地铁列车隧道气动力学试验与仿真

刘凤华，余以正

(中国北车集团 长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062)*

0 引言

近年来，国内许多大城市正在建设或筹划城市快速轨道交通系统(或地铁系统).城际列车、地铁速度小于高铁，但由于头型长细比小，且地铁车一般在隧道内运行，从空气动力学的角度分析，高铁实际运营情况比地铁车隧道工况多，地铁隧道截面积远小于高铁隧道截面积，隧道截面变化频繁，因此面临的气动问题实际也很突出.根据以往对高铁的研究，发现当列车头型长细比减小一半左右，最大压力波幅度增加2倍以上.而地铁车的头型长细比与高铁比往往增加了几倍.因此需要考虑列车高速进出隧道或者在截面变化的隧道内运行时产生的压力波对列车运行和乘客舒适性的影响［1］.

此外，通过仿真分析研究地铁车在隧道内的阻力变化，研究发现列车在隧道内运行阻力系数远大于明线运行时阻力系数，因此由于气动阻力造成的能耗实际上是比较大的.

列车在实际运营中由于空气动力学问题带来的诸如车门在某些工况下无法关闭等现实问题，但目前国内对地铁车在隧道内运行时的空气动力学方面研究很少，尤其是线路运行实测数据很少.因此本文的研究对地铁车新车型的设计有一定的指导以及参考意义.

1 地铁车内外动压线路运行实测

(1)测试线路 此次分析研究选择的测试线路是深圳地铁二号线后海—红树湾地铁路段，与其他路段比，此路段距离更长，并且较为平直;另外此路段还有一个显著的特点就是隧道截面有一个相当长的距离为矩形截面，因此列车在此段能加速到70 km/h，然后列车以此速度进入该段隧道圆形截面，出现了一段相当大的压力波动，并能被人耳感觉.

(2)测试设备 由于地铁车的速度较低，压力波动基本在100～1 500 Pa(是大气压的0.1%～1%)之间，因此需要采用较低量程、精度较高的传感器，因此选用差压传感器电子扫描阀.本次试验使用的DSM3400电子扫描阀系统及配套模块，是目前国内同类设备中最先进、在量程和精度方面最适合本次测试的设备.本次试验采用312 Hz采样频率.

(3)测点布置 此次试验，在车内外共分布了90个测点，其中在车内布置16个测点，车外共布置74个测点.车外测点主要分布在头车车前端、头车车窗、空调盖板处，并且当列车朝相反的方向运行时头车的测点转变为尾车的测点;车内测点主要分布在司机室、第一节车厢以及第一节车与第二节车的风挡处.图1、图2是相关位置测 点布置示意图.

图1 测点布置总示意图

图2 车外测点布置示意图

(4)测试工况 实际测试中进行了包括车内舒适性测试(车内压力变化);车头、裙板内外压力测试;车门内外压力测试;屏蔽门内外压力测试;空调盖板内外压力测试等.测试了列车在50、60、70、80 km/h运行条件下各个测点的动压数据.本文限于篇幅主要选取车内舒适性测试以及车外压力变化进行研究.

2 列车的空气动力学仿真分析

2.1 仿真分析数学模型的选取

利用FLUENT大型流场计算商用软件，根据流场特点，数值求解的控制方程为低速粘流的Navier-Stokes方程，湍流采用两方程湍流模型，近壁区采用低Re数修正与壁面函数相结合的方法，方程采用有限体积法离散，并采用并行的压力修正算法求解［2］.

2.2 CFD计算模型

分析选取一节半车进行了分析研究，车头是影响计算结果的重要部位，因此在该区域分布了较密的网格以保形，同时根据流动特点规划分区拓扑结构，以保证模拟精度.在车身连接处，转向架、风档和空调等部位都进行了网格加密.对曲率变化较大的部分和关键区域都进行了网格加密，以满足此类问题计算对网格的要求，近壁面第一层网格最小网格高度为0.5 mm.限于计算规模，不可能按照隧道的实际长度建模，只能选取列车在一段隧道内运行进行CFD模拟研究，本次分析选取隧道长为500 m.

