重聯動車組通過隧道時氣動性能研究

李爽，楊明智

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重聯動車組通過隧道時氣動性能研究

李爽，楊明智

(中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075)

為研究重聯動車組通過隧道時重聯區域對列車氣動性能的影響，采用三維、可壓和非定常N-S方程的數值計算方法，對重聯動車組通過隧道時壓縮波與膨脹波的傳播特性，列車表面壓力和隧道壁面壓力變化特性進行研究。研究結果表明：數值計算與動模型試驗相比，壓力變化曲線吻合較好，幅值偏差不超過7%，重聯區域前段流線型頭部進入隧道，產生膨脹波，重聯區域后段流線型頭部進入隧道，產生壓縮波，由于重聯區域產生的膨脹波和壓縮波之間的時間間隔短，導致膨脹效應和壓縮效應相互抵消，車體表面和隧道壁面壓力變化不顯著，當重聯區域經過隧道壁面測點時，重聯區域車體表面壓力變化影響隧道壁面壓力變化，使隧道壁面測點壓力產生先升后降的波動。

重聯動車組；隧道；氣動性能；壓力變化

近年來，客流量劇增，重聯動車組能在不改變開行密度情況下增加運力，因此重聯動車組越來越被廣泛地運用。相比于普通動車組，重聯動車組長度更長，2節頭車相聯的方式也使得重聯動車組列車中部產生一個U型凹槽。由于U型凹槽的存在，將導致列車中部橫截面和縱截面的線型和面積顯著改變，也會導致重聯動車組周圍流場結構相比于非重聯動車組更加復雜，在此，本文研究重聯動車組通過隧道時，重聯區域(U型凹槽)對動車組氣動性能的影響。國內外學者通過數值模擬，動模型實驗，風洞實驗和實車實驗研究了動車組外形對動車組通過隧道時氣動性能的影響。HUANG等[1]在詳細研究圓形隧道斷面和通風式隧道洞門基礎上，提出一種實用的壓縮波快速數值預報方法。HUANG等[2]應用動態分層法對地鐵隧道列車引起的非定常氣動特性進行數值模擬，研究車表面壓力和氣流速度在隧道內發展情況。Mu?oz-Paniagua等[3]采用遺傳算法，從減小最大壓力梯度和氣動阻力最小的2個角度優化了高速列車進入隧道時的列車頭型。Rabani等[4]采用-RNG湍流模型對列車與隧道相互作用特性進行數值模擬，研究列車速度，通風井和隧道洞門對壓力波、阻力和側向力的影響，通風井和擴大式洞門能減少壓力梯度約28%。王瀟芹等[5]基于已研制的一維可壓縮非定常不等熵流動和廣義黎曼變量特征線數值計算程序，給出了CRH3高速列車單車通過隧道和2列車隧道交會過程中隧道內壓力波和車外壓力波的形成過程，分析同一編組上不同車廂內外壓力和壓差變化規律。基于上述討論，罕有學者研究重聯動車組通過隧道時的氣動性能。本文對比非重聯動車組和重聯動車組通過隧道時波的傳播規律，列車表面和隧道壁面壓力變化規律，分析重聯區域對列車氣動性能的影響。

1 數值模擬

1.1 計算模型

為縮小網格計算規模，本文計算模型采用6車編組高速列車，列車模型見圖1。為便于研究，6編組非重聯動車組和重聯動車組在長度上相同，動車組尺寸見圖2。為便于計算區域的定義和描述，取列車高度為特征高度。模型從頭車到尾車依次編號為頭車，中車1，中車2，中車3，中車4，尾車。數值計算采用1:1的模型比例，車長和車高分別為150 m(40.5)和3.7 m(1)。車速為300 km/h。線間距為5 m。隧道凈空面積70 m2，隧道長度為762 m。

