時速350km/h高速列車隧道通過客室內流場研究

陳春俊，江傳東，劉 逸

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

時速350km/h高速列車隧道通過客室內流場研究

陳春俊，江傳東，劉 逸

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

采用三維非穩態不可壓縮雷諾時均N-S方程和可實現k-ε模型，在高速列車以350km/h通過不同長度隧道時，對客室內流場的影響進行數值計算。構建列車車廂與空調管路系統的整體模型，并將太陽輻射、乘客散熱對客室內流場的影響考慮在內。研究結果表明：當隧道超過一定長度時，新風口壓力波動峰峰值隨著隧道長度的增加呈明顯下降趨勢；客室內氣壓最大3s變化率、最大1s變化率以及峰峰值呈小幅下降趨勢，空調換氣系統中的壓頭風機能有效抑制外界壓力波動，使車內壓力變化很小；客室內溫度變化范圍在298～298.8K之間，滿足舒適性要求；新風口壓力的波動有可能導致客室內風速變化，變化幅值均小于0.5m/s，滿足舒適性要求。

高速列車；隧道長度；CFD；換氣系統；舒適性

0 引 言

截至2014年12月我國高速鐵路總營業里程超過1.5萬km，“四縱”干線基本成型，在建高鐵規模1.2萬km，我國成為世界上高速鐵路投產運行里程最長、在建規模最大的國家。我國幅員遼闊，山嶺眾多，在高速鐵路修建中必然會出現大量的隧道工程。當高速列車通過隧道時列車表面會產生劇烈變化的壓力波[1-4]。隧道內的瞬變壓力波將通過新風口沿空調通風系統傳入客室內部，引起客室內流場環境發生變化，產生列車司乘人員舒適性問題，因此有必要對列車高速通過隧道對客室內流場的影響進行深入研究。

列車客室內流場問題已引起國內外專家學者的廣泛關注。文獻[5]對時速200km/h的高速列車明線運行工況下的客室內壓力波動進行了研究，通過線路試驗，測試了在開關門、過分相以及緊急制動工況下，客室內氣壓變化率和客室內外壓差，通過分析測試數據指出了列車氣密性指數變化規律，以及引起耳鳴等不舒適現象的原因，并提出改進的措施。文獻[6]以某動車組二等硬座車為研究對象，采用標準k-ε湍流模型，考慮了車體壁面傳熱、太陽輻射以及乘客散熱的影響，對客室內的流場分布和傳熱狀況進行了數值模擬研究，并對計算結果進行了分析。文獻[7]以某高速列車開放式空調系統為研究對象，建立客室空調通風系統整體模型，對高速列車以時速300km/h下明線會車、隧道內會車工況進行了數值模擬，對客室內流場變化進行了分析。

以上研究主要針對明線運行或會車工況進行了相關研究，對高速列車隧道通過工況研究的相對較少；在利用數值計算方法研究時，以上文獻采用標準k-ε湍流模型，而對于計算存在彎曲壁面的管道系統，采用工程中計算管道內流動的可實現k-ε兩方程的湍流模型更適合；由于高速列車空調通風系統計算幾何模型的復雜性，劃分結構化網格較困難，對比結構化網格，非結構網格的適應性更好。

以某型CRH高速列車為研究對象，其換氣系統采用大壓頭風機連續換氣方式，利用CFD數值計算軟件Fluent對高速列車以350 km/h速度級夏季通過1744，2137，2600，4710m 4種不同長度隧道時，計算分析高速列車空調系統車外新風口壓力變化與客室內流場的變化關系，并對空調系統的工作性能以及客室的舒適性進行評價。

1 高速列車通過隧道的分析方法

1.1 物理模型和網格

以某CRH型高速列車一等硬座客室為研究對象，建立空調系統和客室整體模型。由于列車實際結構的復雜性，在進行數值計算時需要對列車結構作合理的簡化。空調系統包括列車底部兩臺空調機組、換氣裝置及通風系統（包括新風風道、送風風道、回風風道、廢排風道)構成（如圖1所示)；車廂全長24.5 m、寬3.38 m、高2.4 m，并將座椅、乘客、車廂兩端的乘務員室、通過臺、衛生間等（如圖2所示)考慮在內。一等車座椅采用2+2布置，座椅數為32。

