高速动车组通过隧道空气动力特性数值分析

李伟鹏，王东屏，兆文忠

(1.大连交通大学 交通运输工程学院 辽宁 大连 116028;2.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连116028)

0 引言

高速列车通过隧道时，由于隧道内空气流动受壁面限制及空气压缩性，产生相当大的压力波，压力波间复杂的相互作用使隧道内空气压力和车体上的压力随时间波动，呈现较强的非定常性，导致车体表面的脉动负载.从而引起列车行车阻力增加、空气动力学噪声、乘客舒适性、列车动力和总能量消耗、隧道内人员作业环境加剧等一系列问题［1-4］.

与明线相比，列车在隧道中运行所遇到的气动问题更复杂和严重［5］.随高速动车组的快速发展，研究隧道空气动力学效应的制约作用愈显必要［6］.采用数值仿真分析的方法，不受物理模型和实验模型的限制，具有较多灵活性并大大节约试验成本.

对于列车通过隧道的数值仿真分析，很多学者作了相关的研究和计算［1，3-4，7-8］，但对于复杂模型如长大编组列车的数值分析还很少见.本文通过应用计算流体力学分析软件Fluent对350 km/h动车组(三辆编组，具有转向架结构)穿越隧道空气动力特性的数值计算，得出高速动车组通过隧道前后过程中列车表面压力、阻力系数等空气动力学特性，为我国高速动车组以及相关轨道与隧道建筑的自主创新设计提供技术支持.

1 算法原理

目前对具有复杂几何特征的实车模型进行明线运行气动特性分析时一般采用稳态计算.列车高速进入隧道导致隧道内空气流动为三维湍流流动，因此，列车的稳定性和性能都与按照明线行驶的设计工况产生偏离.本文通过连续方程，三维、可压缩、非定常的N-S方程，能量守恒方程以及湍流模型方程［9］计算列车过隧道的空气动力学问题，湍流模型选用标准κ－ε双方程模型，采用有限体积法中常用的SIMPLE算法求解离散方程组，对流项的离散格式采用二阶迎风格式.

2 计算模型

本文以高速动车组为模型，采用三辆编组，即动力车+拖车+动力车，对列车结构尤其是车体底部进行简化，并尽可能体现动车组真实的外轮廓.运行工况:列车运行速度350 km/h，隧道长度500 m，横断面积70 m2，隧道两端建立区域模拟列车明线运行，列车模型及计算区域如图1所示.列车通过隧道需运行5.14 s.

图1 列车模型及计算域

由于结构对称，沿纵对称面取一半建模，从而减少计算量，提高计算效率.

网格划分采用非结构化网格，对整个计算区域采用分块划分网格原则，对车体近壁层区域网格细化，远离车体的网格采用稀疏网格，以减少计算量、加快收敛速度.列车表面应用三角形网格，隧道内靠近列车区域采用非结构化网格，远离列车用结构化网格，其余空间采用结构化网格，应用动网格技术实现列车与隧道间的相对运动.空间体单元约为372万.

3 结果分析

3.1 列车在隧道中空气动力特性

列车高速过隧道导致隧道壁面和列车表面的空气压力发生变化.随着列车向前运动，距离隧道入口越近，受到阻力越大，因此头部鼻端压力不断增加.

图2 列车表面静压分布(进入隧道后列车头部鼻尖处距离入口31.75 m)

列车进入隧道时，由于列车、地面和隧道边壁限制了空气的侧向和上下流动，使列车前方空气受到剧烈压缩，产生压缩波并随列车向前移动，列车头部鼻端压力继续增大.图2是列车头部进入隧道内，距离隧道入口31.75 m处列车表面压力分布，头部鼻端压力是7 910 Pa.

当列车尾部进入隧道，在入口产生膨胀波，并沿隧道向出口传递，使列车表面压力降低.

列车在隧道中运行，由于隧道内压缩波和膨胀波的影响，列车表面压力分布发生波动.列车车头鼻端距隧道入口191.8 m处，头部鼻端压力系数最高为1.19.随后由于列车前端的压缩波已经运动到隧道出口，并反射回隧道中形成膨胀波，列车表面压力系数降低.此后当列车头部又有压缩波传递到此，列车头部压力会有所增加.

列车行驶至隧道出口，空气压缩波传至外围空间使得列车表面压力系数减小.出隧道后，由于列车进入明线运行状态，列车表面的压力分布逐渐趋于稳定.

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

3.2 列车阻力系数变化

列车在隧道中运行，空气阻力完全不同于稳态运行.其值远大于明线运行，使列车动力和总能量消耗增加.

图3 列车穿越隧道阻力系数变化

图3是列车在隧道中运行的阻力系数变化.列车运行0.42 s进入隧道，从图中可以看出，随列车进入隧道，由于前方空气被压缩，列车空气阻力急剧上升，直到列车尾部进入隧道.最高阻力系数为1.048，此时运行时间 1.4 s.尾部进入隧道后，在隧道入口形成膨胀波向出口传递，同时列车前方的压缩波传递至出口又反射为膨胀波，向隧道内回传.隧道中压缩波和膨胀波的传播使列车阻力有所波动，但仍保持高的空气阻力状态.当列车接近隧道出口时，由于列车头部空气向隧道外散开，列车头部承受压力下降，阻力系数迅速下降.

3.3 列车表面压力变化

列车进入隧道时，当压缩波到达隧道出口，一部分变成膨胀波向隧道入口传播，一部分以微气压波的形式继续向前传播;与之对应，当列车完全进入隧道时，列车车尾形成的膨胀波也会向隧道出口传播，并在出口以压缩波反射回隧道.这些波又在隧道壁面和列车车头、车尾反射，不断互相干扰和重叠，使隧道内的空气压力不断变化，呈现非常强的瞬态性.

