时速350km/h高速列车隧道通过客室内流场研究

陈春俊，江传东，刘 逸

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

时速350km/h高速列车隧道通过客室内流场研究

陈春俊，江传东，刘 逸

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

采用三维非稳态不可压缩雷诺时均N-S方程和可实现k-ε模型，在高速列车以350km/h通过不同长度隧道时，对客室内流场的影响进行数值计算。构建列车车厢与空调管路系统的整体模型，并将太阳辐射、乘客散热对客室内流场的影响考虑在内。研究结果表明：当隧道超过一定长度时，新风口压力波动峰峰值随着隧道长度的增加呈明显下降趋势；客室内气压最大3s变化率、最大1s变化率以及峰峰值呈小幅下降趋势，空调换气系统中的压头风机能有效抑制外界压力波动，使车内压力变化很小；客室内温度变化范围在298～298.8K之间，满足舒适性要求；新风口压力的波动有可能导致客室内风速变化，变化幅值均小于0.5m/s，满足舒适性要求。

高速列车；隧道长度；CFD；换气系统；舒适性

0 引 言

截至2014年12月我国高速铁路总营业里程超过1.5万km，“四纵”干线基本成型，在建高铁规模1.2万km，我国成为世界上高速铁路投产运行里程最长、在建规模最大的国家。我国幅员辽阔，山岭众多，在高速铁路修建中必然会出现大量的隧道工程。当高速列车通过隧道时列车表面会产生剧烈变化的压力波[1-4]。隧道内的瞬变压力波将通过新风口沿空调通风系统传入客室内部，引起客室内流场环境发生变化，产生列车司乘人员舒适性问题，因此有必要对列车高速通过隧道对客室内流场的影响进行深入研究。

列车客室内流场问题已引起国内外专家学者的广泛关注。文献[5]对时速200km/h的高速列车明线运行工况下的客室内压力波动进行了研究，通过线路试验，测试了在开关门、过分相以及紧急制动工况下，客室内气压变化率和客室内外压差，通过分析测试数据指出了列车气密性指数变化规律，以及引起耳鸣等不舒适现象的原因，并提出改进的措施。文献[6]以某动车组二等硬座车为研究对象，采用标准k-ε湍流模型，考虑了车体壁面传热、太阳辐射以及乘客散热的影响，对客室内的流场分布和传热状况进行了数值模拟研究，并对计算结果进行了分析。文献[7]以某高速列车开放式空调系统为研究对象，建立客室空调通风系统整体模型，对高速列车以时速300km/h下明线会车、隧道内会车工况进行了数值模拟，对客室内流场变化进行了分析。

以上研究主要针对明线运行或会车工况进行了相关研究，对高速列车隧道通过工况研究的相对较少；在利用数值计算方法研究时，以上文献采用标准k-ε湍流模型，而对于计算存在弯曲壁面的管道系统，采用工程中计算管道内流动的可实现k-ε两方程的湍流模型更适合；由于高速列车空调通风系统计算几何模型的复杂性，划分结构化网格较困难，对比结构化网格，非结构网格的适应性更好。

以某型CRH高速列车为研究对象，其换气系统采用大压头风机连续换气方式，利用CFD数值计算软件Fluent对高速列车以350 km/h速度级夏季通过1744，2137，2600，4710m 4种不同长度隧道时，计算分析高速列车空调系统车外新风口压力变化与客室内流场的变化关系，并对空调系统的工作性能以及客室的舒适性进行评价。

1 高速列车通过隧道的分析方法

1.1 物理模型和网格

以某CRH型高速列车一等硬座客室为研究对象，建立空调系统和客室整体模型。由于列车实际结构的复杂性，在进行数值计算时需要对列车结构作合理的简化。空调系统包括列车底部两台空调机组、换气装置及通风系统（包括新风风道、送风风道、回风风道、废排风道)构成（如图1所示)；车厢全长24.5 m、宽3.38 m、高2.4 m，并将座椅、乘客、车厢两端的乘务员室、通过台、卫生间等（如图2所示)考虑在内。一等车座椅采用2+2布置，座椅数为32。

