻塞比是指車體正向投影面積與隧道凈空面積的比值，定義為，和分別對(duì)應(yīng)列車橫斷面積和隧道橫斷面積，該參數(shù)是影響列車車外壓力波動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)之一。為分析阻塞比對(duì)隧道壓力波的影響，圖8給出了不同阻塞比條件下的測(cè)點(diǎn)M1處的車外壓力波動(dòng)，可以看出：不同速度條件下，車外壓力波動(dòng)隨阻塞比的變化趨勢(shì)基本一致。隨著阻塞比的增大，最大值、最小值和峰峰值均逐漸增大，且阻塞比越大，車外壓力波動(dòng)的增大幅度越顯著。從列車以120 km/h通過隧道壓力波數(shù)據(jù)可以看出：與阻塞比為0.2的車外壓力波動(dòng)相比，當(dāng)阻塞比增大為0.45時(shí)，車外壓力的最大值、最小值和峰峰值的絕對(duì)值分別增大91.4%、75.9%和81.3%。

圖8 不同阻塞比條件下的測(cè)點(diǎn)M1壓力波動(dòng)幅值Fig. 8 Pressure fluctuation amplitude at the measurement point M1 under different blockage ratios

3.3 隧道斷面形狀

圖9給出了最不利長(zhǎng)度條件下，運(yùn)行速度為120 km/h時(shí)，列車通過兩種斷面隧道的車外壓力波動(dòng)。從圖中可以看出：當(dāng)隧道斷面的凈空面積不變時(shí)，隧道斷面形狀的變化對(duì)列車車外壓力波動(dòng)峰峰值、最大值和最小值的影響都可以忽略。

圖9 不同隧道斷面形狀下的測(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)幅值（速度120 km/h）Fig. 9 Pressure fluctuation amplitude at the measurement points for different tunnel cross-section shapes (V = 120 km/h)

3.4 列車編組形式

地鐵車輛的編組形式多樣，對(duì)于同一種車型，不同的編組形式導(dǎo)致列車長(zhǎng)度發(fā)生明顯的變化。四編組、六編組和八編組三種編組形式以120 km/h速度通過最不利長(zhǎng)度隧道得到的車外壓力波動(dòng)如圖10?？梢钥闯觯侯^車區(qū)域測(cè)點(diǎn)的車外壓力最大值顯著大于尾車區(qū)域測(cè)點(diǎn)的最大值，而尾車區(qū)域測(cè)點(diǎn)的車外壓力最小值顯著小于頭車區(qū)域測(cè)點(diǎn)的最小值，從頭車到尾車，車外壓力峰峰值逐漸減小。對(duì)于不同的編組形式，車外壓力波動(dòng)的變化趨勢(shì)基本一致，編組越長(zhǎng)，車外壓力波動(dòng)越劇烈。對(duì)于測(cè)點(diǎn)M1，與四輛編組相比，八輛編組列車的車外壓力波動(dòng)峰峰值、最大值和最小值分別增大12.6%、32.3%和3.5%，可見，最大值的變化幅度最大，最小值的變化幅度最小。

圖10 不同編組形式下壓力波動(dòng)幅值沿列車長(zhǎng)度方向分布（速度120 km/h）Fig. 10 Pressure fluctuation amplitude distribution along the longitudinal direction of the train for different formation forms (V = 120 km/h)

3.5 隧道長(zhǎng)度

為了分析隧道長(zhǎng)度對(duì)隧道壓力波的影響，四編組列 車 以120 km/h通 過500 m、1000 m、2000 m和3000 m四種長(zhǎng)度的矩形斷面隧道測(cè)點(diǎn)M1處的車外壓力波動(dòng)如圖11所示?？梢钥闯觯核淼篱L(zhǎng)度為2 000 m時(shí)，車外壓力波動(dòng)的最大值、最小值和峰峰值均最為惡劣，從500 m到2 000 m變化時(shí)，車外壓力波動(dòng)的最大值、最小值和峰峰值的絕對(duì)值均逐漸增大。與隧道長(zhǎng)度為500 m時(shí)的車外壓力波動(dòng)相比，隧道長(zhǎng)度為2 000 m時(shí)，車外壓力波動(dòng)的最大值、最小值和峰峰值的絕對(duì)值分別增大2.1%、24.8%和17.6%。