(a) 非重聯動車組；(b) 重聯動車組

(a) 側視圖；(b) 正視圖

1.2 計算區域和邊界條件

為了真實模擬列車過隧道時車，地面和隧道的相對移動，選擇列車頭部距隧道入口50 m作為列車運行的起點。為保證流場的充分發展，減少壁面邊界條件對流場結構的影響，隧道前后計算域方向長度82，方向寬度32，方向高度16，計算區域和邊界條件見圖3。給定高速列車運動邊界條件，方向速度分量等于給定的列車速度，和方向速度分量等于0。流域兩側面、頂面和出口定義為壓力出口。流域入口定義為壓力入口。靠近隧道入口和隧道出口兩端面定義為wall。車表面和地面定義為wall。壓力入口和壓力出口的參考壓均為0 Pa。

圖3 邊界條件和計算區域的大小

1.3 計算網格

由于列車與隧道之間存在相對運動，為此，計算區域采用分區對接滑移網格技術，其中隧道和地面用六面體結構網格離散。由于車體及轉向架等幾何形狀較為復雜，車體表面采用三角形網格離散，列車周圍用四面體網格離散。為能夠準確捕捉列車突入隧道時在隧道內產生的壓力變化，列車頭部，尾部和重聯區域進行了加密處理。為體現物體的相對運動，在隧道壁面和列車周圍間設置用于交換數據的公共滑移面。頭車周圍網格見圖4，重聯區域周圍網格見圖5。

圖4 頭車周圍網格圖

圖5 重聯區域周圍網格圖

1.4 數值算法

列車以一定運行速度通過隧道，周圍流場具有強非定常性問題。列車進入隧道后，隧道內氣體受隧道壁面和車體的強烈擠壓，氣體的壓縮性需要被考慮。本文采用非定常、黏性、可壓縮N-S方程和Standard?雙方程湍流模型模擬列車過隧道過程。數值模擬采用ANSYS 6.3中的CFD模塊—Fluent。采用SIMPLE算法處理壓力和速度耦合方程。采用Quick格式處理對流項。采用二階中心格式處理擴散項。采用具有二階精度的隱格式計算時間項。每步迭代的物理時間是1×10?3s，每個時間步迭代50次。用Fluent中的UDF功能去監控和處理數據。

2 算法驗證

采用動模型試驗來驗證數值模擬的結果，以提高算法和計算結果的可信性。這次動模型試驗在中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室的動模型試驗臺進行。該試驗系統是基于列車、隧道和線路等制作成縮比模型，通過彈射系統使高速列車縮比模型在模擬線路上高速運行，真實再現列車通過隧道的空氣三維非定常流動現象。動模型試驗采用的模型尺寸為數值計算的1/16.8，隧道凈空面積為59 m2，列車模型采用3車編組，車速為300 km/h。在保證阻塞比一致的同時，高速列車與隧道壁面布點位置按比例與數值模擬計算完全一致。動模型試驗中，列車表面監控點距離頭車鼻尖點1.06 m，距離軌道頂面0.21 m；隧道壁面監控點距離隧道入口17.50 m，距離軌道頂面0.12 m。動模型試驗中的車型和隧道斷面見圖6。

數值模擬和動模型試驗的車體表面壓力和隧道壁面壓力變化曲線見圖7。兩者的波形圖波動規律一致，僅幅值大小和幅值出現時間存在差異，并且差異小于7%，因此，本文所采用的數值算法是準確的，結果是可信的。

(a) 隧道模型；(b) 高速列車模型

(a) 車體表面壓力；(b) 隧道壁面壓力

3 結果和討論

3.1 隧道內壓力波傳播規律

當動車組以300 km/h速度駛入隧道瞬間，氣流受隧道壁面限制被劇烈壓縮，壓力劇增形成壓縮波。尾車駛入隧道時，車尾處負壓低于大氣壓，膨脹波產生。隧道入口和隧道出口都屬于自由界面，根據波的傳播和反射機理，膨脹波在自由界面反射后變為壓縮波，壓縮波在自由界面反射后變為膨脹波。壓縮波和膨脹波在隧道內均以當地音速傳播，并在隧道洞口被反射回隧道內。當壓縮波或膨脹波在某時刻到達車體表面和隧道壁面測點位置時，將造成車體表面和隧道壁面的壓力上升或下降。

