高速列車隧道壓力波對周邊設(shè)施影響機(jī)理分析

唐國梅 吳永深 鞠靜靜 韓運(yùn)動

摘?要：本文利用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）方法，建立了列車通過隧道的三維計(jì)算模型，采用動網(wǎng)格的方法模擬列車通過隧道的過程，并將數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與線路測試結(jié)果進(jìn)行了比對，壓力峰峰值誤差為2.3%，二者吻合較好。研究了列車在通過隧道過程中隧道壓力波對周邊設(shè)施的影響，包括隧道壓力波的形成和傳播機(jī)理分析，隧道壓力波對隧道壁面的影響分析、隧道壓力波對山體壁面的影響機(jī)理分析、隧道出口微氣壓波產(chǎn)生機(jī)理分析以及列車通過隧道的列車風(fēng)現(xiàn)象，研究結(jié)論為鐵路沿線隧道的工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：高速列車；壓力波；微氣壓波；列車風(fēng)；數(shù)值模擬

中圖分類號：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.04.085

0?前言

高速列車通過隧道是一種重要而典型的運(yùn)行工況。在列車通過隧道的過程中，隧道內(nèi)空氣的壓力會在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈波動，形成壓力波動。壓力波動在隧道內(nèi)的傳播產(chǎn)生了隧道壓力波、洞口微氣壓力波等隧道空氣動力學(xué)現(xiàn)象。在這些壓力波以及隧道壁面的影響下，不僅會對列車的氣動性能產(chǎn)生影響，同時(shí)由于相互作用，也會對隧道壁面以及隧道進(jìn)、出口的山體等周邊建筑產(chǎn)生重要影響。

劉璐等采用實(shí)車測試的方法對列車隧道交會壓力波特性進(jìn)行了研究，得到交會壓力波的時(shí)頻特性、主要參數(shù)值及其與車速的關(guān)系、交會壓力波對車體側(cè)壁振動的激勵作用。王磊等對通過模擬單車過隧道工況對國內(nèi)數(shù)值仿真軟件進(jìn)行了對比驗(yàn)證研究。駱建軍等對三種洞內(nèi)緩沖結(jié)構(gòu)形式的長隧道洞內(nèi)外的氣動效應(yīng)進(jìn)行模擬分析。日本學(xué)者Ozawa、Yamamoto等分別對隧道微氣壓波現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究，并提出了減緩微氣壓波的工程措施，這可看作微氣壓波的早期研究。李志偉研究了橫通道截面積對微氣壓波的影響。研究表明：豎井截面形狀對微氣壓波并不產(chǎn)生顯著影響。增大豎井截面積有助于降低微氣壓波強(qiáng)度。張竹青分析了豎井?dāng)?shù)量對微氣壓波的影響。研究表明：對于大斷面豎井，增加豎井?dāng)?shù)量并不能進(jìn)一步降低微氣壓波。劉超分析了豎井高度對微氣壓波的影響。研究表明：微氣壓波強(qiáng)度隨豎井高度增加而增加，當(dāng)豎井高度超過某臨界值，微氣壓波強(qiáng)度不再變化。截面積有助于降低微氣壓波。趙宇分析了豎井形狀和位置對微氣壓波的影響。從以上國內(nèi)外關(guān)于隧道壓力波的調(diào)研分析可知，目前國內(nèi)外對于隧道壓力波的研究多注重對列車本身的影響分析，而對于隧道周邊設(shè)施的分析研究較少。

本文利用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）方法，研究列車在通過隧道過程中的隧道壓力波的相互影響，為鐵路沿線隧道的工程設(shè)計(jì)提供參考。

1?數(shù)值計(jì)算方法

1.1?計(jì)算模型搭建

列車計(jì)算外形如圖1所示。計(jì)算模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕幚恚捎妙^車+中間車+尾車三節(jié)編組的計(jì)算模型，包含中間車體、風(fēng)擋、轉(zhuǎn)向架以及轉(zhuǎn)向架艙等重要結(jié)構(gòu)。

隧道及山體外形的計(jì)算模型如圖2所示。隧道長度為200m，隧道橫截面的形狀近似為半圓形，截面積S=70m2。在隧道的入口和出口之外，分別有如圖所示形狀的墻壁（山體）。圖3是整個(gè)計(jì)算流場的示意圖。

