高速列車隧道壓力波對周邊設(shè)施影響機(jī)理分析

唐國梅 吳永深 鞠靜靜 韓運(yùn)動

摘?要：本文利用計算流體動力學(xué)（CFD）方法，建立了列車通過隧道的三維計算模型，采用動網(wǎng)格的方法模擬列車通過隧道的過程，并將數(shù)值計算的結(jié)果與線路測試結(jié)果進(jìn)行了比對，壓力峰峰值誤差為2.3%，二者吻合較好。研究了列車在通過隧道過程中隧道壓力波對周邊設(shè)施的影響，包括隧道壓力波的形成和傳播機(jī)理分析，隧道壓力波對隧道壁面的影響分析、隧道壓力波對山體壁面的影響機(jī)理分析、隧道出口微氣壓波產(chǎn)生機(jī)理分析以及列車通過隧道的列車風(fēng)現(xiàn)象，研究結(jié)論為鐵路沿線隧道的工程設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：高速列車；壓力波；微氣壓波；列車風(fēng)；數(shù)值模擬

中圖分類號：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.04.085

0?前言

高速列車通過隧道是一種重要而典型的運(yùn)行工況。在列車通過隧道的過程中，隧道內(nèi)空氣的壓力會在極短的時間內(nèi)發(fā)生劇烈波動，形成壓力波動。壓力波動在隧道內(nèi)的傳播產(chǎn)生了隧道壓力波、洞口微氣壓力波等隧道空氣動力學(xué)現(xiàn)象。在這些壓力波以及隧道壁面的影響下，不僅會對列車的氣動性能產(chǎn)生影響，同時由于相互作用，也會對隧道壁面以及隧道進(jìn)、出口的山體等周邊建筑產(chǎn)生重要影響。

劉璐等采用實(shí)車測試的方法對列車隧道交會壓力波特性進(jìn)行了研究，得到交會壓力波的時頻特性、主要參數(shù)值及其與車速的關(guān)系、交會壓力波對車體側(cè)壁振動的激勵作用。王磊等對通過模擬單車過隧道工況對國內(nèi)數(shù)值仿真軟件進(jìn)行了對比驗(yàn)證研究。駱建軍等對三種洞內(nèi)緩沖結(jié)構(gòu)形式的長隧道洞內(nèi)外的氣動效應(yīng)進(jìn)行模擬分析。日本學(xué)者Ozawa、Yamamoto等分別對隧道微氣壓波現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究，并提出了減緩微氣壓波的工程措施，這可看作微氣壓波的早期研究。李志偉研究了橫通道截面積對微氣壓波的影響。研究表明：豎井截面形狀對微氣壓波并不產(chǎn)生顯著影響。增大豎井截面積有助于降低微氣壓波強(qiáng)度。張竹青分析了豎井?dāng)?shù)量對微氣壓波的影響。研究表明：對于大斷面豎井，增加豎井?dāng)?shù)量并不能進(jìn)一步降低微氣壓波。劉超分析了豎井高度對微氣壓波的影響。研究表明：微氣壓波強(qiáng)度隨豎井高度增加而增加，當(dāng)豎井高度超過某臨界值，微氣壓波強(qiáng)度不再變化。截面積有助于降低微氣壓波。趙宇分析了豎井形狀和位置對微氣壓波的影響。從以上國內(nèi)外關(guān)于隧道壓力波的調(diào)研分析可知，目前國內(nèi)外對于隧道壓力波的研究多注重對列車本身的影響分析，而對于隧道周邊設(shè)施的分析研究較少。

本文利用計算流體動力學(xué)（CFD）方法，研究列車在通過隧道過程中的隧道壓力波的相互影響，為鐵路沿線隧道的工程設(shè)計提供參考。

1?數(shù)值計算方法

1.1?計算模型搭建

列車計算外形如圖1所示。計算模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕幚?，采用頭車+中間車+尾車三節(jié)編組的計算模型，包含中間車體、風(fēng)擋、轉(zhuǎn)向架以及轉(zhuǎn)向架艙等重要結(jié)構(gòu)。

