400 km/h高速鐵路隧道洞口微氣壓波特征及其緩沖結構設計方法研究

胖 濤 楊偉超 王田天 羅祿森 何 洪

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.中南大學， 長沙 410083)

隧道洞口微氣壓波效應會對周邊環(huán)境產生不良影響，嚴重時會造成隧道洞口附近玻璃等脆性構筑物破壞。自1964年日本東海新干線開通以來，國外學者對隧道洞口微氣壓波開展了大量研究，小沢[1]等研究了壓縮波在隧道內板式無砟軌道傳播壓力變形的問題，建立了壓縮波從隧道入口傳播到出口產生微氣壓波之間的關系；Mashimo S[2]通過現(xiàn)場測試，對高速鐵路隧道洞口微氣壓波的形成機制進行了深入分析，并指出隧道進口段形成的初始壓縮波在出口端的輻射造成了洞口微氣壓波，且此微氣壓波的峰值與初始壓縮波的變化速率直接相關。隨著我國高速鐵路的發(fā)展，國內學者針對350 km/h及以下速度的高速鐵路隧道洞口緩沖結構進行了大量研究，宋軍浩[3]等采用動模型試驗對隧道壁面壓力波和出口微氣壓波展開研究，得到了車頭形狀和車速對微氣壓波的影響規(guī)律；吳劍[4]等以隧道內的試驗為根據(jù)，提出了考慮微氣壓波作用下的緩解率，并提出了對應的設計參數(shù)；Zhang[5]指出帽檐斜切式緩沖結構是減緩微氣壓波最有效的形式；黃兆國[6]研究了高速磁浮列車快速通過隧道時的氣動特性，得到了阻塞比與微氣壓波的關系；陶偉明[7]研究了不同形式緩沖結構對微氣壓波的減緩效果；舒信偉[8]等對5種不同頭型列車進行分析，得出增加流線型頭部長度是減小氣動阻力的有效途徑，并可減緩洞口微氣壓波效應。

目前，國內對于高速鐵路隧道洞口微氣壓波的研究主要是針對350 km/h及以下速度進行的，對400 km/h 速度條件下隧道洞口微氣壓波特征及其合理緩沖結構型式等問題的研究相對較少。本文對400 km/h 列車通過隧道時洞口的微氣壓波特征開展研究，并在此基礎上提出合理的緩沖結構型式及其設計參數(shù)，相關研究成果可為新建400 km/h高速鐵路或提速鐵路隧道洞口緩沖結構的設計提供依據(jù)。

1 研究方法

本文基于FLUENT軟件，采用三維可壓縮動模型特征線數(shù)值方法，建立了隧道-列車-空氣的氣動仿真計算模型，分析400 km/h速度下的隧道洞口微氣壓波變化特征。同時，依據(jù)軌道交通安全教育部重點實驗室的列車空氣動力學效應動模型實驗平臺，開展 400 km/h及以上速度下的高速鐵路隧道空氣動力學動模型實驗，采用模型試驗、現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬相結合的方法驗證數(shù)值計算結果的可靠性。

1.1 計算理論基礎

高速列車突入隧道時，列車周邊及隧道之間的流場為三維、粘性、可壓縮、非穩(wěn)態(tài)湍流流場。本文選用RNGκ-ε湍流模型。

湍流動能k方程為：

(1)

湍流耗散率ε方程為：

(2)

式中：υ——空氣運動粘度，υ=μ/ρ；

υl——層流運動粘度；

υt——湍流運動粘度；

C1、C2、σk、σε——經(jīng)驗常數(shù)，參考近幾年已發(fā)表的文獻，本文計算時取C1=1.47，C2=1.92，σε=1.0，σε=1.33。

1.2 隧道及列車模型

為準確分析隧道洞口的微氣壓波變化特征，隧道和列車均以我國現(xiàn)行高速鐵路的運行條件為基礎進行實體建模，隧道選取100 m2和110 m2兩種斷面，其中，100 m2隧道斷面嚴格按照現(xiàn)行350 km/h速度條件下雙線隧道標準斷面建模，110 m2隧道斷面則在標準隧道斷面的基礎上，采用同比例放大的方法得到。由于隧道洞口微氣壓波峰值主要與初始壓縮波的變化率有關，而初始壓縮波的變化率則主要受隧道斷面和列車車頭長度影響，與列車編組數(shù)量的相關性并不顯著。為提高計算效率，列車選取流線型較好的3節(jié)編組CRH380B型列車進行數(shù)值仿真，如圖1所示。

圖1 計算幾何模型圖

1.3 計算網(wǎng)格模型及邊界條件

模型采用結構化網(wǎng)格和非結構化網(wǎng)格進行劃分，隧道及兩端大氣部分采用結構化網(wǎng)格，緩沖結構區(qū)域采用非結構化網(wǎng)格。網(wǎng)格區(qū)域分為靜止網(wǎng)格區(qū)域和動網(wǎng)格區(qū)域，動網(wǎng)格區(qū)域包括列車及附近空氣部分，運用鋪層法實現(xiàn)列車與隧道之間的相對運動。

