
高速列车隧道内线间距对交会压力波的影响研究.docx
10页高速列车隧道内线间距对交会压力波的影响研究随着列车运行速度的提高,空气动力学问题越发严重[1]线间距是铁路线路重要的参数之一,直接影响铁路建设成本;对高速铁路而言,列车交会压力波是确定线间距的主要参数之一线间距直接影响交会压力波强度的大小,对列车车窗玻璃等部件强度、运行稳定性和乘客耳感舒适性造成影响[2]由于高速列车头型、车宽、轨距等因素对明线交会压力波有重要影响,各国铁路线间距标准并不一致[3]铁科院在国家“八五”科技攻关项目中,基于明线交会压力波等方面的研究成果提出了我国高速铁路线间距标准[4]限于当时的条件,主要是以京沪高速线路为背景的研究路线,从隧道交会压力波的角度探讨线间距的影响较少国外学者Fujii等[5,6]在1995—1997年利用FSA(FortifiedSolutionAlgorithm)法得出明线和隧道交会压力分布以及气动力变化;2001年,Hwang等[7]采用动网格技术系统的研究了速度、阻塞比、鼻长、线间距等对明线和隧道交会压力波以及气动力的影响;2002年,Johnson等[8]采用动模型试验研究了明线和隧道交会压力波与列车速度、线间距、鼻长等参数的敏感程度;同年,Bérenger等[9]采用面元法分析了明线和隧道交会压力波与鼻长以及线间距之间的关系;2015年,Dorigatti等[10]通过1:25缩尺模型来分析列车气动力,首次考虑了运动模型实验与静态实验的区别;2016年,Akai等[11]对列车进行二维可压缩数值分析,研究了列车在隧道内产生横向振动的机理。
国内学者雷波于1995年在其博士论文中应用三维面元法研究了明线交会压力波与线间距、速度之间的关系;1996年,张斌等[12]通过风洞试验研究中国首次设计的6种高铁头型在明线交会时线间距对交会压力波的影响;1998—2002年,田红旗等[13,14,15]通过实车试验、动模型试验以及数值模拟计算系统的研究了明线交会压力波与速度、线间距、编组、列车外形之间的关系;2014年,Chu等[16]利用滑移网格法研究列车交会速度、阻塞比以及交会位置对隧道交会压力波以及气动力的影响2015年,梅元贵等[17]采用有限体积法模拟列车在隧道内等速和非等速交会压力波特性;同年,孙海富等[18,19]研究了城际铁路线间距与交会压力波的关系;2016年,乔英俊等[20]通过三维数值模拟方法得出明线交会时线间距和交会压力波幅值之间的关系;2017年,魏洋波等[21]采用滑移网格技术得出在300km/h下明线等速交会以及隧道中央交会时“头波”幅值随着线间距变化的增长比;同年,Chen等[22]采用三维数值模拟研究了350km/h速度下不同鼻长对隧道交会压力波的影响目前对于线间距的研究不管是明线交会还是隧道交会仅仅从压力波幅值或者“头波”幅值单一方面进行分析,缺乏系统性。
此外,我国高速铁路线间距的制定是基于当时国内高速列车技术路线下的研究结果,因此系统的研究不同速度下线间距对隧道内交会压力波影响非常有必要,对列车车体气动载荷设计和评估有重要意义本文通过STAR-CCM+软件,采用三维非定常可压缩流动的雷诺平均N-S方程和SSTk-ω湍流模型,以复兴号CR400BF为研究对象,对其在隧道交会时的空气流场进行数值模拟鉴于交会压力波的危害,从车体压力最值、车体两侧压差、“头尾波”现象三方面系统的研究在250km/h、350km/h、400km/h等速交会下线间距(4.6m、4.8m以及5.0m)对隧道内交会压力波的影响,为今后进一步深化对交会压力波形成特征和车体气动载荷提供参考1、计算模型1.1列车/隧道气动模型本文数值模拟计算中的列车气动模型为全尺寸8编组复兴号CR400BF型电力动车组,该动车组由头车、六节中间车和尾车组成,各车厢之间采用风挡连接列车保留了转向架、排障器、中间3车、6车受电弓安装座等复杂结构部件,图1表示复兴号CR400BF气动模型,定义轨面到车顶平面高度H=4.05m为特征尺寸,列车长度LTR为51.6H,车宽W为0.83H,鼻长LNO为2.44H。