隧道及山體外形的計算模型如圖2所示。隧道長度為200m，隧道橫截面的形狀近似為半圓形，截面積S=70m2。在隧道的入口和出口之外，分別有如圖所示形狀的墻壁（山體）。圖3是整個計算流場的示意圖。

1.2?網(wǎng)格分區(qū)劃分

本文的流場計算采用了多塊混合網(wǎng)格分布。整個流場共分為兩部分，分別是包圍列車的近場網(wǎng)格以及隧道內(nèi)的空間網(wǎng)格（外場網(wǎng)格）。近場網(wǎng)格中，在列車的轉(zhuǎn)向架和轉(zhuǎn)向架艙附近采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余部分使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；外場網(wǎng)格則全部是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖4所示。全流場的計算網(wǎng)格約3000萬。圖5為隧道內(nèi)部的表面網(wǎng)格，圖6為頭車的表面網(wǎng)格，圖7為轉(zhuǎn)向架的表面網(wǎng)格。

1.3?邊界條件設(shè)置

數(shù)值計算中，將列車前方、后方及頂部等流場邊界設(shè)定為壓力遠(yuǎn)場邊界條件，列車表面設(shè)為移動壁面條件，壁面移動速度的大小和方向與列車行駛速度相同。隧道、隧道兩端壁面以及地面設(shè)為靜止壁面條件。流場流動的初始速度為列車行駛速度，初始壓力為101325Pa，溫度為300K。

1.4?測點(diǎn)布置說明

隧道壁面、隧道內(nèi)部空間以及隧道出口山體壓力測點(diǎn)布置示意圖分別如圖8～10所示。各測點(diǎn)的具體坐標(biāo)在此不再贅述。

2?數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1?隧道壓力波對隧道壁面的影響分析

圖11是列車以不同車速通過隧道過程中，高度z=1.75m沿x方向各個測點(diǎn)的最大壓力波強(qiáng)度。圖中x=0m表示隧道進(jìn)口，x=200m表示隧道的出口。由圖15可知，隧道承受的最大壓力波強(qiáng)度為33kPa/s，發(fā)生的位置位于距離隧道出口5m處。另外由不同車速下的計算結(jié)果比較可知，隨著車速的增加，壓力波的強(qiáng)度也會明顯增加，當(dāng)車速達(dá)到400km/h，壓力波強(qiáng)度最強(qiáng)的已經(jīng)超過了40kPa/s。

2.2?隧道壓力波對山體壁面的影響機(jī)理分析

高速列車在穿越隧道的過程中，壓力波會對隧道的進(jìn)口、出口以及隧道內(nèi)部壁面進(jìn)行沖擊，損壞隧道建筑的結(jié)構(gòu)。圖12為列車在隧道行駛過程中，位于隧道進(jìn)口中心正上方7.42m山體表面的一個測點(diǎn)處壓力隨時間變化，其中橫坐標(biāo)t=0表示為車頭進(jìn)入隧道進(jìn)口端的時刻，由車速和列車長度可以得到車尾進(jìn)入隧道進(jìn)口端的時刻為t=0.81s。從圖13可以看出，隧道進(jìn)口端壁面上的壓力會發(fā)生劇烈變化，其受到?jīng)_擊主要集中在從車頭進(jìn)入隧道到車尾進(jìn)入隧道的過程。

圖13為列車在隧道行駛過程中，位于隧道出口中心正上方7.42m山體表面的測點(diǎn)74處壓力隨時間變化。與隧道進(jìn)口端類似，出口端受到?jīng)_擊的過程主要集中在從列車車頭駛出隧道到列車車尾駛出隧道的時間內(nèi)。與進(jìn)口端相比，出口端的壓力波幅值更大，強(qiáng)度也更大。

圖14是隧道進(jìn)口端和出口端山體所受壓力波強(qiáng)度與到隧道中心距離的關(guān)系，可以看出在列車通過隧道時，隧道進(jìn)口和出口都會受到壓力波的極大沖擊，在距離出口中心距離7m左右處，壓力波的強(qiáng)度（即ΔP/Δt，本文將其定義為描述壓力波強(qiáng)弱的量）超過了35kPa/s另外，列車駛出隧道比進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓力波強(qiáng)度更大。