1.2?網(wǎng)格分區(qū)劃分

本文的流場計(jì)算采用了多塊混合網(wǎng)格分布。整個(gè)流場共分為兩部分，分別是包圍列車的近場網(wǎng)格以及隧道內(nèi)的空間網(wǎng)格（外場網(wǎng)格）。近場網(wǎng)格中，在列車的轉(zhuǎn)向架和轉(zhuǎn)向架艙附近采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余部分使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；外場網(wǎng)格則全部是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖4所示。全流場的計(jì)算網(wǎng)格約3000萬。圖5為隧道內(nèi)部的表面網(wǎng)格，圖6為頭車的表面網(wǎng)格，圖7為轉(zhuǎn)向架的表面網(wǎng)格。

1.3?邊界條件設(shè)置

數(shù)值計(jì)算中，將列車前方、后方及頂部等流場邊界設(shè)定為壓力遠(yuǎn)場邊界條件，列車表面設(shè)為移動壁面條件，壁面移動速度的大小和方向與列車行駛速度相同。隧道、隧道兩端壁面以及地面設(shè)為靜止壁面條件。流場流動的初始速度為列車行駛速度，初始壓力為101325Pa，溫度為300K。

1.4?測點(diǎn)布置說明

隧道壁面、隧道內(nèi)部空間以及隧道出口山體壓力測點(diǎn)布置示意圖分別如圖8～10所示。各測點(diǎn)的具體坐標(biāo)在此不再贅述。

2?數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1?隧道壓力波對隧道壁面的影響分析

圖11是列車以不同車速通過隧道過程中，高度z=1.75m沿x方向各個(gè)測點(diǎn)的最大壓力波強(qiáng)度。圖中x=0m表示隧道進(jìn)口，x=200m表示隧道的出口。由圖15可知，隧道承受的最大壓力波強(qiáng)度為33kPa/s，發(fā)生的位置位于距離隧道出口5m處。另外由不同車速下的計(jì)算結(jié)果比較可知，隨著車速的增加，壓力波的強(qiáng)度也會明顯增加，當(dāng)車速達(dá)到400km/h，壓力波強(qiáng)度最強(qiáng)的已經(jīng)超過了40kPa/s。

2.2?隧道壓力波對山體壁面的影響機(jī)理分析

高速列車在穿越隧道的過程中，壓力波會對隧道的進(jìn)口、出口以及隧道內(nèi)部壁面進(jìn)行沖擊，損壞隧道建筑的結(jié)構(gòu)。圖12為列車在隧道行駛過程中，位于隧道進(jìn)口中心正上方7.42m山體表面的一個(gè)測點(diǎn)處壓力隨時(shí)間變化，其中橫坐標(biāo)t=0表示為車頭進(jìn)入隧道進(jìn)口端的時(shí)刻，由車速和列車長度可以得到車尾進(jìn)入隧道進(jìn)口端的時(shí)刻為t=0.81s。從圖13可以看出，隧道進(jìn)口端壁面上的壓力會發(fā)生劇烈變化，其受到?jīng)_擊主要集中在從車頭進(jìn)入隧道到車尾進(jìn)入隧道的過程。

圖13為列車在隧道行駛過程中，位于隧道出口中心正上方7.42m山體表面的測點(diǎn)74處壓力隨時(shí)間變化。與隧道進(jìn)口端類似，出口端受到?jīng)_擊的過程主要集中在從列車車頭駛出隧道到列車車尾駛出隧道的時(shí)間內(nèi)。與進(jìn)口端相比，出口端的壓力波幅值更大，強(qiáng)度也更大。

圖14是隧道進(jìn)口端和出口端山體所受壓力波強(qiáng)度與到隧道中心距離的關(guān)系，可以看出在列車通過隧道時(shí)，隧道進(jìn)口和出口都會受到壓力波的極大沖擊，在距離出口中心距離7m左右處，壓力波的強(qiáng)度（即ΔP/Δt，本文將其定義為描述壓力波強(qiáng)弱的量）超過了35kPa/s另外，列車駛出隧道比進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓力波強(qiáng)度更大。

