CRH3A型动车组通过隧道时的压力变化试验与CFD计算

余以正，姜旭东，孙 健

(中国北车集团 长春轨道客车股份有限公司 技术中心基础研发部，吉林 长春 130062)*

0 引言

由于空气流动受隧道壁的限制以及空气的可压缩性，高速列车通过隧道时将产生相当大的压力波动.这种瞬变压力效应会对列车、环境和旅客舒适性产生很大的影响，目前，随着我国高速列车的发展，开展高速列车进入隧道时引起瞬变压力变化的研究是非常重要的.根据文献［1-2］，在高速列车通过单线隧道过程中，其最大压力变化量ΔP主要受列车速度、阻塞比等因素影响，受列车长度和隧道长度的影响较小.本文采用动模型试验与三维流场数值模拟相结合的方法，对公司设计的CRH3A型动车组以250 km/h的速度通过净空面积80 m2的单线隧道时引起的车体表面及隧道壁瞬变压力变化量ΔP问题进行研究，并对计算结果进行分析与评价.

1 动模型试验

1.1 动模型试验系统基本原理

动模型试验根据流动相似原理［3］，将动车组、隧道和线路等物体按几何相似制作成缩比模型，通过弹射使模型动车组在模型线路上无动力高速运行，模拟两交会动车组、动车组与地面、动车组与周围环境之间的相对运动，真实再现高速动车组交会、过隧道、列车风等空气三维非定常可压缩流动过程，获得具有相对运动的动车组空气动力特性.

1.2 模型实际布置情况

动模型试验中，隧道截面图与隧道模型见图1所示.在轨道和隧道模型设计时，严格控制模型阻塞比(动车组横截面和隧道净空面积比)和实际动车组过隧道的阻塞比相等.

图1 测点布置及典型测点示意图

1.3 模型测点布置情况

图2为列车表面测压点布置示意图，试验中在车头、车尾、车侧面共布置有52个测点，并在隧道壁面布置测点数17个.本文限于篇幅，仅研究列车过隧道时车身表面压力变化，并选取3个典型测点进行研究，3个典型测点分别位于鼻尖点，车头侧面变化最大部位点以及车侧窗点.

图2 动模型试验隧道截面与隧道模型

2 数值仿真分析

利用STARCCM+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［4］.

CFD计算模型、隧道长度、计算测点保证与动模型试验完全一致.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.图3是整车车体表面网格，图4是计算域示意图.

图3 整车车体表面网格

图4 列车过单线隧道计算域

3 试验结果与仿真结果分析

3.1 试验数据与仿真分析数据分析

选取车头鼻尖点，车头侧面变化最大部位点以及车侧窗点3个主要测点进行分析.由图5～7可见:仿真分析结果与试验结果基本吻合，说明试验结果与仿真分析结果可以互相验证.

图5是列车车头鼻尖点从进入隧道到出隧道整个压力变化过程.随着列车朝隧道入口高速驶近，车头前方的气流受到车头排挤和前方隧道壁面的限制，车头鼻尖点压力逐渐开始升高.在列车正要进入隧道前，列车前端面与隧道洞口之间的有效流动面积逐渐减少，使车头前方气流受到强烈的挤压作用，车头鼻尖点压力快速增大，当车头完全进入隧道时，压力在图5中A点达到最大值.此过程产生空气压缩波，并以音速沿隧道向前传播，使列车前方隧道中的空气压缩和加速.随着列车进一步驶入隧道，车头前方的一部分气流通过环状空间加速向列车后方流动，车前压力逐渐下降;当车尾部开始进入隧道后，隧道壁面与车尾部构成的空间突然扩大，该空间对车尾前后的气流有一个抽吸作用，使原来通过环状空间流向尾部的气流流速增大，并且隧道外部气流也开始流入该空间，以填补列车通过后留下的空间.这时在列车尾部有一个压力的突然下降，产生空气膨胀波.此时车头鼻尖点压力以较大的压力梯度继续降低，并在图5中B点达到最小.随后压缩波以声速传至鼻尖处，鼻尖处压力又开始上升，到C点达到另一个峰值，压缩波与膨胀波如此反复，体现在车头鼻尖点是压力不断的波动.车头鼻尖点的最大压力变化量 ΔP=2.6 kPa.