圖11 M1測(cè)點(diǎn)在不同隧道長(zhǎng)度條件下壓力波動(dòng)幅值Fig. 11 Pressure fluctuation amplitude at the measurement point M1 for different tunnel lengths

3.6 入口緩沖結(jié)構(gòu)

隧道口安裝合理的緩沖結(jié)構(gòu)能夠減弱列車通過隧道時(shí)產(chǎn)生的車內(nèi)外壓力波動(dòng)，并且可以降低隧道出口區(qū)域的微氣壓波。緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參考城市地鐵隧道緩沖結(jié)構(gòu)型式，緩沖結(jié)構(gòu)為喇叭型，長(zhǎng)度為30 m，最大斷面面積為40 m2，并考慮了無開口和開口兩種型式，開口緩沖結(jié)構(gòu)是在無開口緩沖結(jié)構(gòu)的頂部設(shè)計(jì)了兩個(gè)壓力釋放孔，如圖12所示。

圖12 隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)Fig. 12 Hood structures at the tunnel opening ends

圖13給出了不同緩沖結(jié)構(gòu)條件下測(cè)點(diǎn)M1處的車外壓力波動(dòng)曲線，可以看出：各壓力波動(dòng)曲線的波動(dòng)形式基本一致，列車進(jìn)入隧道后產(chǎn)生的第一個(gè)壓力波動(dòng)峰峰值最為劇烈，安裝緩沖結(jié)構(gòu)之后，第一個(gè)壓力波形的最大值降低。

圖13 不同隧道緩沖結(jié)構(gòu)下M1測(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)曲線Fig. 13 Pressure fluctuation at the measurement point M1 for different tunnel hoods

表1給出了不同緩沖結(jié)構(gòu)類型對(duì)應(yīng)的車外壓力波動(dòng)值，可以看出：安裝緩沖結(jié)構(gòu)之后，列車進(jìn)入隧道時(shí)的壓力波的最大值降低，而壓力波的最小值變化不明顯。安裝緩沖結(jié)構(gòu)可減弱列車進(jìn)入隧道的第一個(gè)壓力波峰值，進(jìn)而有助于降低隧道微氣壓波。

表1 不同緩沖結(jié)構(gòu)類型對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)幅值Table 1 Pressure fluctuation amplitude at the measurement points for different tunnel hoods

4 結(jié) 論

本文針對(duì)高速地鐵列車通過隧道過程中車外壓力波動(dòng)，從運(yùn)行速度、阻塞比、隧道斷面形狀、列車編組形式、隧道長(zhǎng)度、緩沖結(jié)構(gòu)形式方面進(jìn)行了仿真分析研究，主要得到如下結(jié)論：

1）同一列車通過同一隧道，列車運(yùn)行速度越高，車外壓力波動(dòng)越劇烈，車外壓力波幅值約與速度2.6～2.9次方成正比。

2）隨著阻塞比的增大，車外壓力的最大值、最小值和峰峰值均逐漸增大，且阻塞比越大，車外壓力波動(dòng)的增大幅度越顯著。與阻塞比為0.2的車外壓力波動(dòng)相比，當(dāng)阻塞比增大為0.45時(shí)，車外壓力的最大值、最小值和峰峰值的絕對(duì)值分別增大91.4%、75.9%和81.3%。當(dāng)隧道斷面面積不變時(shí)，同一列車以同一速度通過隧道時(shí)，斷面形狀對(duì)車外壓力波的影響很小。

3）不同的編組形式，車外壓力波動(dòng)的變化趨勢(shì)基本一致，編組越長(zhǎng)，車外壓力波動(dòng)越劇烈。應(yīng)根據(jù)最為關(guān)心的列車位置確定最不利隧道長(zhǎng)度，對(duì)于列車不同位置的車外壓力波動(dòng)而言，最不利隧道長(zhǎng)度也不同，對(duì)于工程實(shí)際問題，需要具體問題具體分析。

4）安裝緩沖結(jié)構(gòu)之后，列車通過隧道時(shí)的壓力波的最大幅值降低，對(duì)壓力波的最小幅值變化不明顯。安裝緩沖結(jié)構(gòu)可減弱列車進(jìn)入隧道的第一個(gè)壓力波峰值，進(jìn)而有助于降低隧道微氣壓波。