3 试验结果分析

3.1 车外压力测试结果分析

车外测点主要分布在头车车前端、头车车窗、空调盖板处，并且当列车朝相反的方向运行时头车的测点转变为尾车的测点，各外部测点的测试目的并不一样.本文限于篇幅，车外压力变化情况仅选取头车测点与尾车测点分析.研究发现，不同的车速下，车头处测点的压力分布趋势几乎一样，只是压力大小以及出现压力峰值的时间不同.因此本文中只列出在80 mm时各压力测点的压力变化情况.图3是列车运行速度为80 km/h时，车外压力测点压力变化情况.由图3(a)可以看到，在120 s左右的时候，各个测点的压力突然急剧升高，有些测点压力在瞬间从200 Pa左右突变至1 200 Pa，这主要是由于此时隧道从方形截面突变到圆形截面所致，可见隧道截面形状的变化对车外压力变化影响很大.当隧道截面频繁变化时，车外压力波动也会随之频繁变化.这种气动力的频繁变化甚至可能会影响某些结构的疲劳强度，因此在后期研究中应当对这些结构进行一定的关注.

图3(b)是车尾测点压力变化情况，多数压力测点处于负压值区，在170 s左右时出现了压力突变，有些测点的负压值从-300 Pa左右突变到-850 Pa左右.这主要是由于此时隧道从圆形截面突变到方形截面所致，可见隧道截面的变化对尾车压力变化也有很大的影响.整体来讲，与车头相比，车尾压力变化趋势相对平缓.

图3 80 km/h时车外压力测点压力变化情况

3.2 车内压力测试结果分析

车内压力的变化主要影响舒适性，列车在隧道内运行的压力及压力变化率若超出一定的限制，会造成乘客耳朵不适，乘客舒适度降低，行车阻力增大和能耗增加.根据相关评价指标，车内空气压力变化≤200 Pa/1 s为优;车内空气压力变化≤800 Pa/3 s为良;车内空气压力变化≤1250 Pa/3 s为合格.车内压力的波动的大小，在很大程度上与车速有关.本文选取的是第一节车车厢内某一个测点在不同的车速下压力变化情况进行研究.

由图4可见，车速对车内压力波动影响很大.当车速为50 km/h时，压力变化最大值为150 Pa;车速为80 km/h时，车内压力变化最大值为500 Pa，对应的最大最小值之差则为2.7倍.当列车以80 km/h运行时，在120 s左右时测点压力瞬间从-200 Pa变化到240 Pa，瞬间压力变化率达到了400 Pa/s以上，并能被人耳感受到，明显影响到了舒适性.这主要是由于此次分析研究的深圳地铁二号线后海—红树湾地铁路段，隧道截面有一个相当长的距离为矩形截面，因此列车在此段能加速到70 km/h，然后列车以此速度进入该段隧道圆形截面，出现了一段相当大的压力波动.可见对于该车影响车内压力波动主要由车速与隧道截面变化有关.因此当列车在隧道截面形状变化过于剧烈的隧道内运行时，应该采取限速措施，速度应该低于50 km/h.

图4 不同车速下车内压力测点的压力变化情况

受限于线路工况与列车实际运营要求，本次试验车速最高为80 km/h，而新的城际客车车速可能要达到100～140 km/h，因此需要根据本次测试的结果拟合出该车在更高速度同等级运营条件下在隧道内运行时车内压力变化情况.图5是通过三次多项式拟合外推得到的车内压力3 s内变化情况［3］，由图5可见，当列车速度达到120 km/h时，车内压力变化达到2 340 Pa/3 s，车内舒适性指标将不合格.

图5 三次多项式拟合外推车内压力变化情况

3.3 车内外压力值变化关系研究

图6是选取列车鼻尖处外部测点的压力值与对应的车内部压力测点压力值.两条曲线中上部曲线为列车鼻尖外部测点压力变化值，下部曲线为列车鼻尖处对应的内部测点压力变化值.由图6可以看到，在该测点处车内外压力波动趋势基本一致，可见车内外压力的波动是同相位的.提高车辆的密封性有助于降低车内的压力波动值［4］.