图1 空调系统模型

图2 车厢模型

由于几何模型的复杂性，网格划分采用四面体非结构化网格。虽然这种网格的生成过程比较复杂，但非结构网格可以采用任意形状的单元格，单元边的数目也无限制，因此能够很好地模拟自然几何边界，非常便于进行网格的自适应。尤其是结合有限体积法的非结构化网格实施，使得程序在通用性和扩展性方面明显增强，对具有复杂边界的流场计算问题特别有效[8-9]。经多次调试后模型网格数量约为760万个。局部网格如图3、图4所示。

图3 车厢模型网格

图4 空调系统模型网格

1.2 数学模型

由于高速列车空调通风系统实际工作时的复杂性，为简化问题，对计算模型做以下基本假设：

1)列车空调系统管道和客室内空气流动为低速不可压缩流动，符合Boussinesq假设；

2)假设车厢气密性良好，车体无漏气现象；

3)计算空调管道断面的雷诺数，Re＞＞2300，同时客室内存在自然对流，空气流动状态为紊流；

4)不考虑壁面间的热辐射，客室内空气为辐射透明介质。

高速列车空调通风系统中存在弯曲壁面的管路，在计算中为提高精度，采用三维瞬态的雷诺时均N-S方程和工程中计算管道内流动的可实现k-ε两方程湍流模型对列车通过隧道时客室内流场进行数值计算。客室内气体的流动和传热可用质量守恒、动量守恒、能量守恒3个基本物理方程来控制。

1.3 边界条件

入口边界：由线路实车测试获得空调系统新风口压力数据。新风口作为计算入口边界，将其设置为压力入口边界条件。列车通过隧道时新风口压力是波动的，以函数形式给出压力随时间的变化关系作为压力入口边界条件，利用UDF编译。新风入口温度为夏季35℃。

出口边界：将空调系统的废排口设置为计算出口边界，以废排口处的车外压力作为压力边界条件。

传热边界：考虑太阳辐射的影响，列车运行时主要传热部位为车顶、两侧壁以及地板，列车以350km/h速度行驶时，设置车体综合传热系数为1.96W/（m2·K)。

人体散热边界：客室内的主要热源为乘坐人员的散热，将乘客的散热视为定热流边界条件，散热量均匀分布在人体表面。

2 舒适度评价标准

影响乘坐舒适性的因素很多，如座椅结构、气压变化、温度、湿度、噪声、振动、照度以及客室内部装饰环境等，它们对乘客的生理和心理均会产生影响，因此难以用单一标准来评价。列车高速运行时，由于不同国家高速列车发展水平不同，各国所制定的舒适性标准对客室内流场的要求也不同。

而我国现在还没有针对高速空调列车乘坐舒适性的国家和行业标准。参考国内最新铁路行业和公共交通工具卫生标准，对高速列车舒适性从压力、温度、风速进行综合考虑。

根据 《铁路隧道设计施工有关标准补充规定》（铁建设[2007]88号)，对客室内压力采用以下评判标准。

国内行业内部评价：车内3s气压变化率＜800Pa/（3 s)，车内1 s气压变化率＜200Pa/s。

根据GB 9673——1996《公共交通工具卫生标准》[10]规定了旅客列车客室温度，夏季：24～28℃。客室内的微风速不超过0.5m/s。符合我国国情的舒适度标准的进一步完善和验证尚需进行大量现场调查，复合型舒适度标准也有待研究[11]。

3 数值计算结果及分析

3.1 换气风机特性曲线

对于所研究的某型CRH高速列车空调系统采用高静压风机换气装置，外界的压力变化受风机产生压头的抑制。计算中采用的新风风机静压为3.7kPa，风机的特性曲线如图5所示。进入空调系统的新风流量将随车外压力变化而发生变化。研究对象某型CRH高速列车以350 km/h运行，新风机高速运转，频率为60Hz。

图5 风机特性曲线

3.2 通过隧道对客室内流场环境的影响

高速列车以350 km/h速度级分别通过隧道1（4710m)、隧道2（2600m)、隧道3（2137m)、隧道4（1744m)时，图6为高速列车新风口的压力波形图，图中标识为通过隧道3时新风口气压最大值和最小值，峰峰值计算公式为：Pmax-Pmin，可得通过隧道1～4时新风口压力波动峰峰值分别为2 392.753 6，2 840.5454，3270.7296，3246.5650Pa。可得出结论：当隧道超过一定长度时，随着隧道长度的增加，新风口压力波动峰峰值呈下降趋势。