列車表面網(wǎng)格及動網(wǎng)格區(qū)域內部的網(wǎng)格均設置為Ragid，即這部分網(wǎng)格會整體向前移動，不會出現(xiàn)網(wǎng)格重建和網(wǎng)格尺寸變化的情況。動網(wǎng)格兩端設置成Stationary，保證動網(wǎng)格部分不會運動到邊界以外。動網(wǎng)格與靜網(wǎng)格部分通過Interface進行信息交換。兩端大氣設置成壓力出口邊界條件，地面、緩沖結構表面及隧道壁面為壁面。

1.4 數(shù)值仿真可靠性驗證

為驗證本文數(shù)值仿真結果的準確性，將計算結果與中南大學高速列車動模型試驗結果進行對比，洞口外20 m處的對比結果如表1所示。

表1 計算結果與試驗結果對比表

從表1可以看出，數(shù)值仿真結果的誤差率不超過4.5%，且多工況的計算結果與試驗結果均保持了很好的一致性，說明本文采用的數(shù)值仿真方法是正確的，模型的參數(shù)選取是合理的，仿真結果可靠。

2 400 km/h速度下洞口微氣壓波特征及其影響因素

以400 km/h速度的3節(jié)編組CHR380B列車在長 1 000 m、斷面面積為100 m2的高速鐵路隧道中運行為例，分析微氣壓波的變化特征。

2.1 洞口外微氣壓波峰值衰減規(guī)律

隧道出口外不同位置的微氣壓波變化時程曲線如圖2所示，該計算工況下微氣壓波峰值隨洞口外距離的衰減規(guī)律如圖3所示。

圖2 隧道洞口微氣壓波時程曲線圖

圖3 微氣壓波峰值隨洞口外距離的衰減規(guī)律圖

從圖2、圖3可以看出：

(1)高速鐵路隧道洞口微氣壓波隨洞內壓縮波的傳播而不斷變化，其中，壓縮波使微氣壓波出現(xiàn)正峰值，膨脹波使洞口微氣壓波出現(xiàn)負峰值，而最大峰值則是由車頭進入隧道進口時形成的初始壓縮波引起。

(2)洞口微氣壓波峰值隨距洞門出口距離的增大而迅速衰減，距出口10 m、20 m、30 m、40 m和50 m的微氣壓波峰值分別為230.6 Pa、135.4 Pa、93.4 Pa、68.8 Pa和56.5 Pa，微氣壓波峰值與距離的對應關系近似為y=1 808.8x-0.88。洞口微氣壓波不滿足規(guī)范距洞口20 m和50 m處的微氣壓波分別小于 50 Pa和20 Pa的要求。

2.2 車速對微氣壓波的影響

列車速度是影響洞口微氣壓波的主要因素，本文對不同速度條件下隧道洞口20 m處微氣壓波峰值的變化進行對比。350 km/h和400 km/h速度下洞口20 m 處微氣壓波時程曲線如圖4所示，車速與微氣壓波峰值之間的擬合曲線如圖5所示,350 km/h和400 km/h 速度下隧道洞口微氣壓波峰值如表2所示。

圖4 隧道洞口微氣壓波時程曲線圖

圖5 列車速度與微氣壓波峰值之間的關系圖

表2 隧道洞口微氣壓波峰值對比表

從圖4、圖5可以看出，受初始壓縮波的影響，350 km/h 和400 km/h速度下隧道洞口微氣壓波均表現(xiàn)出壓力突增、突降現(xiàn)象，且變化規(guī)律基本一致。當列車速度低于300 km/h時，隧道洞口20 m處的微氣壓波峰值均低于50 Pa，滿足規(guī)范要求。當列車速度為300 km/h 和350 km/h時，微氣壓波峰值分別達到52 Pa 和79 Pa，均超過規(guī)范值，車速與微氣壓波峰值之間呈現(xiàn)超3次方(y=3x3.3)的正比關系，即當列車速度由 350 km/h 提升至400 km/h時，洞口微氣壓波峰值會出現(xiàn)大幅增加，洞口20 m處的微氣壓波峰值將由超出規(guī)范值約30 Pa增加到85.4 Pa，即超標率由58%增大到171%。洞口50 m處微氣壓波峰值由超出規(guī)范值約17.7 Pa增加到36.5 Pa，即超標率由89%增大到183%。

2.3 隧道長度對微氣壓波的影響

除了列車速度，隧道長度對微氣壓波也有一定程度的影響， 350 km/h和400 km/h兩種速度條件下不同長度隧道洞口微氣壓波峰值對比如圖6所示。

圖6 不同隧道長度下隧道洞口微氣壓波峰值圖

從圖6可以看出：

(1)當列車速度為350 km/h時，隧道洞口微氣壓波峰值隨隧道長度的增大而減小，二者呈負線性相關關系，隧道洞口20 m處和50 m微氣壓波峰值與隧道長度的擬合方程分別近似為y=-0.012 1x+90.86和0.004 2x+37.79，這一規(guī)律與參考文獻[9]是一致。

