套衬对隧道空气动力学效应的影响研究

李红梅，刘磊，白鑫，孙丽霞，宣言，刘堂红

(1.中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京100081;2.中南大学，湖南长沙430074)

套衬对隧道空气动力学效应的影响研究

李红梅1，刘磊1，白鑫1，孙丽霞1，宣言1，刘堂红2

(1.中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京100081;2.中南大学，湖南长沙430074)

基于有限体积法，采用流体动力学计算软件建立动车组通过带有套衬隧道的空气动力学模型，运用滑移网格技术数值模拟了动车组通过隧道时的三维非定常可压缩外流场，分析套衬位置和厚度对车体表面、隧道壁面压力的影响，并与试验结果进行了对比。研究结果表明:套衬位于隧道入口时，车体表面压力变化最大，比无套衬时增加6.58%，套衬位于隧道出口时，车体表面的压力变化最小;套衬位置对隧道内压力分布规律影响较小，隧道壁面压力变化最大值均出现在距进口1 492 m附近，套衬位于隧道入口时，大多数监测点的压力均最大，套衬位于隧道出口时，隧道壁面大多数监测点的压力相对较小;相对于无套衬时，压力变化最大值增幅为2.44%，降幅可达2.03%;随着套衬厚度的增加，隧道壁面、车体表面压力变化最大值不断增加，比无套衬时分别增加约4.39%和7.90%。

高速铁路 隧道 套衬 数值模拟 压力变化最大值

铁路隧道由于地质、气候等原因产生结构变形、开裂、错台、渗漏水从而威胁到列车安全运营时，一种处理措施是在隧道内增设套衬［1］。隧道增设套衬后有效净空面积减小且突变，会影响动车组高速通过隧道和在隧道内交会时的空气动力学效应，使车体表面和隧道内的气动特性发生变化，旅客乘坐舒适性和列车运行安全受到影响。不同速度等级、隧道长度、缓冲结构等因素对隧道空气动力学效应的影响已有大量研究［2-8］，但是目前尚缺乏隧道增设套衬后的空气动力学效应的研究。本文基于有限体积法，采用计算流体动力学(CFD)软件，建立了高速列车通过隧道的空气动力学模型，运用滑移网格技术数值模拟了高速列车通过套衬后隧道内的三维外流场，并结合实车试验，获得了隧道增设套衬对其空气动力学效应的影响，研究了高速列车空气动力学效应随套衬位置、套衬厚度等因素的变化规律。

1 计算模型

采用流体动力学计算软件FLUENT进行数值模拟。FLUENT基于有限体积法，有限体积法将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积，将待解的微分方程对每一个控制体积积分，得出一组离散方程［9］。

动车组高速通过隧道的计算过程属于大区域变形，对于大区域变形运动，采用CFD的滑移网格技术。在动车组运行的过程中，必须根据动车组的运动对网格不断地作相应的调整。在每一时间步，需要及时给CFD计算提供信息，使用滑移网格来适应列车运动的物面。因此将计算域分为5部分，分别为车体、车前部分、车后部分、隧道部分、隧道外延部分。

计算介质选用可压缩空气，其常态下的密度取为1.185 kg/m3，热膨胀系数取为0.003 356 m/K，比热容取为1.004 4 kJ/(kg·K)。

1.1 计算模型

建模选用CRH2型动车组，采用8辆编组，总长度、宽度、高度分别为201，3.38和3.70 m。在不改变列车横截面面积、车头纵向长度的情况下，对车头形状、受电弓等进行了简化。

隧道长度为1 907 m，进口为普通结构，出口为斜切帽檐式结构，进出口均设置封闭开孔段(长度为3 m，距端头15 m)，出口设置长度为10 m的斜切段缓冲结构。隧道内轮廓均采用单洞双线断面，净空有效面积100 m2，双线隧道左右线间距5.0 m。套衬段增设钢筋混凝土套拱，设于隧道既有内轮廓内缘。增设套拱段两端采用渐变方式过渡，与未设套拱段连接，厚度30 cm，长度89 m，距离隧道进口675 m。增设套衬段隧道有效净空面积由原来的100 m2变为92.87 m2。隧道进出口模型如图1所示。

图1 隧道进出口模型示意

1．2计算网格

列车通过隧道引起的流场变化属于非定常问题，为模拟列车与隧道、列车与列车之间的相对运动，计算区域采用分区对接网格技术。隧道和地面用六面体结构化网格离散;列车因具有三维自由曲面外形，用四面体非结构化网格离散。各分区之间的数据交换通过公共滑移界面进行。

