列車通過隧道時流場的二維數(shù)值模擬分析

陳 榮，王國志，鄧 斌，劉桓龍

(西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 610031)

列車在隧道中運行時，由于列車壁面、隧道壁面和地面對空氣的阻礙，隧道內(nèi)空氣壓力劇烈波動，引起強烈的氣流變化［1］。如隧道內(nèi)壓力波動傳入車內(nèi)，會造成乘客耳鳴、耳膜疼痛等不適。列車在隧道中高速運行時，行車阻力增大，同時隧道內(nèi)接觸網(wǎng)系統(tǒng)受到影響。本文通過數(shù)值模擬的方法研究列車在不同的速度下在隧道中運行時流場的變化，對產(chǎn)生的活塞風［2-3］、隧道內(nèi)的壓力波動以及列車受到的空氣阻力進行分析。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立

列車通過隧道時引起的空氣流動是三維可壓縮非定常的紊流流動，由于隧道和列車都是長寬比很大的細長物體，一般將其簡化成一維流動，但這種方法不能反映同一截面上不同位置處速度和壓力的變化規(guī)律［4］。本文利用流體分析軟件Star-cd的動網(wǎng)格技術(shù)，基于非穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體質(zhì)量守恒方程，選取K-E/High雷諾數(shù)湍流模型，采用一階迎風離散格式，建立活塞風的二維黏性、不可壓縮、不等熵非定常的紊流模型［5］。

1.2 網(wǎng)格的劃分

由于隧道和列車實際幾何形狀比較復(fù)雜，為方便計算將其簡化，采用常用的YZ25G型列車作為計算模型?？紤]到計算成本，列車模型取5節(jié)編組，總長為126 m，高4.4 m，車頭為鈍形;隧道長900m，高7.2 m。模型計算區(qū)域劃分見圖1。圖1中區(qū)域1和區(qū)域2為包括遠場邊界在內(nèi)的大部分區(qū)域，區(qū)域3為靠近隧道壁區(qū)域，區(qū)域4隨列車一起滑動。區(qū)域5為列車周圍的較小區(qū)域，由于流場計算的復(fù)雜性，該區(qū)域網(wǎng)格必須細化。區(qū)域4中離列車較近的地方，網(wǎng)格需劃分得較密，其它離列車較遠的區(qū)域?qū)Y(jié)果影響不大，網(wǎng)格劃分得較稀。

圖1 列車過隧道計算域劃分示意(單位:m)

1.3 邊界條件的設(shè)定

采用Star-CD的動網(wǎng)格技術(shù)模擬列車通過隧道的流場［6］。圖1中區(qū)域1、區(qū)域2和隧道出入口采用pressure邊界，壓力為標準大氣壓。區(qū)域3和區(qū)域4之間采用attach邊界，模擬動網(wǎng)格的移動。列車上下采用wall邊界，速度取列車運行速度值。模型前面和后面采用 symmetry邊界，其它邊界采用缺省的 wall邊界。

1.4 動網(wǎng)格的建立

本文主要研究列車運動帶來的流場隨時間的變化，因此利用Star-CD建立動網(wǎng)格模型。圖1中區(qū)域4為列車運動區(qū)域，即動網(wǎng)格區(qū)，與靜止區(qū)域3之間通過attach邊界進行交接，通過區(qū)域4左端網(wǎng)格的添加、右端網(wǎng)格的刪減來實現(xiàn)列車的移動，具體的運動方式用用戶自定義函數(shù)定義。

2 計算結(jié)果分析

列車由距離隧道入口90m處出發(fā)，模擬列車進出隧道的全過程。在其他條件不變的情況下，只改變列車的運行速度，分析隧道內(nèi)活塞風和壓力場的變化情況，列車速度V分別取20，25和30m/s。

2.1 活塞風分布

在不同車速下，車頭、車尾到達隧道入口處時活塞風的速度分布見圖2。

由圖2可知:列車剛到隧道入口時，車頭處前方空氣擾動很大，隧道入口上方空間的大氣也受到擾動。進入隧道時，列車以很大的速度將空氣卷入隧道內(nèi)，列車尾部活塞風出現(xiàn)漩渦。由于受到山墻的阻擋，隧道入口處的上方空氣也出現(xiàn)了速度漩渦。在不同的運行速度下，列車通過隧道時產(chǎn)生的活塞效應(yīng)的變化規(guī)律是相同的。但隨著列車運行速度的增大，活塞風風速增大，引起的空氣擾動范圍增大。

圖2 車頭、車尾分別到達隧道入口處速度矢量圖(單位:m/s)