圖1 空調系統模型

圖2 車廂模型

由于幾何模型的復雜性，網格劃分采用四面體非結構化網格。雖然這種網格的生成過程比較復雜，但非結構網格可以采用任意形狀的單元格，單元邊的數目也無限制，因此能夠很好地模擬自然幾何邊界，非常便于進行網格的自適應。尤其是結合有限體積法的非結構化網格實施，使得程序在通用性和擴展性方面明顯增強，對具有復雜邊界的流場計算問題特別有效[8-9]。經多次調試后模型網格數量約為760萬個。局部網格如圖3、圖4所示。

圖3 車廂模型網格

圖4 空調系統模型網格

1.2 數學模型

由于高速列車空調通風系統實際工作時的復雜性，為簡化問題，對計算模型做以下基本假設：

1)列車空調系統管道和客室內空氣流動為低速不可壓縮流動，符合Boussinesq假設；

2)假設車廂氣密性良好，車體無漏氣現象；

3)計算空調管道斷面的雷諾數，Re＞＞2300，同時客室內存在自然對流，空氣流動狀態為紊流；

4)不考慮壁面間的熱輻射，客室內空氣為輻射透明介質。

高速列車空調通風系統中存在彎曲壁面的管路，在計算中為提高精度，采用三維瞬態的雷諾時均N-S方程和工程中計算管道內流動的可實現k-ε兩方程湍流模型對列車通過隧道時客室內流場進行數值計算。客室內氣體的流動和傳熱可用質量守恒、動量守恒、能量守恒3個基本物理方程來控制。

1.3 邊界條件

入口邊界：由線路實車測試獲得空調系統新風口壓力數據。新風口作為計算入口邊界，將其設置為壓力入口邊界條件。列車通過隧道時新風口壓力是波動的，以函數形式給出壓力隨時間的變化關系作為壓力入口邊界條件，利用UDF編譯。新風入口溫度為夏季35℃。

出口邊界：將空調系統的廢排口設置為計算出口邊界，以廢排口處的車外壓力作為壓力邊界條件。

傳熱邊界：考慮太陽輻射的影響，列車運行時主要傳熱部位為車頂、兩側壁以及地板，列車以350km/h速度行駛時，設置車體綜合傳熱系數為1.96W/（m2·K)。

人體散熱邊界：客室內的主要熱源為乘坐人員的散熱，將乘客的散熱視為定熱流邊界條件，散熱量均勻分布在人體表面。

2 舒適度評價標準

影響乘坐舒適性的因素很多，如座椅結構、氣壓變化、溫度、濕度、噪聲、振動、照度以及客室內部裝飾環境等，它們對乘客的生理和心理均會產生影響，因此難以用單一標準來評價。列車高速運行時，由于不同國家高速列車發展水平不同，各國所制定的舒適性標準對客室內流場的要求也不同。

而我國現在還沒有針對高速空調列車乘坐舒適性的國家和行業標準。參考國內最新鐵路行業和公共交通工具衛生標準，對高速列車舒適性從壓力、溫度、風速進行綜合考慮。

根據 《鐵路隧道設計施工有關標準補充規定》（鐵建設[2007]88號)，對客室內壓力采用以下評判標準。

國內行業內部評價：車內3s氣壓變化率＜800Pa/（3 s)，車內1 s氣壓變化率＜200Pa/s。

根據GB 9673——1996《公共交通工具衛生標準》[10]規定了旅客列車客室溫度，夏季：24～28℃。客室內的微風速不超過0.5m/s。符合我國國情的舒適度標準的進一步完善和驗證尚需進行大量現場調查，復合型舒適度標準也有待研究[11]。

3 數值計算結果及分析

3.1 換氣風機特性曲線

對于所研究的某型CRH高速列車空調系統采用高靜壓風機換氣裝置，外界的壓力變化受風機產生壓頭的抑制。計算中采用的新風風機靜壓為3.7kPa，風機的特性曲線如圖5所示。進入空調系統的新風流量將隨車外壓力變化而發生變化。研究對象某型CRH高速列車以350 km/h運行，新風機高速運轉，頻率為60Hz。

圖5 風機特性曲線

3.2 通過隧道對客室內流場環境的影響

高速列車以350 km/h速度級分別通過隧道1（4710m)、隧道2（2600m)、隧道3（2137m)、隧道4（1744m)時，圖6為高速列車新風口的壓力波形圖，圖中標識為通過隧道3時新風口氣壓最大值和最小值，峰峰值計算公式為：Pmax-Pmin，可得通過隧道1～4時新風口壓力波動峰峰值分別為2 392.753 6，2 840.5454，3270.7296，3246.5650Pa。可得出結論：當隧道超過一定長度時，隨著隧道長度的增加，新風口壓力波動峰峰值呈下降趨勢。

