基于空氣動力學(xué)的城際鐵路線間距研究

李紅梅

（中國鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081）

基于空氣動力學(xué)的城際鐵路線間距研究

李紅梅

（中國鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081）

基于有限體積法，采用流體動力學(xué)計(jì)算軟件建立不同線間距條件下城際動車組明線交會和隧道內(nèi)交會的空氣動力學(xué)模型，運(yùn)用滑移網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值模擬了動車組交會時的三維非定常可壓縮外流場，分析線間距對動車組交會時空氣動力學(xué)效應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明:CRH2型動車組車體表面所受風(fēng)壓最大值、平均值比CRH6A型動車組分別小10.70%，18.60%；動車組以250 km/h及以下速度級交會車體所受風(fēng)壓最大值在線間距4.2，4.0 m情況下較線間距4.4 m情況下分別增加約10%，25%；線間距由4.4 m減少到4.0 m，或隧道斷面由72 m2減少到64 m2，動車組隧道內(nèi)交會時車體表面所受風(fēng)壓最大值和風(fēng)壓變化最大值增加幅度較小；動車組以200 km/h速度在隧道內(nèi)交會車體表面所受風(fēng)壓最大值比明線交會增加了約30%。

空氣動力學(xué)；線間距；明線交會；隧道內(nèi)交會

我國正開展大規(guī)模的城際鐵路建設(shè)。列車運(yùn)行速度較低時，線間距由交會列車相鄰側(cè)壁凈空間距是否滿足安全運(yùn)行限界控制，設(shè)計(jì)速度≥160 km/h時，線間距主要由列車交會運(yùn)行時的空氣動力作用控制［1］。根據(jù)國內(nèi)外鐵路線間距標(biāo)準(zhǔn)，交會列車相鄰側(cè)壁凈空間距最小為0.82 m，最大可達(dá)1.90 m［2］，變化范圍較大。線間距大，對車體強(qiáng)度等的設(shè)計(jì)要求降低，但土建投資較高；線間距小，會車壓力波大，對車輛強(qiáng)度提出了很高的要求，但可以節(jié)省土建工程投資。因此，考慮列車交會壓力波的影響對城際鐵路線間距進(jìn)行研究是必要的，能夠?yàn)槌请H鐵路相關(guān)規(guī)范的制訂提供參考。本文基于有限體積法，采用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）軟件FLUENT，建立了不同線間距條件下城際動車組明線交會和隧道內(nèi)交會的空氣動力學(xué)模型，運(yùn)用滑移網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值模擬動車組交會的三維外流場，研究線間距對動車組交會空氣動力學(xué)效應(yīng)的影響。

1　計(jì)算模型

FLUENT基于有限體積法。有限體積法將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個控制體積，將待解的微分方程對每一個控制體積積分，得出一組離散方程［3］。動車組高速通過隧道的計(jì)算過程屬于大區(qū)域變形，對于大區(qū)域變形運(yùn)動，采用CFD的滑移網(wǎng)格技術(shù)［4］。在動車組運(yùn)行的過程中，須根據(jù)動車組的運(yùn)動不斷地對網(wǎng)格作相應(yīng)調(diào)整。在每一個時間步，需要及時給CFD計(jì)算提供信息，使用滑移網(wǎng)格來適應(yīng)列車運(yùn)動的物面。計(jì)算域分為5部分：車體、車前部分、車后部分、隧道部分、隧道外延部分。

介質(zhì)選用可壓縮空氣，常態(tài)下密度為1.185 kg/m3，熱膨脹系數(shù)為0.003 356 m/K，比熱容為1.004 4×103J/（kg·K）。

1.1列車及隧道模型

城際列車主要以CRH6A和CRH2型動車組為主。CRH6A型動車組8輛編組，總長度、寬度、高度分別為200，3.3，3.89 m。CRH2型動車組8輛編組，總長度、寬度、高度分別為200，3.7，3.38 m。在不改變列車橫截面面積、車頭縱向長度的情況下，對車頭形狀、受電弓等進(jìn)行了簡化。

明線交會空氣動力學(xué)計(jì)算外域模型選取長1 000 m、高100 m、寬200 m的矩形空間。交會動車組縱向2車頭相距100 m，動車組距離計(jì)算域后端250 m，線間距分別為4.4，4.2，4.0 m。根據(jù)最不利隧道計(jì)算理論［5］，選取隧道模型長度為1 224 m。隧道雙側(cè)設(shè)置救援通道，寬1.0 m，高2.2 m。隧道內(nèi)輪廓均采用單洞雙線斷面，凈空有效面積分別為72，64 m2。雙線隧道線間距分別為4.0，4.2，4.4 m，進(jìn)口為普通結(jié)構(gòu)。隧道左右兩端空氣計(jì)算外域?yàn)?00 m，交會動車組在隧道進(jìn)出洞口左右對稱布置。