1．3边界条件

在隧道空气动力学计算模型中需要指定的边界条件包括速度边界、开放出口边界和壁面边界。边界的设置如下:根据列车速度设置不同的速度边界;开放出口边界选择压力出口边界，出口和大气相通;列车壁面、轨道壁面、隧道壁面、套衬壁面等设置为固定壁面，无滑移，靠近壁面处的流体速度为0。

2 计算结果验证

由于隧道内波系非常复杂，而仿真计算的结果与计算网格的质量、选择格式的精度、湍流模型等因素紧密相关，因此，在进行仿真计算前，需要验证所采用计算方法的准确性。

相同工况条件下，将仿真计算的结果和实车试验结果进行了对比分析，如表1所示。可知，仿真计算和实车试验的车外压力变化最大值、套衬测点压力变化最大值吻合得比较好，大部分误差在5%以内，少数测点误差稍大一些，但不超过10%。

表1CRH2C重联动车组仿真计算和实车试验结果比较

3 计算结果分析

在隧道净空面积、隧道长度、动车组车速(300 km/h)不变的情况下，交会位置在隧道中心，无套衬、套衬分别位于隧道入口、1/4处、1/2处、2/3处、出口，套衬厚度分别为200，250，300，350，400，500 mm时，总共计算12种工况，分析如下。

1)套衬位置的影响分析

当套衬(厚度300 mm，长度89 m)位于隧道不同部位时车体表面所受压力变化最大值如图2所示。图中以列车鼻尖为起点，高度不变，沿着车体表面纵向均布12个监测点。

图2 车体表面部分监测点压力变化最大值

由图2可知，车体表面的压力变化最大值在套衬位于隧道入口时最大，在套衬位于隧道出口时最小。

套衬位于隧道不同部位时动车组鼻尖处压力变化最大值如表2所示，表中相对增幅是对无套衬而言。

表2 动车组鼻尖表面压力变化最大值

由表2可知，套衬位于隧道入口时，车体表面压力变化最大，最大值比无套衬时增加6.58%;套衬位于其他部位时，最大压力变化最大值相差不超过3%，规律性不强。这与列车运行速度、隧道长度等因素引起的压力传播及反射复杂波系有关。

套衬位于隧道不同部位时隧道壁面所受的压力变化最大值如图3所示。图中以隧道入口为起点，高度1.2 m，沿着隧道纵向不同距离处设置监测点。

图3 隧道壁面压力变化最大值

由图3可知:隧道壁面压力变化最大值均出现在距进口1 492 m附近;套衬位置并没有影响隧道内压力分布规律，套衬位于隧道入口时，大多数监测点的压力均最大，套衬位于隧道出口时，隧道壁面大多数监测点压力相对较小。

距隧道入口1 492 m处隧道壁面压力变化最大值如表3所示。

表3 距隧道入口1 492 m处壁面压力变化最大值

由表3可知，隧道内压力变化差异比较明显，最大增幅为2.44%，降幅可达2.03%。

2)套衬厚度的影响分析

当套衬位于隧道入口，长度为89 m，厚度分别为200，300，400，500 mm时，车体表面监测点压力变化最大值如图4所示。

图4 车体表面监测点压力变化最大值

由图4可知，车体表面压力变化最大值随着套衬厚度的增加不断增加，套衬厚度500 mm时车体表面压力变化最大。

动车组鼻尖处压力变化最大值如表4所示。

表4 动车组鼻尖表面压力变化最大值随套衬厚度的变化

由表4可知，车体表面监测点压力变化最大值相对于无套衬时最大增加约7.90%。

套衬厚度分别为200，300，400，500 mm时，隧道壁面监控点压力变化最大值计算结果如图5所示。

图5 隧道壁面压力变化最大值

由图5可知，隧道壁面压力变化最大值随着套衬厚度的增加不断增加，套衬厚度500 mm时隧道壁面压力变化最大。

当套衬位于隧道入口，距入口1 492 m处隧道壁面压力变化最大值如表5所示。

表5 距入口1 492 m处隧道壁面压力变化最大值随套衬厚度的变化

由表5可知，套衬位于隧道入口，套衬厚度分别为200，300，400，500 mm时，随着套衬厚度的增加，隧道壁面压力变化最大值不断增大，相对于无套衬时，最大增加约4.39%。