2.3?隧道出口微氣壓波產(chǎn)生機(jī)理分析

高速列車頭部駛?cè)胨淼浪查g，在車頭前會產(chǎn)生壓縮波。該壓縮波以當(dāng)?shù)芈曀傧蛩淼莱隹诙朔较騻鞑?，到達(dá)隧道出口端時，大部分向隧道內(nèi)反射變成膨脹波，另一小部分自隧道出口端向洞外輻射出去，形成脈沖波，即所謂的微氣壓波。如果出口端的微氣壓力波足夠強(qiáng)，會發(fā)出強(qiáng)烈的空氣爆炸聲，引起周圍房屋的門窗的振動，即所謂的聲爆現(xiàn)象。

從微氣壓波產(chǎn)生的過程來看，影響微氣壓波的主要有三個因素，即高速列車車頭駛進(jìn)隧道進(jìn)口端瞬間產(chǎn)生的初始壓縮波；初始壓縮波在隧道內(nèi)傳播過程中的變形；傳播到隧道出口端處的壓縮波的作用。

圖15?列車駛進(jìn)隧道時車頭前方壓縮波的形成過程（380km/h）

圖15給出了列車駛進(jìn)隧道時頭車壓縮波的形成過程。由圖20可知，在壓縮波形成的初始階段，在向前傳播的同時，壓縮波的幅值不斷增大，而壓縮波的作用時間變化不大，從波峰到波谷作用時間大約是0.11s，初始階段的壓縮波幅值約1400Pa，表明隧道進(jìn)口端的初始壓縮波是強(qiáng)度很高的壓力波。

一般來說，在隧道的出口端，壓縮波的波形和隧道進(jìn)口端初始壓縮波的波形是不同的，這是由于傳播過程受到了各種干擾。除了隧道壁面的摩擦效應(yīng)和壓縮波的非線性特性之外，隧道內(nèi)的避車洞、豎井、斜井等輔助坑道造成的干擾，甚至路基也會產(chǎn)生影響。本文沒有涉及后面這些因素，因此隧道長度就成為影響壓縮波波陣面的重要因素。

當(dāng)壓縮波傳播到隧道中點(diǎn)時，與初始壓縮波相比，壓縮波的幅值已經(jīng)有了明顯的增大。此時的壓力波在向隧道出口傳播的過程中會逐步衰減（幅值變?。ㄐ魏筒ǖ淖饔脮r間基本維持不變，將會對隧道出口的微氣壓波產(chǎn)生影響。

3?結(jié)論

本文利用計算流體動力學(xué)（CFD）方法，研究列車在通過隧道過程中的隧道壓力波的相互影響，可以獲得如下結(jié)論：

（1）車頭前方壓縮波和車尾膨脹波形成后，不斷在隧道內(nèi)傳播反射，影響著隧道壁面和列車表面壓力的變化。這一膨脹波的波陣面，形成過程與車頭壓縮波波陣面的形成過程類似，膨脹波沿環(huán)狀空間向車頭及隧道出口方向傳播，當(dāng)傳播到隧道出口處會產(chǎn)生新的壓縮波向洞內(nèi)反射，并向隧道進(jìn)口端方向傳播。該膨脹波和車頭處產(chǎn)生的壓縮波類似，會在隧道內(nèi)傳播并不斷反射，直至能量被完全消耗。

（2）在列車通過隧道時，隧道進(jìn)口和出口都會受到壓力波的極大沖擊，在距離出口中心距離7m左右處，壓力波的強(qiáng)度超過了35kPa/s另外，列車駛出隧道比進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓力波強(qiáng)度更大。

（3）微氣壓波的幅值與距離X成反比；與距離Z的關(guān)系，則是先增加，然后迅速減弱。在壓縮波形成的初始階段，在向前傳播的同時，壓縮波的幅值不斷增大，而壓縮波的作用時間變化不大，從波峰到波谷作用時間大約是0.11s，初始階段的壓縮波幅值約1400Pa，表明隧道進(jìn)口端的初始壓縮波是一個強(qiáng)度很高的壓力波。

（4）列車以380km/h通過隧道時，在距離列車側(cè)壁2.8米處列車風(fēng)的速度可達(dá)11級，對隧道內(nèi)的作業(yè)人員和設(shè)備構(gòu)成威脅。

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