(2)相反地，當列車速度為400 km/h時，隧道洞口微氣壓波峰值隨隧道長度的增大而增大，二者呈正線性相關關系，隧道洞口20 m處和50 m微氣壓波峰值與隧道長度的擬合方程分別近似為y=0.017 7x+115.09和0.007 9x+47.65。

發(fā)生上述現(xiàn)象的原因可能在于：當列車速度由 350 km/h 提高到400 km/h時，對應的Ma由0.285提高到0.327，而根據(jù)空氣動力學的基本分析理論，對于Ma>0.3的中亞音速流動，空氣壓縮熱將逐漸顯現(xiàn)，因此，針對400 km/h+速度條件下的隧道洞口微氣壓波有必要繼續(xù)進行深入研究。

3 400 km/h速度下洞口緩沖結構設計

已有研究表明，洞口微氣壓波峰值與初始壓縮波的變化梯度呈現(xiàn)5～8次方關系[10]，而消減初始壓縮波的方法包括改善車頭流線型(主要是提高長細比)、降低列車速度、增大隧道斷面和在洞口加設緩沖結構等，本文主要結合增大隧道斷面和增設緩沖結構兩種方法進行分析。

3.1 增大隧道斷面

列車以400 km/h速度通過100 m2和110 m2兩種隧道斷面的微氣壓波峰值對比如圖7所示。

圖7 100 m2和110 m2隧道斷面洞口微氣壓波時程曲線圖

從圖7可以看出，對于400 km/h的高速鐵路隧道，當隧道斷面由100 m2增大到110 m2時，洞口外20 m 處微氣壓波峰值將由135.4 Pa降低到120.1 Pa，即由規(guī)范允許值的271%降低到240%，降低效果有限。同時，隧道斷面面積增大必將引起線路建造成本及技術難度大幅的增加，因此，通過在洞口加設緩沖結構來降低微氣壓波峰值的方法更為適宜。

3.2 增設洞口緩沖結構

對于350 km/h的高速鐵路隧道，主要洞口緩沖結構型式主要有喇叭型、等截面擴大、明洞斜切和洞周開孔等。考慮到400 km/h速度下高速隧道洞口微氣壓波值遠超規(guī)范和350 km/h速度下的相應值，對各種緩沖結構及其組合方式的緩沖效果進行對比分析。以斷面面積100 m2、長度 1 000 m 的隧道為例，分析緩沖結構及其組合方式下洞口微氣壓波峰值的緩沖效果，結果如表3所示。

表3 不同洞口結構組合型式的緩沖效果對比表

從表3可以看出，對于400 km/h的高速鐵路隧道， 采用單一的緩沖結構無法將洞口微氣壓波峰值降低到規(guī)范允許值以下，采用等截面擴大+斜切+開孔的組合型緩沖結構則可取得較好的降壓效果。因此，建議400 km/h速度高速鐵路隧道洞口采用等截面擴大+斜切+開孔的組合型緩沖結構。

3.3 緩沖結構形式及其設計參數(shù)分析

鑒于隧道洞口微氣壓波峰值與隧道長度存在一定相關性，以等截面擴大+斜切+開孔的組合型緩沖結構為基礎，分析隧道長度400～6 000 m范圍內緩沖結構的設計參數(shù)，結果如表4所示。

表4 不同隧道長度條件下洞口緩沖設計參數(shù)建議值表

4 結論及建議

本文采用室內動模型試驗和數(shù)值計算相結合的方法，研究了400 km/h速度條件下高速鐵路隧道洞口的微氣壓波特征，并基于國內外主要緩沖結構型式，對400 km/h速度條件下高速鐵路隧道洞口的緩沖結構型式及其設計參數(shù)進行了量化分析，得到以下主要結論：

(1)隧道洞口微氣壓波峰值隨列車速度的增大而急速增加，二者呈現(xiàn)超3次方(y=3x3.3)的正比關系， 400 km/h速度下隧道洞口微氣壓波峰值為 350 km/h速度下的1.61～1.74倍，且均遠超規(guī)范要求。

(2)400 km/h速度下，洞口微氣壓波隨隧道長度的增加而線性增加；350 km/h速度下，洞口微氣壓波隨隧道長度的增加而線性降低。

(3)對于400 km/h的高速鐵路隧道，單純增大隧道斷面或加設單一緩沖結構均不能滿足現(xiàn)有規(guī)范要求，采用等截面擴大+斜切+開孔的組合型緩沖結構可將洞口微氣壓波降低到規(guī)范允許值以內。

(4)對于400 km/h的高速鐵路隧道，隧道洞口微氣壓波峰值與隧道長度存在一定的相關性，應根據(jù)隧道長度對緩沖結構設計參數(shù)進行針對性優(yōu)化分析。

本文主要是基于室內動模型試驗和數(shù)值仿真兩種研究方法進行的研究，最終實施效果應根據(jù)實測結果進一步驗證。此外，對于更高速度下隧道洞口的結構型式及其微氣壓波特征，有必要結合空氣動力學中等亞音速流的基礎分析理論進行深入研究。