圖8所示為動車組頭車測點(P5)壓力變換過程與馬赫波傳播關系(測點距離頭車鼻尖點7.4 m，距離軌道頂面2.4 m)。測點壓力上升或下降的時間轉折點，用序號a1~a12表示。C表示壓縮波，E表示膨脹波。壓縮波和膨脹波按被隧道出入口反射時刻排序，用C1~C5，E1~E5表示。由于重聯區域兩流線型頭部相距較近，導致前段流線型頭部經過隧道入口產生的膨脹波與后段流線型頭部經過隧道入口產生的壓縮波在時間節點上相距很近，因此統一用字母M(直線)表示重聯區域產生的膨脹波和壓縮波。

(a) 馬赫波傳播圖；(b) 列車表面測點壓力變化歷程

當動車組頭車進入隧道瞬間，壓力劇增形成初始壓縮波(C1)。由于初始壓縮波(C1)影響，車體表面壓力在a1時刻開始上升。尾車進入隧道引起初始膨脹波(E2)，導致車體表面壓力在a3時刻下降。頭車引起的壓縮波經隧道出口反射形成膨脹波(E1)，膨脹波(E1)在a4時刻到達列車表面測點，壓力繼續下降。初始膨脹波經反隧道出口反射形成的壓縮波(C2)在a6時刻到達列車表面測點，壓力開始上升。初始壓縮波經隧道出入口2次反射，在a7時刻以壓縮波(C3)形式再次遇到列車表面測點，壓力繼續上升。初始壓縮波經過隧道出入口3次反射形成的膨脹波(E3)在a9時刻到達列車表面測點，壓力下降。a11時刻壓力繼續下降，主要是由于初始膨脹波經過隧道出入口2次反射形成的膨脹波(E4)到達車體表面測點引起的。初始膨脹波經過隧道出入口3次反射形成的壓縮波(C4)到達列車表面測點，使得壓力在a12時刻開始上升。直到動車組出隧道以后，車體表面壓力恢復到進入隧道之前 狀態。

由于重聯區域外形突變產生的車體表面壓力變化差異主要在b1，b2，b3和b4 4個區域。當重聯區域前段流線型頭部經過隧道入口產生的膨脹波(M1)在a2時刻到達測點時，車體表面壓力下降。當重聯區域后段流線型頭部經過隧道入口時，隧道內產生壓縮波(M2)，車體表面壓力又開始上升，使得重聯動車組車體表面壓力在b1區域有先下降后上升的波動。前段流線型頭部產生的膨脹波(M1)經隧道出口反射形成的壓縮波(M2)在時間上先于后段流線型產生的壓縮波(M1)經隧道出口反射形成的膨脹波(M2)到達車身表面測點，使得車體表面壓力在b2區域有先上升后下降的波動。膨脹波(M1)經隧道出入口2次反射形成的膨脹波(M3)在a8時刻到達測點時，車體表面壓力繼續下降。壓縮波(M1)經隧道出入口2次反射形成的壓縮波(M3)到達測點時，測點壓力上升。又由于初始壓縮波(C1)經3次反射形成的膨脹波(E3)與壓縮波(M3)幾乎在同一時間到達測點，并且壓縮波(M3)的波強度要小于膨脹波(E3)，所以車體表面壓力在b3區域一直下降。膨脹波(M1)經隧道出入口3次反射形成的壓縮波(M4)，在a10時刻到達測點，使得車體表面壓力上升。壓縮波(M1)經隧道出入口3次反射形成的膨脹波(M4)使得車體表面壓力下降，因此，車體表面壓力在b4區域有先上升后下降的波動。

圖9所示為隧道壁面測點壓力變換過程與馬赫波的傳播關系(測點距離隧道入口667.0 m，距離軌道頂面2.0 m)。測點壓力上升或下降的時間轉折點，用序號d1~d14表示。壓縮波和膨脹波表示方式與圖8相同。