4 结论

本文采用流体动力学计算软件建立了CRH2型动车组通过增设套衬隧道的空气动力学模型，研究分析了套衬位置和厚度对列车车体表面及隧道壁面压力变化最大值的影响，主要结论如下:

1)仿真计算与试验结果两者偏差在10%以内，表明本次计算采用参数合理、模型正确。该模型能精确模拟动车组通过隧道时的三维外流场。

2)套衬位于隧道入口时动车组车体表面的压力变化最大，套衬位于隧道出口时车体表面的压力变化最小。

3)套衬位于隧道入口时车体表面压力变化最大值比无套衬时增加6.58%;套衬位于其他位置时，压力变化最大值相差不超过3%。

4)套衬位置对隧道内压力分布规律影响较小，隧道壁面压力最大值均出现在距进口1 492 m附近，套衬位于隧道入口时，隧道壁面大多数监测点的压力均最大，套衬位于隧道出口时，大多数监测点压力相对较小。相对于无套衬时，压力变化最大值增幅为2.44%，降幅可达2.03%。

5)随着套衬厚度的增加，隧道壁面、车体表面监测点压力变化最大值不断增大，相对于无套衬时，分别增加4.39%和7.90%。

［1］吴治家.套衬技术在隧道病害整治工程中的应用［J］.铁道建筑技术，2011(11):31-33.

［2］骆建军，姬海东.高速列车进入有缓冲结构隧道的压力变化研究［J］.铁道学报，2011，33(9):114-118.

［3］李炎，高孟理，周鸣镝，等.铁路隧道列车活塞风的理论研究与计算方法的探讨［J］.铁道学报，2010，32(6):140-145.

［4］李炎，周鸣镝，张健.铁路隧道内车头绕流阻力系数的确定［J］.兰州交通大学学报，2012，31(3):75-78.

［5］戴国平.英法海峡隧道空气动力学及通风系统介绍［J］.铁道建筑，2001(1):3-6.

［6］赵文成，朱丹，肖明清.越江铁路隧道空气动力学效应的数值模拟［J］.铁道建筑，2007(12):42-44.

［7］琚娟，高波.高速铁路隧道内空气流场的流动显示［J］.铁道建筑，2013(10):50-52.

［8］王英学，高波.高速列车进出隧道空气动力学研究的新进展［J］.中国铁道科学，2003，24(2):83-88.

［9］傅德薰，马延文.计算流体力学［M］.北京:高等教育出版社，2004.

Research on influence of added lining on aerodynamics effect in tunnel

LI Hongmei1，LIU Lei1，BAI Xin1，SUN Lixia1，XUAN Yan1，LIU Tanghong2
(1.Research＆Development Center of Railway Sciences and Technologies，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Central South University，Changsha Hunan 430074，China)

T he aerodynamic model of EM U(Electric M utiple Units)passing tunnel with added lining was established based on the finite volume method by computational fluid dynamics software.T he 3D unsteady compressible flow field of the model was simulated by applying dynamic mesh technology.Influence of location and thickness of added lining on pressure on train body and lining surface was analyzed，and was compared with test results.T he research results show that when added lining is located at tunnel entrance，pressure on train body is maximum，and is increased by 6.58%relative to tunnel without added lining.W hen added lining is located at tunnel exit，pressure on train body is minimum.T he location of added lining has a little influence on the distribution law of pressure in tunnel.T he maximum pressure fluctuation on lining is appeared at the location 1 492 m from tunnel entrance. Pressures on most monitory points are maximum while added lining is located at tunnel entrance，and are smaller while added lining is located at tunnel exit.T he maximum pressure fluctuation is increased by 2.44%or decreased by 2.03%.M aximum pressure fluctuations on train body and lining surface increase with the increasing of added lining thickness.M aximum pressure fluctuation on train body is increased by 4.39%，and that on lining surfuce is increased by 7.90%relate to tunnel without added lining.

High speed railway;T unnel;Added lining;Numerical simulation;M aximum pressure fluctuation

U451+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.18

1003-1995(2015)12-0066-04

(责任审编李付军)

2015-06-17;

2015-11-02

中国铁路总公司科研试验专项(Z2013-040);国家铁路局科技研究计划项目(KF2014-042)

李红梅(1984—)，女，助理研究员，博士。