图1中点表示压力监控点,各车厢平直车身中部交会侧与非交会侧各布置一个监控点,交会侧监控点编号为奇数,非交会侧监控点编号为偶数隧道模型选用净空面积100m2的平直双线隧道,隧道长度的选择依据EN14067-5[23]中最不利隧道长度公式,本文在描述隧道内列车交会压力波基本特征时是以交会速度350km/h为例,在350km/h下最不利隧道长度公式为734.5m,为了辨晰隧道交会压力波波形,选取隧道800m,线间距D有5.0m、4.8m、4.6m三种,车/隧模型的阻塞比为0.1193图1复兴号CR400BF列车和隧道几何模型及压力监控点布置示意图1.2计算区域和边界条件图2给出了隧道内交会计算区域和边界条件示意图计算域隧道两侧区域横断面长100H,高50H,列车距离隧道入口59H处光滑启动,即速度从0匀加速到交会速度,这样可以避免列车直接启动带来的非物理现象,光滑启动距离35H列车表面、隧道表面、地面边界条件为无滑移壁面边界(wall),如图中实线所示;远场空间的边界条件为自由流边界(freestream),如图中虚线所示自由流边界为无反射黎曼边界条件,适用于对远场边界处的自由流可压缩流条件建模[24]。
图2计算区域和边界条件示意图2、数值模拟方法2.1控制方程在高速列车进入隧道过程中,车前空气流动空间受到隧道壁面的限制和空气本身的可压缩性特点,导致列车前方的空气压力升高特别是在两列车相向运行交会过程中,由于头头、头尾和尾尾交会,导致列车周围空气流动空间急剧变小或变大,空气流动复杂多变本文采用三维、非定常、可压缩流动的雷诺平均N-S方程和SSTk-ω两方程湍流模型[25]本文采用有限体积法将控制方程离散成代数方程,基于SIMPLE算法实现压力-速度耦合,对流项采用二阶迎风格式,耗散项采用中心差分格式;为加速求解器收敛,采用代数多重网格(AMG)法利用二阶隐式格式离散时间导数进行非定常流动计算,时间步长定义为0.004s2.2重叠网格法和网格划分本文采用重叠网格[26]方法模拟列车与列车、列车与隧道的相对运动重叠网格方法本质上是一种区域划分和网格组合策略首先将整个流动区域划分为背景区域和重叠区域,背景区域有且仅有一个,重叠区域至少一个,两个区域的体网格独立生成,流场信息通过插值在重叠区边界进行匹配和耦合本文采用STAR-CCM+软件中非结构化混合网格(Trim网格和Prism网格)对计算模型进行网格划分。
列车附近网格流动复杂,特别是列车尾流区和列车底部,对其部分进行网格加密,网格尺寸为0.1m背景区域网格从密到疏逐渐过渡,设置3个层次加密块,分别为0.8m,1.6m,3.2m在重叠网格区域和背景网格区域重叠部分两者网格尺寸一致,均为0.4m,避免插值误差图3展示了列车进隧道以及列车隧道内交会网格为了更加精确的捕获近壁面的流场信息,车体壁面和隧道壁面拉伸Prism网格列车表面第一层网格厚度按照y+=40取定,为0.582mm,共拉伸10层,拉伸比1.2,总厚度13.67mm;隧道表面第一层网格厚度按照y+=50取定,为0.64mm,共拉伸8层,拉伸比1.5,总厚度15.27mm图4展示了列车头车附近壁面处网格本文模拟的9种工况,网格数量均在3500万左右图3计算模型的体网格图4列车壁面处网格切面图2.3数值方法验证为了验证本文数值模拟的准确性,将数值模拟计算结果与兰州交通大学列车空气动力学研究团队于2016年11月在大西线南白隧道的实车试验数据进行对比数值模拟验证模型列车和实车试验列车均为8编组复兴号CR400BF型动车组,列车运行情景为单列车以250km/h通过隧道长度LTU为565m的双线隧道,隧道净空面积100m2,计算模型忽略轨道,网格数量2612万,网格设计参考作者研究团队前期研究,并对网格无关性和时间步长无关性进行验证[27]。