(a) 馬赫波傳播圖；(b) 隧道壁面測點壓力變化歷程

動車組頭車進入隧道引起的壓縮波、動車組尾車進入隧道引起的膨脹波以及壓縮波與膨脹波在隧道出入口反射形成的膨脹波和壓縮波，到達隧道壁面測點位置時，將造成測點壓力上升或下降。由于壓縮波和膨脹波到達隧道壁面測點的時刻與到達車體表面測點的時刻不同，所以隧道壁面測點壓力上升或下降的時刻與車體表面測點不同。隧道壁面測點壓力在d1，d6，d7，d12和d13時刻上升，在d2，d5，d8和d11時刻下降。

由于重聯區域外形突變產生的隧道壁面測點壓力變化差異主要位于f1，f2和f3 3個區域。當重聯區域前段流線型頭部經過隧道入口產生膨脹波(M1)，在d3時刻到達測點，使得隧道壁面壓力下降。重聯區域后段流線型頭部經過隧道入口產生壓縮波(M1)使得隧道壁面壓力又開始上升，因此，隧道壁面壓力在f1區域首先產生一個先下降后上升的波動。膨脹波(M1)經隧道出口反射形成的壓縮波(M2)先于壓縮波經隧道出口反射形成的膨脹波(M2)到達車身表面測點，隧道壁面壓力在f1區域又產生一個先上升后下降的波動。因此，表示重聯動車組的隧道壁面壓力曲線在f1區域共產生2個壓力波動，第1個先下降后上升的波動，第2個先上升后下降的波動。在d9時刻，膨脹波(M1)經隧道出入口2次反射形成的膨脹波(M3)到達測點，使得隧道壁面壓力下降。壓縮波(M1)經隧道出入口2次反射形成的壓縮波(M3)到達測點時，測點壓力上升，因此，隧道壁面壓力在f2區域首先產生一個先下降后上升的波動。膨脹波(M1)經隧道出入口3次反射形成的壓縮波(M4)，在d10時刻到達測點，使得測點壓力上升。壓縮波(M1)經3次反射形成的膨脹波(M4)到達測點時，測點壓力下降。因此f2區域同f1區域一樣，表示重聯動車組的隧道壁面壓力曲線共產生2個壓力波動，第1個先下降后上升的波動，第2個先上升后下降的波動。

f3區域壓力變化差異并非由重聯區域產生的膨脹波或壓縮波導致的。重聯區域經過隧道壁面測點時動車組周圍流場壓力分布的側視圖見圖10。重聯區域和非重聯動車組對應區域周圍壓力分布的側視圖，俯視圖和斜視圖見圖11。從圖可知，當重聯區域到達隧道壁面測點時，重聯車鉤及其與司機室之間區域的正壓值較大。重聯區域車體表面壓力變化會對隧道壁面壓力變化產生影響，導致隧道壁面測點壓力有小幅上升。當重聯區域駛離隧道壁面測點位置后，重聯區域車體表面壓力變化不再對隧道壁面壓力變化產生影響，導致隧道壁面測點壓力下降。重聯區域經過隧道壁面測點時引起的壓力波動與重聯區域側面壓力曲線(見圖12)疊加在非重聯動車組相應位置的隧道壁面測點壓力曲線上，產生的波動相同。因此表示重聯動車組的隧道壁面壓力曲線在f3區域產生先上升后下降的波動。

(a)，(b)，(c) 非重聯動車組；(d)，(e)，(f) 重聯動車組

(a) 非重聯動車組；(b) 重聯動車組

圖12 明線運行時重聯區域z=2.0 m車體側截面的壓力分布

3.2 列車表面壓力變化

重聯區域測點布置見圖13。重聯區域測點壓力變化時間曲線見圖14。重聯動車組在隧道中運行時重聯區域流線見圖15。重聯動車組動車組通過隧道過程中，圖15中流線L3在T29測點位置偏折，由下降趨勢變為上升趨勢。流線L1也在T29測點位置偏折，由向內趨勢變為向外趨勢。因此繞流流過T29測點位置時，形成局部正壓區。從圖14可知，T29測點壓力曲線基本位于正壓區波動，其印證了T29測點區域形成局部正壓區的結論。T26和T31 2個測點壓力曲線都位于壓力值為0直線下方且波動規律一致，壓力幅值差異較小，T27，T28和T30測點壓力曲線在正負值之間波動，波動規律一致，幅值差異較大，說明除T29測點區域外，T26至T31測點之間區域的列車表面壓力在正負值區間波動。T26和T31測點區域的兩端，列車表面壓力在負值區間波動。