通過模擬計算列車整個運行過程，提取距隧道入口200m處(測量點)的活塞風風速，得到如圖3所示的曲線。由圖3可知，在V=20m/s的情況下，當t=4 s時，該處的空氣仍處于靜止狀態(tài)。當壓縮波傳播到該處時，平均流速逐漸增大。當t=14.5 s時(車頭通過測量點時)，流速突然減小。列車通過測量點的過程中，流速方向與列車運行方向相反，最小流速為-9.4 m/s。當t=20.8 s時(車尾通過測量點時)，流速急劇增大;之后恢復(fù)并超過車頭到達前的流速，最大值為11.9 m/s，這說明活塞風最大風速是在列車尾流中形成的。隨著列車繼續(xù)前進，氣流一方面在慣性作用下繼續(xù)流動，另一方面在摩擦力影響下逐漸減弱。

圖3 不同車速距隧道入口200m處活塞風風速變化曲線

從圖3還可以看出，不同車速下的活塞風在某點的變化趨勢是相同的。列車運行速度越大，活塞風風速越大，列車的運行速度對活塞風有著較大的影響。

2.2 壓力分布

在不同車速下，車頭、車尾到達隧道入口處時的壓力分布如圖4所示。

由圖4可知:列車剛到隧道入口時，前方空氣受到壓縮，車頭出現(xiàn)最大正壓。列車尾部空間形成負壓，且在車尾處，負壓最大。

提取列車進出隧道過程中車頭的最大壓強，變化規(guī)律如圖5所示。可以看出，在V=20m/s的情況下，當t=4.5 s時(車頭到達隧道入口)，產(chǎn)生壓縮波，壓力發(fā)生突變，t=5.0 s時達到最大值2 710 Pa，隨后車頭最大壓強又逐漸減小。當t=55.8 s時(車尾到達隧道出口)，車頭最大壓強漸漸恢復(fù)明線上的壓強值。比較圖中3條曲線可知，在明線上和隧道內(nèi)，列車運行速度越大，車頭最大壓強越大。

提取列車進出隧道過程中車尾的最小負壓，變化規(guī)律如圖6所示?？梢钥闯觯囄柴?cè)胨淼廊肟诘乃查g，車尾處產(chǎn)生膨脹波，出現(xiàn)壓強突降，而當整個車身在隧道內(nèi)運行時，車尾的最小壓強波動較小。車速越大，車尾最小負壓越小，列車運行速度對車尾最小壓強的影響顯著。

3 列車空氣阻力

列車空氣阻力由列車空氣摩擦阻力和列車空氣壓差阻力兩部分組成［7］。

式中，F(xiàn)x為列車空氣阻力，N;Fτx為列車空氣摩擦阻力，N;Fpx為列車空氣壓差阻力，N;τix為列車表面的黏性切應(yīng)力在x方向的分量，Pa;pbx為列車表面壓力在x方向的分量，Pa;SF為列車外表面積，m2。

由此可見，列車空氣阻力與列車外形有關(guān)。在不改變其它條件的情況下，將列車頭尾兩端形狀改為流線形［8］，流線形長度為7.6 m，如圖7所示，并重新建模分析。

圖4 車頭、車尾分別到達隧道入口處時壓強云圖(單位:Pa)

圖5 不同速度下車頭最大壓強曲線

圖6 不同速度下車尾最小負壓曲線

圖7 流線形列車(單位:m)

圖8 不同外形不同速度列車所受空氣阻力

表1 列車所受空氣阻力

分別提取鈍形和流線形列車所受的空氣阻力變化曲線進行比較，如圖8所示。對比可知，流線形列車所受空氣阻力的變化趨勢與鈍形相同。兩種列車所受空氣阻力的具體數(shù)值如表1所示。從表1可以看出，列車外形相同時，列車運行速度越大，所受的空氣阻力越大。隨著速度的增大，流線形列車的空氣阻力增大趨勢減弱，這也說明了高速列車采用流線形的優(yōu)勢。在速度相同時，流線形列車所受的空氣阻力約為鈍形列車的0.5～0.7。

4 結(jié)論

本文利用Star-CD軟件的動網(wǎng)格技術(shù)，模擬了列車通過隧道所產(chǎn)生的活塞風和壓力的變化，并對不同外形的列車所受空氣阻力進行了分析，結(jié)論如下:

1)列車通過隧道時的運行速度越大，產(chǎn)生的活塞風風速越大，相對壓力越大，列車所受的空氣阻力越大。在不同的運行速度下，產(chǎn)生的活塞效應(yīng)變化趨勢相同。

2)列車通過隧道內(nèi)某一測點時，活塞風風速會發(fā)生突降，并達到最小值?；钊L最大風速在列車尾流中形成。

3)車頭到達隧道入口時，最大壓力突增，并很快達到最大值，隨后逐漸減小;車尾到達隧道入口時，車尾最小壓力突降;車身在隧道內(nèi)時，車尾的最小壓力波動較小。

4)在速度相同時，流線形列車所受的空氣阻力約為鈍形列車的0.5～0.7，高速列車頭尾兩端宜采用流線形。

［1］梅元貴，周朝暉，許建林.高速鐵路隧道空氣動力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

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