時間離散格式對微氣壓波幅值精度比較

宋軍浩 柳寧 郭迪龍

摘? 要：隧道洞口微氣壓波隨著列車通過速度的提高對洞口周圍環(huán)境的影響惡劣。高速磁浮列車設(shè)計需要對隧道洞口的微氣壓波幅值進行估計。該文首先通過數(shù)值模擬和實驗驗證，比較了時間離散格式對車體表面壓力波動和微氣壓波幅值仿真精度的影響，結(jié)果表明，采用二階精度的離散格式能夠較為準(zhǔn)確地模擬洞口微氣壓波噪聲現(xiàn)象。最后評估了高速磁浮列車550km/h單車通過隧道的微氣壓波幅值，為工程設(shè)計提供有效指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：隧道? 微氣壓波? 動模型試驗? 高速磁浮列車

高速列車進入隧道入口時產(chǎn)生的壓縮波以當(dāng)?shù)芈曀賯鞑ブ了淼莱隹跁r向外輻射會產(chǎn)生微氣壓波，如圖1所示，對周圍的環(huán)境和居民會產(chǎn)生不利影響[1]。當(dāng)列車速度較低時，列車設(shè)計主要關(guān)注隧道內(nèi)壓力波疊加到列車車體，對車體結(jié)構(gòu)疲勞強度和車體氣密性的影響。隨著列車速度越來越高，特別是高速磁浮列車最高速度將達到600km/h，列車進入隧道產(chǎn)生的微氣壓波現(xiàn)象將更為明顯，隧道洞口微氣壓波幅值大小成為列車氣動設(shè)計中不可忽視的重要指標(biāo)，精確地預(yù)測微氣壓波幅值成為實際工程中急需解決的問題。

該文基于三維、非穩(wěn)態(tài)、可壓縮流體控制方程，結(jié)合k-e兩方程湍流模型，采用有限體積法，分別在一階和二階時間離散格式條件下，對列車通過隧道產(chǎn)生的壓力波和洞口微氣壓波進行了仿真分析，結(jié)合動模型試驗比較了兩種方法的仿真精度，最后評估了高速磁浮列車通過單線隧道的微氣壓波幅值，對工程設(shè)計有指導(dǎo)意義。

1? 洞口微氣壓波仿真評估方法

1.1 控制方程

基于有限體積法和滑移網(wǎng)格技術(shù)求解列車通過隧道流場需要考慮空氣的可壓縮性，求解理想氣體流場的Navier-Stokes方程為[2]：

其中，ρ為密度;t為時間;div（·）為散度算子;grad（·）為梯度算子;u為速度;在3個方向上的分量分別為u、v、w，p為壓力;e為內(nèi)能;k為熱傳導(dǎo)系數(shù);T為溫度;μ為動力黏性系數(shù)。湍流模型選擇工程上應(yīng)用廣泛的k-ε兩方程湍流模型。

1.2 幾何模型

列車模型采用CRH380A三編組車體1∶8縮比三維模型，長度約為10m，標(biāo)準(zhǔn)客運雙線隧道長度37.6m，計算域邊界條件如圖1所示，外場設(shè)置為壓力遠(yuǎn)程邊界條件，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬列車通過隧道整個過程，區(qū)域1和區(qū)域2設(shè)置交互面進行數(shù)據(jù)交換，列車運行速度300km/h。列車表面壓力波動監(jiān)測點P1為中間車中部，出口微氣壓波測點Pmw設(shè)置為距離隧道出口2.5m位置。

2 動模型試驗驗證

列車動模型試驗?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)列車與隧道的相對運動，是研究隧道壓力波的有效方法。試驗在中科院力學(xué)所動模型試驗平臺上進行[3]，試驗平臺原理及安裝隧道模型如圖3所示。利用壓縮空氣驅(qū)動的方式使模型運動速度達到300km/h，完成試驗測試，測點布置與仿真設(shè)置相同。

3? 結(jié)果比較分析

圖4給出了一階時間離散格式、二階時間離散格式及動模型試驗3種條件下列車通過隧道表面壓力波動和洞口微氣壓波幅值，可以看出列車表面壓力波仿真和試驗結(jié)果基本重合，最大負(fù)壓值在-2186～-2273Pa之間，相差4%，但不同離散精度下的洞口微氣壓波仿真幅值相差較大，與動模型試驗結(jié)果比較可以看出，二階精度下的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合分別為41.5Pa和40.6Pa，而一階精度仿真結(jié)果為28.2Pa，與試驗值相差31%。說明計算列車表面壓力波動時，一階迎風(fēng)格式離散可以獲得較高精度數(shù)值解，在工程上滿足應(yīng)用。而洞口微氣壓波由于本質(zhì)是低頻振動噪聲問題，具有明顯的聲學(xué)特性，對插值精度要求更高，需要采用二階迎風(fēng)格式才能保證仿真精度。

4? 高速磁浮微氣壓波幅值評估

利用上述驗證二階時間離散精度仿真方法評估了高速磁浮列車以550km/h通過400m長度單線隧道的列車表面壓力波動和洞口微氣壓波幅值，如圖5所示。可以看出，磁浮列車通過隧道列車表面壓力波動幅值和洞口微氣壓波幅值分別為-12763Pa和498Pa，和目前運行的動車組相比，微氣壓波幅值遠(yuǎn)大于安全范圍，需要對列車-隧道耦合設(shè)計來減緩隧道洞口微氣壓波值。

5? 結(jié)語

該文研究了時間離散精度對車體表面壓力和洞口微氣壓波幅值仿真精度的影響。與試驗結(jié)果相比較，一階迎風(fēng)格式離散可以保證列車通過隧道車體表面壓力波動的仿真精度。而當(dāng)計算洞口微氣壓波幅值大小時，通過試驗驗證，二階離散精度下的仿真方法可以較高精度獲得列車通過隧道過程中的洞口微氣壓波特性，適合以后列車-隧道氣動效應(yīng)工程設(shè)計采用方法。

參考文獻

[1] 劉金通，李人憲.高速列車進入隧道出口微氣壓波聲學(xué)特性計算分析[J].聲學(xué)與振動，2018，6（2）：62-69.

[2] 杜健，梁建英，田愛琴.高速列車受電弓氣動噪聲特性分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2015（5）：935-941.

[3] Yang QS，Song JH，Yang GW.A moving model rig with a scale ratio of 1/8 for high speed train aerodynamics[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2016，15（2）：50-58.