鐵路隧道變截面空氣動力學(xué)效應(yīng)分析

程愛君，馬偉斌( 1．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　100081; 2高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京　100081)

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鐵路隧道變截面空氣動力學(xué)效應(yīng)分析

程愛君1，2，馬偉斌1，2
( 1．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 2高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京100081)

摘要:通過分析隧道內(nèi)瞬變壓力、洞口微氣壓波與隧道長度、列車速度的關(guān)系，結(jié)合相近長度隧道的現(xiàn)場實測結(jié)果，得出了動車組以300和350 km/h速度通過一長度800 m隧道時隧道內(nèi)瞬變壓力界限值與洞口微氣壓波。分析結(jié)果表明，該隧道內(nèi)變截面處斷面面積由100 m2減為93 m2后，瞬變壓力與微氣壓波能滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求。通過仿真計算進(jìn)一步驗證了分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞:高速鐵路隧道變截面氣動效應(yīng)仿真實測

1　工程概況

一時速350 km高速鐵路隧道全長800 m，為雙線隧道，隧道凈空面積為100 m2。在距隧道進(jìn)口400 m處增設(shè)長度為8 m的套襯，其兩端各設(shè)一段0～30 cm的漸變段，總長約10 m。施工完成后斷面面積由原來的100 m2減為93 m2。由于隧道凈空面積減小，需要對動車組通過變截面隧道的空氣動力效應(yīng)尤其是對隧道內(nèi)瞬變壓力及洞口微氣壓波的影響進(jìn)行分析。

隧道橫斷面如圖1所示。

圖1隧道斷面(單位: cm)

2　氣動效應(yīng)影響分析

2. 1洞口微氣壓波

根據(jù)中國鐵道科學(xué)研究院“高速鐵路氣動效應(yīng)試驗研究”的研究成果，長度3 km以下隧道洞外20 m處微氣壓波基本與車速的3～4次方成正比，如圖2( a)。結(jié)合理論分析，將不同長度隧道(斷面面積100 m2及阻塞比為0. 11)洞口微氣壓波測試值均轉(zhuǎn)化為空間立體角為3π/2后的數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)做歸一化處理，得出微氣壓波與隧道長度的關(guān)系，見圖2( b)。

圖2微氣壓波與行車速度、隧道長度的關(guān)系曲線

由圖2( b)可知:當(dāng)動車組分別以速度300，350和380 km/h通過時，洞口外20 m處微氣壓波＜50 Pa的隧道臨界長度分別為5. 5，1. 6和1. 0 km，長度800 m的隧道(無套襯)，洞口外20 m處微氣壓波分別為20. 30，34. 97和47. 51 Pa。

該隧道長度與銀嶺頭隧道(武廣高鐵，長977 m，無砟軌道)及李家灣隧道(鄭武高鐵，長822 m，無砟軌道)接近，隧道凈空斷面面積相同。動車組以速度310，350 km/h通過長度相近隧道時洞口微氣壓波測試值及換算為無緩沖結(jié)構(gòu)后洞口微氣壓波如表1所示。

根據(jù)洞外點微氣壓波壓力與到達(dá)隧道出口的壓縮波的關(guān)系可得距洞口r處的微氣壓波壓力Pr，max為

式中: ( dP /dt)EX，max為出口處壓力隨時間的變化率; S為隧道的有效面積;Ω為反映出口地形條件的空間立體角; C為標(biāo)準(zhǔn)聲速;ρ0為空氣標(biāo)準(zhǔn)密度; U為列車進(jìn)洞速度;τ為反應(yīng)壓力上升時間的參數(shù); d為隧道的水力直徑; R為阻塞比; M為馬赫數(shù)。

該隧道增設(shè)套襯后，按隧道全長范圍內(nèi)凈空面積均變?yōu)?3 m2的最不利情況考慮，由公式( 1)換算得到洞口微氣壓波，見表2。

表2隧道凈空斷面積變小后各隧道洞外20 m處微氣壓波換算值

綜上分析可知，該隧道內(nèi)加10 m套襯后，動車組以速度310，350，380 km/h通過時洞口微氣壓波小于標(biāo)準(zhǔn)值( 50 Pa，20 m處)。

2. 2瞬變壓力影響分析

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，不同隧道瞬變壓力臨界值(車內(nèi)壓力3 s變化極值達(dá)到1. 25 kPa對應(yīng)的瞬變壓力)與隧道長度關(guān)系包絡(luò)曲線如圖3所示。可知:隧道內(nèi)瞬變壓力臨界值隨隧道長度的增加而減小;對于CRH2動車組，當(dāng)隧道長度為0. 5，1. 0 km時瞬變壓力臨界值分別超過6. 80，5. 90 kPa。對于800 m長隧道(無套襯)，隧道內(nèi)瞬變壓力臨界值為6. 25 kPa。

圖3隧道內(nèi)瞬變壓力臨界值與隧道長度的關(guān)系包絡(luò)曲線

不同動車組速度下隧道內(nèi)瞬變壓力( 3 s變化極值)隨隧道長度變化曲線如圖4所示。

圖4不同速度下瞬變壓力隨隧道長度變化曲線

由圖4可知，動車組分別以250，300和350 km/h速度通過時，長度800 m的隧道內(nèi)瞬變壓力分別為2. 63，3. 77和5. 11 kPa，瞬變壓力均＜6. 25 kPa，能夠滿足要求。