單位：cm

圖14 重聯區域測點壓力變化歷程

圖15 重聯區域流線圖

列車表面壓力分布見圖16，L代表車長，代表測點距頭車鼻尖點距離。重聯區域對max的影響主要集中在中車2和中車3，最大能使中車3max下降40%，對頭車和中車1的影響很小。重聯區域對min的影響主要集中在中車2，中車3，中車4和尾車。重聯區域min波動較為劇烈。重聯區域對Δ的影響主要集中在中車3和中車4，最大能使中車4的Δ降低4%。max，min和Δ沿車長方向(頭車至尾車)呈下降趨勢。

圖16 列車表面壓力分布圖

3.3 隧道壁面壓力變化

隧道壁面壓力分布見圖17，L代表隧道長度，代表測點距隧道入口距離。相比于非重聯動車組，重聯動車組通過隧道時導致隧道壁面壓力的max，min和Δ都要更小些。這主要是因為重聯區域進入隧道時產生了膨脹波和壓縮波，并且壓縮波和膨脹波經隧道出入口反射回隧道內，并在隧道內傳播。重聯區域對隧道入口段(0.1L?0.3L)和出口段(0.8L?1.0L)的max，min和Δ影響比較小，對隧道中部(0.4L?0.6L)的max和Δ影響比較大。

圖17 隧道壁面壓力分布圖

4 結論

1) 重聯區域前段流線型頭部進入隧道后，隧道內產生膨脹波，使車體表面和隧道壁面壓力下降。重聯區域后段流線型頭部進入隧道后，隧道內產生壓縮波，使車體表面和隧道壁面壓力上升。重聯區域產生的壓縮波和膨脹波在隧道內傳播，并在隧道洞口被反射回隧道內，增加了列車表面和隧道壁面的壓力波動。由于重聯產生的膨脹波和壓縮波之間的時間間隔小，導致膨脹效應和壓縮效應相互抵消，車體表面和隧道壁面的壓力變化不顯著。

2) 重聯動車組通過隧道全程，重聯區域后段流線型頭部的司機室與車鉤之間位置(T29測點位置)形成局部正壓區。重聯區域的2司機室頂端位置(T26和T31測點位置)之間，除局部正壓區以外的區域，壓力值在正負值之間波動。2司機室頂端位置的兩端，列車表面壓力在負值區間波動。重聯區域經過隧道壁面測點時，由于重聯區域車體表面壓力變化對隧道壁面壓力變化的影響，測點壓力產生小幅波動(先上升后下降)。

3) 重聯區域對頭車和中車1的max，min和Δ的影響較小，對中車3，中車4和尾車表面max，min和Δ影響比較大。最大能使中車3的max下降40%，最大能使中車4的Δ降低4%。max，min和Δ沿車長方向(頭車至尾車)呈下降趨勢。隧道壁面max，min和Δ受重聯區域影響而降低。重聯區域對隧道中部(0.4L?0.6L)的max和Δ影響比較大。重聯區域對隧道壁面測點壓力影響小于對車體表面測點壓力的影響。

[1] HUANG Y D, GAO W, Kim C N. A numerical study of the train-induced unsteady airflow in a metro tunnel with natural ventilation ducts using the dynamic layering method[J]. J Hydrodyn, 2010, 22(2): 164?172.

[2] HUANG Y, HONG T H, CHANG N K. A numerical simulation of train-induced unsteady airflow in a tunnel of Seoul metro[J]. J Mech Sci Technol, 2012, 26(3): 785?792.

[3] Mu?oz-Paniagua J, García J, Crespo A. Genetically aerodynamic optimization of the nose shape of a high-speed train entering a tunnel[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2014, 130: 48?61.