图6 新风口压力变化波形图

图7 客室内压力变化波形图

图7是高速列车以相同速度350km/h通过4条不同长度隧道时客室内压力波形图，可以看出当列车通过隧道时，车内压力变化趋势与新风口压力变化趋势基本相同。由于换气系统风机作用，使客室内压力变化减小。图中标识为通过隧道3时客室内气压最大值和最小值，峰峰值计算公式为：Pmax-Pmin；3 s变化率计算方法：每3s内的气压最大值与最小值之差；1s变化率计算方法：每1s内的气压最大值与最小值之差。计算可得通过隧道1时峰峰值为138.6969Pa，最大3 s变化率为46.810 8Pa/（3 s)，最大1s变化率为28.3718Pa/s；通过隧道2时峰峰值为165.9149Pa，最大3s变化率为64.5688Pa/（3s)，最大1s变化率为28.4343Pa/s；通过隧道3时峰峰值为175.0299Pa，最大3s变化率为82.4891Pa/（3s)，最大1s变化率为47.3453Pa/s；通过隧道4时峰峰值为172.991 6Pa，最大3 s变化率为80.578 6（3 s)，最大1s变化率为38.1352Pa/s。可得出结论：当隧道超过一定长度时，随隧道长度的增加，客室内气压最大3s变化率、最大1s变化率以及峰峰值呈小幅下降趋势；对比远小于国内行业内部评价标准，压力舒适性达到满意程度。

高速列车进入隧道时由于外界环境的突变，新风口的压力产生复杂变化，从而导致进入客室新风量的变化，同时车内风速和温度也会产生相应的变化。高速列车通过4条隧道时，车内温度变化如图8所示，可得客室内温度变化在298～298.8K之间，温差＜2℃，温度范围在24～26℃之间，满足温度舒适性标准。高速列车通过4条隧道时，客室内风速变化如图9所示，风速均小于0.25m/s，其中通过隧道1时客室内风速变化幅度较大，但变化范围满足舒适性要求。

图8 客室内温度变化波形图

图9 客室内风速变化波形图

4 结束语

通过对高速空调列车通过4条不同长度隧道过程中的客室内的流场情况进行了仿真计算，得出以下结论：

1)高速列车通过隧道时，客室内部气压变化与新风口压力变化趋势一致。

2)列车以车速350 km/h通过不同长度隧道时，当隧道超过一定长度时，新风口压力波动峰峰值随隧道长度增加而呈明显下降趋势；客室内压力最大3s变化率、最大1s变化率以及峰峰值随隧道长度增加呈小幅下降趋势。

3)换气系统大压头风机能够有效抑制客室内的压力波动，空调系统的加热/制冷装置使车内温度在一定范围内，不会引起客室内司乘人员的不适。

4)本研究内容是在线路实车试验的基础上进行仿真计算，新风口的压力波动数据通过实测获取，验证了空调系统的工作性能。研究结果可以为高速列车空调系统的设计改进提供依据。

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图7 试验箱实时运行效果

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Study on air flow field of 350km/h high-speed train crossing through tunnels

CHEN Chunjun，JIANG Chuandong，LIU Yi
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The transient and incompressible 3D Navier-Stokes equation and realizable turbulent model were used for numerical calculation of the changes in air flow field as 350km/h high-speed trainspassed through different-length tunnels.An entire geometry modelwasbuiltforthe compartment and air-conditioning system of high-speed train in accordance with the effect of solar radiation and the heat caused by passengers upon the air flow field in the compartment.The results indicate that，when the tunnel exceeds a certain length，the peak to peak value of fresh air inlet pressure fluctuations show a clear downward trend as the tunnel is lengthened.The maximum change rate of the air pressure in the compartment in 3s and 1s and the peak to peak value were slightly reduced.The air fan of the ventilation system can inhibit the external pressure wave to reduce the pressure change in the compartment.The range of temperature in the compartment is from 298 K to 298.8 K，which is comfortable.The fluctuation in fresh air inlet may change the wind speed inside the compartment and the magnitudes of change are less than0.5m/s，meeting the requirement for comfort.

high-speed train；tunnel length；CFD；air-conditioning system；comfort

A

：1674-5124（2015）10-0085-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.019

2015-03-27；

：2015-05-08

国家自然科学基金项目（51475387)

陈春俊（1967-)，男，四川蒲江县人，教授，博导，研究方向为测控技术、列车空气动力学方向的研究。