2.3?隧道出口微氣壓波產(chǎn)生機(jī)理分析

高速列車頭部駛?cè)胨淼浪查g，在車頭前會產(chǎn)生壓縮波。該壓縮波以當(dāng)?shù)芈曀傧蛩淼莱隹诙朔较騻鞑ィ竭_(dá)隧道出口端時(shí)，大部分向隧道內(nèi)反射變成膨脹波，另一小部分自隧道出口端向洞外輻射出去，形成脈沖波，即所謂的微氣壓波。如果出口端的微氣壓力波足夠強(qiáng)，會發(fā)出強(qiáng)烈的空氣爆炸聲，引起周圍房屋的門窗的振動，即所謂的聲爆現(xiàn)象。

從微氣壓波產(chǎn)生的過程來看，影響微氣壓波的主要有三個(gè)因素，即高速列車車頭駛進(jìn)隧道進(jìn)口端瞬間產(chǎn)生的初始壓縮波；初始壓縮波在隧道內(nèi)傳播過程中的變形；傳播到隧道出口端處的壓縮波的作用。

圖15?列車駛進(jìn)隧道時(shí)車頭前方壓縮波的形成過程（380km/h）

圖15給出了列車駛進(jìn)隧道時(shí)頭車壓縮波的形成過程。由圖20可知，在壓縮波形成的初始階段，在向前傳播的同時(shí)，壓縮波的幅值不斷增大，而壓縮波的作用時(shí)間變化不大，從波峰到波谷作用時(shí)間大約是0.11s，初始階段的壓縮波幅值約1400Pa，表明隧道進(jìn)口端的初始壓縮波是強(qiáng)度很高的壓力波。

一般來說，在隧道的出口端，壓縮波的波形和隧道進(jìn)口端初始壓縮波的波形是不同的，這是由于傳播過程受到了各種干擾。除了隧道壁面的摩擦效應(yīng)和壓縮波的非線性特性之外，隧道內(nèi)的避車洞、豎井、斜井等輔助坑道造成的干擾，甚至路基也會產(chǎn)生影響。本文沒有涉及后面這些因素，因此隧道長度就成為影響壓縮波波陣面的重要因素。

當(dāng)壓縮波傳播到隧道中點(diǎn)時(shí)，與初始壓縮波相比，壓縮波的幅值已經(jīng)有了明顯的增大。此時(shí)的壓力波在向隧道出口傳播的過程中會逐步衰減（幅值變小），但波形和波的作用時(shí)間基本維持不變，將會對隧道出口的微氣壓波產(chǎn)生影響。

3?結(jié)論

本文利用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）方法，研究列車在通過隧道過程中的隧道壓力波的相互影響，可以獲得如下結(jié)論：

（1）車頭前方壓縮波和車尾膨脹波形成后，不斷在隧道內(nèi)傳播反射，影響著隧道壁面和列車表面壓力的變化。這一膨脹波的波陣面，形成過程與車頭壓縮波波陣面的形成過程類似，膨脹波沿環(huán)狀空間向車頭及隧道出口方向傳播，當(dāng)傳播到隧道出口處會產(chǎn)生新的壓縮波向洞內(nèi)反射，并向隧道進(jìn)口端方向傳播。該膨脹波和車頭處產(chǎn)生的壓縮波類似，會在隧道內(nèi)傳播并不斷反射，直至能量被完全消耗。

（2）在列車通過隧道時(shí)，隧道進(jìn)口和出口都會受到壓力波的極大沖擊，在距離出口中心距離7m左右處，壓力波的強(qiáng)度超過了35kPa/s另外，列車駛出隧道比進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓力波強(qiáng)度更大。

（3）微氣壓波的幅值與距離X成反比；與距離Z的關(guān)系，則是先增加，然后迅速減弱。在壓縮波形成的初始階段，在向前傳播的同時(shí)，壓縮波的幅值不斷增大，而壓縮波的作用時(shí)間變化不大，從波峰到波谷作用時(shí)間大約是0.11s，初始階段的壓縮波幅值約1400Pa，表明隧道進(jìn)口端的初始壓縮波是一個(gè)強(qiáng)度很高的壓力波。

（4）列車以380km/h通過隧道時(shí)，在距離列車側(cè)壁2.8米處列車風(fēng)的速度可達(dá)11級，對隧道內(nèi)的作業(yè)人員和設(shè)備構(gòu)成威脅。

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