1.2計(jì)算網(wǎng)格

列車明線和隧道內(nèi)交會屬于非定常問題。為模擬列車與隧道、列車與列車之間的相對運(yùn)動，計(jì)算區(qū)域采用分區(qū)對接網(wǎng)格技術(shù)［6］，隧道和地面用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散。列車因具有三維自由曲面外形，用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散。各分區(qū)之間的數(shù)據(jù)交換通過公共滑移界面進(jìn)行。

1.3邊界條件

在動車組交會空氣動力學(xué)計(jì)算模型中需要指定的邊界條件包括：速度邊界、開放出口邊界、壁面邊界。邊界的設(shè)置如下：根據(jù)不同的列車速度設(shè)置不同的速度邊界；開放出口邊界選擇壓力出口邊界，出口和大氣相通；列車壁面、軌道壁面、隧道壁面等設(shè)置為固定壁面，無滑移，即流體和固體壁面沒有相對滑動，靠近壁面處的流體速度為0。

2　計(jì)算工況及計(jì)算結(jié)果分析

考慮明線交會和隧道內(nèi)交會，車型為CRH2和CRH6A，線間距為4.0，4.2，4.4 m，車速為120，160，200，250 km/h共23種工況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算工況見表1。

表1　計(jì)算工況

以車頭為起點(diǎn)，沿著車身表面交會側(cè)縱向布置78個風(fēng)壓監(jiān)測點(diǎn)，見圖1。

圖1　車體表面風(fēng)壓監(jiān)測點(diǎn)布置

1）不同車型計(jì)算結(jié)果對比

線間距4.2 m條件下，動車組以200 km/h明線交會時車體表面所受的壓力云圖見圖2，交會側(cè)車體表面所受風(fēng)壓最大值沿縱向分布見圖3。

由圖2、圖3可知，CRH2和CRH6A明線交會時左右兩側(cè)動車組車體表面所受的風(fēng)壓相同，因此分析任意一動車組即可。動車組明線交會時，由于車頭和車尾形狀的復(fù)雜性，車頭和車尾不同部位所受風(fēng)壓不同。車頭前端所受的風(fēng)壓最大；其次是車頭右側(cè)（交會側(cè)）裙擺部位；車尾風(fēng)壓最大值出現(xiàn)在車尾后端。車廂所受風(fēng)壓比較均勻，每節(jié)車廂所受風(fēng)壓最大值差別不大。

CRH2，CRH6A型動車組以200 km/h明線交會時，車體表面所受的風(fēng)壓對比見表2。可知，線間距4.2 m時，CRH2型動車組車體表面所受風(fēng)壓最大值比CRH6A型動車組小10.70%，車體表面所受風(fēng)壓平均值比CRH6A型動車組小18.60%。下面主要分析CRH6A型動車組所受風(fēng)壓。

圖2　明線交會時車體表面所受的壓力云圖

圖3　交會側(cè)車體表面所受風(fēng)壓最大值沿縱向分布

表2　2種動車組表面所受風(fēng)壓對比Pa

2）動車組明線交會計(jì)算結(jié)果分析

不同線間距不同速度，CRH6A型動車組明線交會時交會側(cè)車體表面風(fēng)壓最大值沿縱向分布見圖4。

圖4　CRH6A型動車組明線交會時交會側(cè)車體表面風(fēng)壓最大值沿縱向分布

由圖4可知，動車組明線交會時，隨著線間距的減小，車體表面所受的風(fēng)壓值略有增加。

不同車速和線間距條件下動車組明線交會時車體所受風(fēng)壓最大值對比見表3。

表3　動車組明線交會時車體所受風(fēng)壓最大值對比

由表3可知，隨著車速的增加，動車組明線交會時車體所受風(fēng)壓最大值受線間距的影響效應(yīng)略有增加，增加幅度很小。動車組以250 km/h及以下速度級交會時，車體所受風(fēng)壓最大值在線間距4.2，4.0 m情況下較線間距4.4 m分別增加約10%，25%。

2）動車組隧道內(nèi)交會計(jì)算結(jié)果分析

CRH6A型動車組隧道內(nèi)交會時，車體表面所受風(fēng)壓最大值和風(fēng)壓變化最大值分別見表4、表5。

表4　動車組隧道內(nèi)交會時車體表面所受風(fēng)壓最大值

表5　動車組隧道內(nèi)交會時車體表面所受風(fēng)壓變化最大值

由表4、表5可知，隧道凈空面積一定，線間距由4.4 m減少到4.0 m，動車組車體表面所受的風(fēng)壓最大值和風(fēng)壓變化最大值變化不大，變化幅度在1%以內(nèi)。線間距4.0 m隧道斷面由72 m2減少到64 m2，動車組車體表面所受的風(fēng)壓最大值增加幅度在5%以內(nèi)，風(fēng)壓變化最大值增加幅度在10%以內(nèi)。