图4 车头鼻端压力随时间变化

图4是列车车头鼻端压力随时间变化曲线.列车车头在0.42 s进入隧道，车尾在1.22 s进入隧道，列车鼻端压力从进入隧道后一直增加，在1.0 s时达到最大值8 030 Pa.由于隧道内压缩波、膨胀波的传播，列车鼻端承受静压范围从3 218～8 030 Pa.在 2.8 s时，鼻端压力最低，为 3 218 Pa.

图5是列车表面压力随时间的变化.从图中看出，列车在进入隧道过程中，由于列车前方空气受到挤压形成压缩波使压力增高;在1.22 s，列车尾部进入隧道产生的膨胀波到达列车表面时，压力下降;列车运行到2.2 s时，头部产生的压缩波自隧道出口反射成膨胀波，到达列车表面，压力继续下降;在2.8～3.0 s，由于膨胀波的叠加，列车表面达到最大负压值;当膨胀波到达隧道进口时，以压缩波的形式向隧道内反射，到达列车表面，压力回升.此压缩波继续向隧道出口传播，到达洞口又以膨胀波回传，到达列车表面，压力下降.

图5 列车表面压力随时间变化

当列车表面达到最大负压值时，列车车头与车身连接处为－5 065 Pa;车尾与车身过渡处为－5 628 Pa;列车头车侧面中部为－4 206 Pa;中车车身中部侧面为－4 531 Pa;尾车侧面中部为－4 839 Pa;车尾鼻端最大负压值是－4 158 Pa.列车在隧道中运行，由于压缩波和膨胀波的传播，列车尾部过渡区产生最大负压.表1是车身观测点压力极值并与明线稳态运行对比.

表1 车身表面压力与明线压力对比

从表1中可见，列车过隧道时表面压力变化幅值远远超过明线运行，最大增加率达1 259%，使车辆结构受到很大瞬态冲击力，可能损坏车辆结构，降低列车使用寿命，也将对轨道，隧道建筑带来负面影响.

3.4 列车中车底部裙板压力变化

图6是中车底部裙板压力云图，其中，选取四个测点位置如图所示.列车运行沿x轴正向(向右行驶).测点1为中车底部裙板中心线前侧压力;测点2为中车底部裙板中部压力;测点3为中车底部裙板中心线尾部压力;测点4为中车侧裙板与底裙板过渡处压力.

图6 中车底部裙板压力云图

中车底部裙板各处压力随时间变化情况如图7所示.随着列车进入隧道，中车底部裙板压力越来越小(负压绝对值越来越大).在3.0 s，达到最大负压.随后裙板压力逐渐回升.在4.8 s压力减小，负压程度增加，在5.6 s时，压力开始回升.

图7 中车底部裙板四个测点压力随时间变化

表2是各测点在列车过隧道过程中压力极值与列车运行时间及所处位置.

表2 测点压力极值与列车运行时间及所处位置

从表2中可见，列车中车底部裙板压力在－5 763～560 Pa之间变化.其中最大负压值出现在侧裙板与底裙板过渡处(测点4)，当列车运行3.0 s，此时列车已进入隧道，车头鼻尖处距离隧道入口250 m.列车中车底部裙板压力最大值出现在底部裙板中心线尾部(测点3)，当列车运行0.1 s，此时列车未进入隧道，车头鼻尖距隧道入口31.3 m.

4 结论

列车高速过隧道导致隧道壁面和列车表面空气压力变化.通过列车穿越隧道过程的数值计算，可形象直观地对隧道内的空气流场作出分析和评价，得出如下结论:

(1)在隧道中高速运行的列车，其空气阻力远大于明线运行，最大增加率达1 259%.列车进入到隧道中，在列车鼻端距离隧道入口94.8 m时，列车阻力系数达到最高值1.048;其后阻力系数有所波动，当列车接近隧道出口时，阻力系数迅速下降;

(2)列车在隧道中运行，其表面压力幅值变化很大，使车辆结构受到很大瞬态冲击力.其中鼻端压力在3 218～8 030 Pa间变化，在距隧道入口56 m处，达到最高值8 030 Pa;

(3)列车处于隧道中部时，车身表面压力均呈现较大的负压值，变化范围在－5 628～－4 158 Pa.其中列车尾部过渡区产生最大负压－5 628 Pa;

(4)列车通过隧道过程中，中车底部裙板压力在－5 763～560 Pa之间变化.当列车处于隧道中部时，中车底部裙板压力各处均达到最大负压.其中最大负压值出现在侧裙板与底裙板过渡处，最大正压出现在底部裙板中心线尾部.

［1］琚娟，高波，赵文成.高速列车通过隧道时隧道内压力变化的试验研究［J］.铁道建筑技术，2003(3):22.

［2］武青海.列车空气动力学数值仿真研究［J］.中国铁道科学，2002，23(4):132-138.

［3］张兆杰，高波，王英学.高速列车隧道空气动力学数值仿真系统的开发［J］.路基工程，2006(6):17-18.

［4］梅元贵，赵海恒，刘应清.高速铁路隧道压力波数值分析［J］.西南交通大学学报，1995，30(6):667-668.

［5］RAGHU S，RAGHUNATHAN，KIM H D，et al.Aerodynamics of high-speed railway train［J］.Progress in Aerospace Science，2002，38(2):105-109.

［6］赵文成，高波，王英学，等.高速列车通过隧道时压力波动过程的模型试验［J］.现代隧道技术，2004，41(6):16.

［7］田红旗.列车空气动力学［M］.北京:中国铁道出版社，2007:3-56.

［8］骆建军，高波，王英学，等.高速列车通过隧道时压力变化的数值模拟［J］.中国铁道科学，2003，24(4):82-86.

［9］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004:7-13，120-132.