圖6 新風口壓力變化波形圖

圖7 客室內壓力變化波形圖

圖7是高速列車以相同速度350km/h通過4條不同長度隧道時客室內壓力波形圖，可以看出當列車通過隧道時，車內壓力變化趨勢與新風口壓力變化趨勢基本相同。由于換氣系統風機作用，使客室內壓力變化減小。圖中標識為通過隧道3時客室內氣壓最大值和最小值，峰峰值計算公式為：Pmax-Pmin；3 s變化率計算方法：每3s內的氣壓最大值與最小值之差；1s變化率計算方法：每1s內的氣壓最大值與最小值之差。計算可得通過隧道1時峰峰值為138.6969Pa，最大3 s變化率為46.810 8Pa/（3 s)，最大1s變化率為28.3718Pa/s；通過隧道2時峰峰值為165.9149Pa，最大3s變化率為64.5688Pa/（3s)，最大1s變化率為28.4343Pa/s；通過隧道3時峰峰值為175.0299Pa，最大3s變化率為82.4891Pa/（3s)，最大1s變化率為47.3453Pa/s；通過隧道4時峰峰值為172.991 6Pa，最大3 s變化率為80.578 6（3 s)，最大1s變化率為38.1352Pa/s。可得出結論：當隧道超過一定長度時，隨隧道長度的增加，客室內氣壓最大3s變化率、最大1s變化率以及峰峰值呈小幅下降趨勢；對比遠小于國內行業內部評價標準，壓力舒適性達到滿意程度。

高速列車進入隧道時由于外界環境的突變，新風口的壓力產生復雜變化，從而導致進入客室新風量的變化，同時車內風速和溫度也會產生相應的變化。高速列車通過4條隧道時，車內溫度變化如圖8所示，可得客室內溫度變化在298～298.8K之間，溫差＜2℃，溫度范圍在24～26℃之間，滿足溫度舒適性標準。高速列車通過4條隧道時，客室內風速變化如圖9所示，風速均小于0.25m/s，其中通過隧道1時客室內風速變化幅度較大，但變化范圍滿足舒適性要求。

圖8 客室內溫度變化波形圖

圖9 客室內風速變化波形圖

4 結束語

通過對高速空調列車通過4條不同長度隧道過程中的客室內的流場情況進行了仿真計算，得出以下結論：

1)高速列車通過隧道時，客室內部氣壓變化與新風口壓力變化趨勢一致。

2)列車以車速350 km/h通過不同長度隧道時，當隧道超過一定長度時，新風口壓力波動峰峰值隨隧道長度增加而呈明顯下降趨勢；客室內壓力最大3s變化率、最大1s變化率以及峰峰值隨隧道長度增加呈小幅下降趨勢。

3)換氣系統大壓頭風機能夠有效抑制客室內的壓力波動，空調系統的加熱/制冷裝置使車內溫度在一定范圍內，不會引起客室內司乘人員的不適。

4)本研究內容是在線路實車試驗的基礎上進行仿真計算，新風口的壓力波動數據通過實測獲取，驗證了空調系統的工作性能。研究結果可以為高速列車空調系統的設計改進提供依據。

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圖7 試驗箱實時運行效果

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Study on air flow field of 350km/h high-speed train crossing through tunnels

CHEN Chunjun，JIANG Chuandong，LIU Yi
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The transient and incompressible 3D Navier-Stokes equation and realizable turbulent model were used for numerical calculation of the changes in air flow field as 350km/h high-speed trainspassed through different-length tunnels.An entire geometry modelwasbuiltforthe compartment and air-conditioning system of high-speed train in accordance with the effect of solar radiation and the heat caused by passengers upon the air flow field in the compartment.The results indicate that，when the tunnel exceeds a certain length，the peak to peak value of fresh air inlet pressure fluctuations show a clear downward trend as the tunnel is lengthened.The maximum change rate of the air pressure in the compartment in 3s and 1s and the peak to peak value were slightly reduced.The air fan of the ventilation system can inhibit the external pressure wave to reduce the pressure change in the compartment.The range of temperature in the compartment is from 298 K to 298.8 K，which is comfortable.The fluctuation in fresh air inlet may change the wind speed inside the compartment and the magnitudes of change are less than0.5m/s，meeting the requirement for comfort.

high-speed train；tunnel length；CFD；air-conditioning system；comfort

A

：1674-5124（2015）10-0085-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.019

2015-03-27；

：2015-05-08

國家自然科學基金項目（51475387)

陳春俊（1967-)，男，四川蒲江縣人，教授，博導，研究方向為測控技術、列車空氣動力學方向的研究。