[4] Rabani M, Faghih A K. Numerical analysis of airflow around a passenger train entering the tunnel[J]. Tunn Undergr Space Technol, 2015, 45: 203?213.

[5] 王瀟芹, 梅元貴, 周朝暉. CRH3高速列車隧道壓力波特性淺析[J]. 蘭州交通大學學報, 2011, 30(1): 117?121. WANG Xiaoqin, MEI Yuangui, ZHOU Chaohui. Exploring study on tunnel pressure wave characteristics of CRH3 high-speed train[J]. Journal of Lanzhou Jiaotong University, 2011, 30(1): 117?121.

[6] Suzuki M. Unsteady aerodynamic force acting on high-speed trains in a tunnel [J]. QR of RTRI, 2014, 42(2): 89?93.

[7] 梅元貴, 張成玉, 許建林, 等. 高速列車隧道進口波基本特性數值研究[J]. 空氣動力學報, 2015, 33(5): 686? 695. MEI Yuangui, ZHANG Chengyu, XU Jianlin, et al. Numerical research on basic characteristics of tunnel entry waves induced by a high-speed train running into the tunnel[J]. Aata Aerodynamica Sinica, 2015, 33(5): 686?695.

[8] 駱建軍, 姬海東. 高速列車進入有緩沖結構隧道的壓力變化研究[J]. 鐵道學報, 2011, 33(9): 114?118. LUO Jianjun, JI Haidong. Study on changes of pressure waves induced by a high-speed train entering into a tunnel with hood[J]. Journal of the China Railway Society, 2011, 33(9): 114?118.

[9] 李志偉, 梁習峰, 張健. 豎井對隧道內瞬變壓力的影響[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2011, 42(8): 2514? 2519. LI Zhiwei, LIANG Xifeng, ZHANG Jian. Influence of shaft on alleviating transient pressure in tunnel[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2011, 42(8): 2514?2519.

[10] 張雷, 田紅旗, 楊明智, 等. 帽檐斜切式洞門斜率對隧道氣動性能的影響[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2013, 44(2): 817?822. ZHANG Lei, TIAN Hongqi, YANG Mingzhi, et al. Influence on tunnel aerodynamic effects by slope of hat oblique tunnel portal[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(2): 817? 822

[11] 牛紀強. 高速列車通過隧道時產生的列車風研究[J]. 鐵道科學與工程學報, 2015, 12(6): 1268?1276. NIU Jiqiang. Research on gusts caused by high-speed trains passing through tunnel[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2015, 12(6): 1268?1276.

Study on the aerodynamic performance of a couple multiple units high-speed train entering into a tunnel

LI Shuang, YANG Mingzhi

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to study how the coupling region affects aerodynamic performance of the couple multiple units trains when they go through a tunnel, based on unsteady N-S equation of three-dimensional and compressible viscous fluid, transient pressure propagation over time and the pressure on the vehicle body and tunnel were simulated. The results show that the calculated results agree with those of the experimental model. The switch of pressure curves attained by two methods are accorded completely, and amplitude merely presented difference is only about 7%. When the first streamline head on coupling region entering into a tunnel, the expansion wave occurred. When the second streamline head on coupling region entering into a tunnel, the compression wave occurred. Due to the short time interval between the expansion wave and the compression wave generated in coupling region, the effect of expansion and compression cancel out, and the pressure on the vehicle body surface and the tunnel wall surface is insignificant. When the coupling region passing through the monitor point of the tunnel wall, the pressure change on surface of the vehicle body surface effect the pressure change on tunnel wall, so the pressure of monitor point on tunnel wall lead fluctuation of first rising and last declining.

couple multiple units; tunnel; aerodynamic performance; pressure change

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.01.003

U271.91

A

1672 ? 7029(2019)01 ? 0016 ? 09

2017?12?29

國家重點研發計劃項目(2016YFB1200602-11，2016YFB1200602-12)

楊明智(1972?)，男，湖南望城人，副教授，從事空氣動力學研究；E?mail：yqyymz@126.com

(編輯 陽麗霞)