已有研究表明，列車進(jìn)洞時產(chǎn)生的壓縮波波形P如下

根據(jù)式( 2)可知列車進(jìn)洞時產(chǎn)生的壓縮波最大值Pmax為

根據(jù)式( 3)計算出動車組通過時，截面凈空面積93 m2隧道內(nèi)瞬變壓力為截面凈空面積100 m2的1. 037倍，由此計算出動車組通過長度相近隧道時洞內(nèi)瞬變壓力值，見表3。

表3動車組通過時長度相近隧道瞬變壓力值

由表3可知，當(dāng)隧道凈空面積由100 m2減為93 m2后，動車以300，350 km/h通過本隧道時，瞬變壓力值分別為3. 91，5. 30 kPa，均低于隧道內(nèi)瞬變壓力臨界值( 6. 25 kPa)，滿足要求。

3　仿真分析

采用三維模型對CRH2動車組以不同速度通過時隧道內(nèi)瞬變壓力進(jìn)行計算。所建模型的隧道橫斷面面積均為100 m2，與現(xiàn)場所測隧道實際橫斷面面積相同。隧道氣動效應(yīng)仿真計算模型如圖5所示。圖6為車頭剛駛?cè)胨淼馈④囶^剛駛出隧道時隧道內(nèi)瞬變壓力云圖。

圖6隧道內(nèi)瞬變壓力云圖

通過CFX數(shù)值仿真計算，動車組從駛?cè)胨淼赖今偝鏊淼榔陂g壓力波在隧道內(nèi)傳播的整個過程如圖7所示。

圖7動車組駛?cè)腭偝鏊淼榔陂g壓力波在隧道內(nèi)的傳播過程(隧道內(nèi)監(jiān)測值)

動車組通過隧道時瞬變壓力實測值與計算值的對比如圖8所示。

圖8動車組通過隧道時瞬變壓力實測值與計算值對比

由圖8可看出，該隧道內(nèi)瞬變壓力計算最大值與實測值誤差在10%以內(nèi)，且計算波形與實測波形基本相同，表明模型計算結(jié)果合理，精度能滿足瞬變壓力計算精度要求。計算結(jié)果表明，距洞口400 m處10 m長隧道凈空面積由100 m2變?yōu)?3 m2后，動車組以300，350 km/h通過隧道時，瞬變壓力值分別由3. 28，4. 54變?yōu)?. 43，4. 68 kPa，均低于隧道內(nèi)瞬變壓力臨界值，滿足要求。

4　結(jié)論

依據(jù)相近長度隧道的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真計算，從隧道內(nèi)瞬變壓力和洞口微氣壓波兩個角度分析，該隧道內(nèi)400 m處存在10 m長的變截面區(qū)段時，隧道氣動效應(yīng)能滿足要求。

參考文獻(xiàn)

［1］中國鐵道科學(xué)研究院．京滬高速鐵路綜合試驗研究分報告之八——高速鐵路氣動效應(yīng)試驗研究［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2011．

［2］OZAWA S，MAEDA T，MATSUMURA T，et al．On the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels［C］/ /Haerter A．Proceeding of 7th Symp．Amsterdam: Elsevier Science Publishers Ltd．，1991: 253-256．

［3］OZAWA S，TANEMOTO K，MAEDA T．Model Experiments on Devices to Reduce Perssure Wave［R］．Japan: Railway Technical Research Institute，1976．

［4］SATORUO，TATSUOM．Tunnel Entrance Hoods for Reduction of Micro-pressure Wave［J］．Quarterly Report of Railway Technical Research Institute of Japanese National Railways，1988，29( 3) : 134-139．

［5］馬偉斌，張千里，劉艷青．中國高速鐵路隧道氣動效應(yīng)研究進(jìn)展［J］．交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2012，12( 4) : 25-32．

(責(zé)任審編李付軍)

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本刊編輯部

Analysis of aerodynamics effect in changeable cross-section tunnel

CHENG Aijun1，2，MA Weibin1，2
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:T hrough analyzing the relationship between the transient pressure inside tunnel，the tunnel entrance micropressure wave and the tunnel length，the train speed，the transient pressure limit value inside tunnel and entrance micro pressure wave was obtained by combining with the field test results of the tunnels with similar length when EM U passed through 800 m tunnel with running speed of 300 km /h and 350 km /h．T he results show that transient pressure and micro-pressure wave can meet the requirements of design standards when the variable section area inside tunnel was reduced from 100 m2to 93 m2．T he analysis results were verified by the simulation calculation．

Key words:High speed railway; T unnel; Variable section; Aerodynamic effect; Simulation; M easurement

文章編號:1003-1995( 2016) 01-0033-05

中圖分類號:TU375．4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．07

作者簡介:程愛君( 1974—)，男，副研究員，碩士。

收稿日期:2015-11-28;修回日期: 2015-12-10