图6 鼻部后面位置的列车-隧道-压力特征

4 仿真分析结果分析

4.1 列车在隧道内运行时压力变化情况

本次分析，选取列车运行速度80 km/h.为了分析方便，本文选取列车的几个特殊的时刻进行分析，分别是列车车头刚刚进入隧道，列车完全进入隧道，列车在隧道内运行这几个时刻.图7(a)是列车车头刚进入隧道的情况，由图可见，列车高速进入隧道时，空气流动受到隧道壁面的限制被阻滞，使列车前端静止的压力受到剧烈压缩，所以列车进入隧道时以及列车进入隧道后列车头部压力继续升高。列车前端的最大压力高达1 550 Pa，比稳态运行高出很多.图7(c)是列车完全进入隧道后压力变化情况，此时车体表面的压力分布很不均匀.中前部呈正压状态，而中后部则呈负压状态，且表面压力变化较大。这与上文中实测结果压力分布趋势完全一致.图7(d)是列车在隧道内运行时形成的压缩波与膨胀波，形成压力波的原因是因为列车以较高速进入隧道时，由于列车边壁和隧道边壁限制了空气的侧向流动和上下流动，从而使列车前方的空气受到压缩并随列车向前移动，该处空气产生压力增量.增压后的空气又推动相邻的静止空气向前运动，并产生压力增量，这样依次传递下去，在隧道内形成了压力扰动波阵面.该波阵面以声速沿隧道向前传播，波阵面前方的空气流速为零，而波阵面后方的空气以一定的流速随列车沿隧道向前流动［5］.

图7 列车过隧道压力变化情况

研究发现仿真分析时列车隧道效应更为明显，这主要是由于本次测试时，受限于列车实际运营条件及线路距离，列车总是处于加速减速阶段，不能长时间以较高速度运行，并且实际隧道很长;CFD计算可使列车保证任何期望的速度，但受限于计算规模，CFD计算时只能选取一段较短长度的隧道进行计算.尽管如此，计算发现当列车完全在隧道内稳定运行时，在头尾部测点处，CFD仿真分析得到的测点数据与实测数据变化趋势一致.并且实际中，此次仿真分析的结果对于线路实测布点有很好的指导作用.

5 结论

本文通过线路实测与仿真分析相结合，研究了地铁车在隧道内运行的压力以及阻力的变化，得出以下结论:

(1)列车在隧道内运行时，在列车头型确定的前提下，车外的压力分布趋势主要取决于隧道形状，在隧道截面变化处出现压力峰值，压力波动最为明显.当隧道截面频繁变化时，车外压力波动也会随之频繁变化，此时应该对某些部件的结构疲劳给予关注;

(2)列车在隧道内运行时，车速对车内压力波动值影响很大，车速为80 km/h时车内同一点的对应的压力最大最小值之差比车速为50 km/h大2.7倍;通过三次多项式拟合外推可得到该车在更高速度同等级运营条件下在隧道内运行时车内压力变化情况;在列车相同位置内外同一点处，车内外压力波动趋势基本一致，提高车辆的密封性有助于降低车内的压力波动值;

(3)当列车完全进入隧道后在隧道内稳定运行时，数值计算与线路实测得到的车表面压力分布规律基本吻合;

(4)随着地铁车速的进一步提高，对于列车本身来讲，为降低列车在隧道内的运行阻力以及车内外压力波动，需从源头做起，即设计新的流线型头型，保证全车的密封性［6］.

［1］WILLEMSEN E.High Reynolds number wind tunnel experiments on trains［J］.Journal of wind engineering and industrial aerodynamics，1997，69:437-447.

［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］田红旗.列车空气动力学［M］.北京:中国铁道出版社，2007.

［4］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［5］北京交通大学城市轨道交通研究中心.［J］.长区间隧道与快速运营造成的影响［R］.北京:北京交通大学，2002.

［6］JOSEPH A SCHETZ.高速列车空气动力学［J］.力学进展，2003，33:404-423.