图5 车头鼻尖点压力变化的试验数据与仿真数据

图6是车头侧面变化最大部位点与侧窗测点压力变化曲线.由图可见该两测点压力变化曲线与鼻尖点部位压力变化趋势一致，只是有个时间差，这是由于测点不同时间进入隧道所致.另外也证明列车在隧道内运行时车体表面各测点的压力变化主要取决于列车车头刚进入隧道时形成的压缩波与车尾进入隧道时形成的膨胀波，一旦高速列车头型确定，在同一阻塞比前提下高速列车压力波特性也确定，因此设计出合理的头型对列车在隧道内运行压力波特性至关重要.车头侧面变化最大部位点最大压力变化量ΔP=2.1 kPa;车头侧窗点最大压力变化量ΔP=2.2 kPa.可见鼻尖点最大压力变化量ΔP比其他测点压力变化量大.

图6 两测试点的压力变化曲线

3.2 CFD计算云图分析

图7是列车从刚刚进入隧道到完全进入隧道并在隧道内运行时不同时刻的压力变化云图.图7(a)为列车刚进入隧道瞬间压力云图，从图中可见，车头前端表面部分的压力最高(为高压区)，而车头侧面与顶面拐角处较低(低负压)，列车中间车体表面的压力为负压.图7(b)是车头进入隧道0.05 s后车体表面以及隧道表面压力变化云图，由于运动流场的影响，车头前端高压朝前方辐射，使隧道内车头前方附近的空间流场压力较高为正压区，距车头越远压力越低.而且，在车头前方的隧道面上，隧道壁面附近区域的压力随高度增加稍有降低.图7(c)是车尾完全进入隧道后列车表面以及隧道表面压力云图，此时列车尾部完全进入隧道产生的膨胀波已传到车体表面，使得车体表面以及附近隧道壁表面压力急剧下降并形成负压.图7(d)是列车在隧道内运行0.45 s后车体表面与隧道壁表面压力云图，此时车头产生的压缩波传播到车体表面，使得车体表面以及隧道壁表面的压力又开始增加.

车头和车尾进入隧道入口将分别产生(正压)压缩波和(负压)膨胀波，并以音速往返传播和反射.车尾的压力在通过隧道过程中有正负压间的较大变化.隧道中流场的压力变化主要是车头、车尾压力区交替通过和隧道压缩波与膨胀波往返传播、反射等影响造成.列车头尾部通过隧道时其附近的隧道内流场呈现一定的三维变化过程.根据测点取值发现在一定的相同高度上，沿高速隧道壁面所感受的最大压力变化量较列车表面的大.

图7 CRH3A单车过隧道不同时刻压力变化云图

4 结论

利用动模型试验与CFD方法，对CRH3A型城际动车组以时速250 km通过净空面积80 m2的隧道时引起瞬变压力变化问题研究可得到以下结论:

(1)单列车过隧道时隧道中流场压力变化主要是列车车头刚进入隧道时形成的压缩波与车尾进入隧道时形成的膨胀波在隧道内往返传播、反射等影响造成，列车过隧道时头尾部附近的隧道内流场呈现一定的三维变化过程;列车表面和隧道侧壁面所感受的最大压力变化量主要出现在列车头尾进入隧道入口前后的过程中;

(2)CRH3A动车单车通过80 m2隧道时，车头鼻尖点最大压力变化量ΔP=2.6 kPa，车头侧面变化最大部位点最大压力变化量ΔP=2.1 kPa;车头侧窗点最大压力变化量ΔP=2.2 kPa.

(3)高速隧道壁面感受的最大压力变化量发生在隧道压力波充分发展的入口区段，此后，随测点距隧道入口距离的增大，其最大压力变化量衰减;

(4)在相同高度上，沿高速隧道壁面所感受的最大压力变化量较列车表面的大;

(5)列车通过隧道时，一旦高速列车头型确定，在同一阻塞比前提下高速列车压力波特性也确定，这点与文献［5］中结论一致.因此设计出合理的头型对列车在隧道内运行压力波特性至关重要.

［1］AKIYA Y.Pressure variations，Aerodynamic drag of train and natural ventilation in SHIN KANSEN type tunnel［J］.Quarterly report of RTRI，1974，4(15):207-214.

［2］AHMED S R.Aerodynamics of road and rail vehicles［J］.Vehicle System Dynamics，1985(14):319-392.

［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］长区间隧道与快速运营造成的影响［R］.城市轨道交通研究中心，2012.