3）動車組明線交會和隧道內(nèi)交會對比分析

不同線間距車速200 km/h動車組明線和隧道內(nèi)交會車體表面所受風(fēng)壓最大值對比見表6。可知，線間距4.0 m凈空面積64 m2隧道內(nèi)交會時車體表面所受風(fēng)壓最大值比明線交會增加了32.33%；線間距4.4，4.2，4.0 m凈空面積72 m2隧道內(nèi)交會時車體表面所受的風(fēng)壓最大值比明線交會分別增加了30.70%，29.20%，27.82%。

3　結(jié)論

1）動車組交會時，車頭前端所受的風(fēng)壓最大，其次是車頭右側(cè)（交會側(cè)）裙擺部位，車廂所受風(fēng)壓比較均勻，每節(jié)車廂所受風(fēng)壓最大值差別不大。

2）由于車頭和車體橫截面差異，CRH2型動車組車體表面所受風(fēng)壓最大值比CRH6A型動車組小10.70%，車體表面所受風(fēng)壓平均值比CRH6A型動車組小18.60%。

3）動車組以250 km/h及以下速度級交會時，車體所受風(fēng)壓最大值在線間距4.2，4.0 m情況下較線間距4.4 m情況下分別增加了約10%，25%。

4）線間距由4.4 m減少到4.0 m，動車組隧道內(nèi)交會時車體表面所受的風(fēng)壓最大值和風(fēng)壓變化最大值變化不大，變化幅度在1%以內(nèi)。線間距4.0 m隧道斷面由72 m減少到64 m2，動車組隧道內(nèi)交會時車體表面所受的風(fēng)壓最大值增加幅度在5%以內(nèi)，風(fēng)壓變化最大值增加幅度在10%以內(nèi)。

5）線間距4.0 m動車組以200 km/h速度在凈空面積64 m2隧道內(nèi)交會時車體表面所受風(fēng)壓最大值比明線交會增加了32.33%；線間距4.4，4.2，4.0 m動車組以200 km/h速度在凈空面積72 m2隧道內(nèi)交會時車體表面所受風(fēng)壓最大值比明線交會分別增加了30.70%，29.20%，27.82%。

［1］黃遠(yuǎn)清.珠三角城際軌道交通正線線間距研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2010，32（6）：23-26.

［2］邢納新譯.世界高速鐵路干線的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.國外機(jī)車車輛，2010，47（2）：1-5.

［3］傅德薰，馬延文.計(jì)算流體力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［4］楊順華，樂嘉陵，劉鑫，等.滑移網(wǎng)格技術(shù)及其在高速列車穿越隧道問題中的應(yīng)用［C］.第十二屆全國激波與激波管會議論文集.北京：中國力學(xué)學(xué)會，2006：348-353.

［5］中國鐵道科學(xué)研究院.京廣高速鐵路坪土隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)研究報告［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2013.

［6］毛枚良，鄧小剛，向大平.分區(qū)對接網(wǎng)格算法的應(yīng)用研究［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報，2002（2）：179-183.

（責(zé)任審編李付軍）

Research on Distance Between Tracks for Intercity Railway Based on Aerodynamics

LI Hongmei
（China Academy of Railway Sciences，Research&Development Center of Railway Sciences and Technologies，Beijing 100081，China）

T he aerodynamic models of the intercity EM U trains meeting in open air and in tunnel with different distance between tracks were established based on the finite volume method by using the fluid dynamics software. T he three dimensional unsteady compressible external flow fields of the EM U trains meeting were simulated by applying sliding mesh technology and the influence of distance between tracks on aerodynamic effect when the EM U trains meeting each other was analyzed.T he research results show that the wind pressure maximum value and average value of the CRH2EM U train surface respectively decreases by 10.70%and 18.60%compared with the value of CRH6AEM U train，wind pressure maximum value of EM U train surface with distance between tracks of 4.2 m and 4.0 m respectively increases by 10%and 25%compared with the value in condition of 4.4 m distance between tracks when EM U trains meeting each other at or below the speed of 250 km/h，wind pressure maximum value and its increase amplitude is small when EM U trains meeting each other with distance between tracks reducing from 4.4 m to 4.0 m and tunnel section reducing from 72 m2to 64 m2，and when EM U trains meeting in tunnel at speed of 200 km/h the wind pressure maximum value of EM U train surface increases by about 30%compared with the value when EM U trains meeting in open air.

Aerodynamics；Distance between tracks；T rains meeting in open air；T rains meeting in tunnel

U238；O35

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.27

1003-1995（2016）10-0101-04

2016-05-06；

2016-06-10

中國鐵路總公司研發(fā)中心課題（J2016T002，J2016T003）

李紅梅（1984—），女，助理研究員，博士。