图5(a)、(b)分别为头车平直车身中部交会侧监控点(1号监控点)、尾车平直车身中部非交会侧监控点(16号监控点)压力时间历程曲线与实车试验结果的对比头车鼻尖处驶入隧道时刻定义为零时刻表1统计了1号和16号监控点压力最值对比结果由于尾车监控点一直处于负压,所以16号监控点未统计最大正压值以及最大压力峰峰值由图5和表1可得:压力监控点的最值误差均在10%以内,有较高的可靠性,可用来研究不同速度下线间距对隧道交会压力波的影响图5头尾车监控点压力对比3、计算结果分析3.1隧道内列车交会压力波基本特征本节通过列车交会速度v=350km/h、线间距D=5.0m模型的数值模拟结果来分析隧道交会压力波基本特性3.1.1列车交会过程图6展示了列车交会过程三个典型时刻垂直线表示隧道中央这些时刻分别是头头交会(NN)、头尾交会(NT)以及尾尾交会(TT)由于两列车是在隧道中央处等速度交会,因此两列车的压力波动是一致的,下文以列车A上的压力监控点为例进行分析图6列车交会过程示意图3.1.2隧道内列车交会车体表面压力变化图7表示了CR400BF动车组在隧道中央处交会过程中9个典型时刻的车体及周围压力云图由图可以看出:在两列车头头交会(NN)前,列车车头鼻尖处为最大正压处,以鼻尖处为球心,正压区向四周辐射。
当两列车头头交会(NN)时,列车头部鼻尖处正压下降两列车头头交会(NN)后,车头前方压力进一步降低车头附近,列车交会侧压力比非交会侧低此外,由于列车交会,交会区域空间受限,空气不能及时排散,流速变大,交会区域压力体现为负压当两列车开始头尾交会(NT)时,车身附近全部为负压,头尾交会(NT)后,头车鼻尖处压力回到正压当两列车进行尾尾交会过程(TT)时,两列车车尾逐渐从负压上升为正压3.1.3头车交会侧与非交会侧压力时间历程全程特征图8(a)为列车轨迹图,图8(b)为头车平直车身中部交会两侧监控点(1和2号监控点)压力时间历程曲线,图8(c)为头车车厢两侧压差(p1-p2)曲线其中粗实线代表列车A、B运行轨迹,正斜率粗实线代表列车A,负斜率粗实线代表列车B粗虚线代表压力监控点运行轨迹细线表示列车A、B通过隧道时产生的压力波,实线表示压缩波,虚线表示膨胀波图7隧道中央交会过程中的车身压力云图由图8(a)、(b)可以看出,列车车头驶入隧道瞬间,列车前方空气受到压缩形成压缩波,随着列车车尾进入隧道,流入隧道外的空气流入到车尾处产生负压形成膨胀波,压缩波传播至监控点导致其压力上升,膨胀波导致其压力下降。
文献[17]详细的给出了隧道交会压力波传播过程隧道交会压力波和明线交会压力波有着较大的明显差异为了更清晰对比隧道交会压力波与明线交会压力波的差异,图9给出了复兴号列车以350km/h的速度在明线交会时头车交会侧监控点压力时间历程曲线[27]明线交会压力波在非交会时段保持稳定,当列车B头车鼻尖经过列车A上监控点时,压力瞬间增加至最大值pmax,头车车肩到达时,压力瞬间降低至最小值pmin,在极短的时间内,监控点受到一正一负的压力脉冲是由于头车经过时产生的,故称为“头波”现象同样得,当列车B的尾车经过时产生一负一正的压力脉冲称为“尾波”现象头波”幅值大约是“尾波”幅值的两倍隧道交会压力波比明线交会压力波更为复杂,从本质上来说,隧道交会压力波是两列车通过隧道产生的隧道单车压力波和两列车交会产生交会压力波叠加而成明线交会压力波全程曲线中最大正压值、最大负压值均出现在“头波”上,隧道交会压力波最值受到隧道长度、交会速度、交会位置等等因素,出现的位置不再固定,并且隧道交会压力波最值数值上比明线交会压力波最值大很多,可见隧道交会时车体受到的压力冲击更加恶劣其次隧道交会压力波中并不总能明显观察到“。












