高速列车过隧道时对接触网安全性的影响分析

王国志，孙海振，于兰英，柯　坚，吴文海

(西南交通大学机械工程学院，成都　610031)



高速列车过隧道时对接触网安全性的影响分析

王国志，孙海振，于兰英，柯坚，吴文海

(西南交通大学机械工程学院，成都610031)

为研究高速列车过隧道时对接触网系统安全性的影响，采用数值模拟的方法，利用滑移网格技术，对不同编组的高速列车以350 km/h的速度分别通过单线隧道和双线隧道的过程进行仿真，通过监测吊柱位置处的气流速度和气体压力，得到隧道内活塞风特性；基于气动特性仿真结果，对接触线风振响应进行模拟仿真，得到隧道内接触线位移偏量范围。结果表明，列车编组越多，隧道断面越小，列车车速越大，形成的列车风速度越大，气动特性越显著；列车进入隧道入口瞬间，接触线有最大正向位移偏量为2.92 mm。

高速列车；隧道；接触网;安全性;数值模拟；活塞风;风振响应

随着列车的提速，由于高速列车过隧道时产生的气动效应而引起的一系列问题也得到越来越多的关注和研究[1-5]。当高速列车由隧道外明线驶入隧道时，列车周围空间受到限制以及空气本身的可压缩性和黏性，列车周围的空气受到挤压，产生很大的压力波动，并且列车的运行会引起周围流场空气的运动，形成活塞风。一方面，隧道内瞬变压力会影响乘车舒适性和车辆的结构气动载荷，甚至隧道内产生的压力的波动会危及隧道内工作人员的安全；另一方面，气流速度的瞬变将会对隧道衬砌和隧道内接触网系统形成一定的冲击作用，反复的作用将会导致接触网零件的疲劳损伤和结构破坏，从而降低接触网寿命。因此，对高速列车过隧道过程的气动效应进行分析有着重要的现实意义[6]。

在高速列车通过隧道时，进行现场实时监测或实验室模拟的方法进行气动特性的研究不仅费用高，而且不能清晰地观察隧道内气体流态的变化，不能很好地掌握流场的性质。因此，结合列车空气动力学理论，通过数值模拟的方法，从弓网系统安全性的角度出发，对高速列车过隧道时引起的气动效应进行分析研究，为高速列车及隧道的设计提供参考。

1　数值计算

1.1计算方法

高速列车通过隧道引起的气流流动十分复杂，流场雷诺数大于，流动处于紊流状态即为湍流运动[7]，是一种高度复杂的三维运动、带漩涡的不规则流动，在紊流中，流体的各种参数，如温度、速度、压力等都随时间和空间发生随机变化，根据高速列车过隧道时流体的流动实际情况和计算条件的限制，选择采用Reynolds时均方程，结合k-ε两方程模型，利用滑移网格技术对不同工况下高速列车通过隧道时的气动现象进行CFD数值模拟，得到隧道内气体在监测位置处的速度特性和压力特性[8]；然后通过提取CFD仿真中接触线位置的气动特征，将风速转化为风载作用在接触线上，通过有限元的方法对接触线进行风振响应分析[9]。

1.2计算模型

本文列车模型分别取CRH380A 8车编组和CRH380AL 16车编组的高铁列车，其列车结构化网格模型如图1所示。

图1　列车过隧道模型

列车运行以350 km/h的速度通过隧道，断面面积分别取70 m2单线隧道断面和100 m2的双线隧道断面[10]，根据文献[11]，当隧道长度为列车长度的3.5倍时，隧道内气动效应对隧道产生最不利影响，仿真时隧道长度取710 m，其断面如图2和图3所示。

图2　70 m2单线隧道断面(单位：cm)

图3　100 m2双线隧道断面(单位：cm)

1.3计算区域

本文采用滑移网格技术[12]，将计算区域分成两个部分，移动区域和静止区域。移动区域为列车外边面及沿列车行驶前后部分，其余为静止区域。计算区域的边界条件如表1所示。

表1　计算区域边界条件

2　气动特性分析

为了研究高速列车过隧道时接触网系统的气动特性，以隧道内接触网吊柱位置为监测点，其监测位置分布如图4所示。

图4　计算区域(单位：m)

2.1速度特性

通过数值模拟仿真，分别得到8车编组和16车编组在不同隧道断面内运行时的沿列车运行方向的速度特性，并提取得到监测点A、B、C、D、E随列车运行时间变化的速度-时间曲线分别如图5、图6和图7所示。

图5　单线隧道断面吊柱处各监测点处的气流速度变化

图6　双线隧道断面吊柱处各监测点处的气流速度变化

图7　监测位置C点速度变化

由图5、图6吊柱位置处速度特性曲线，可以看出，列车未达到测点位置时，由于压缩波向列车运行方向传播，列车前方的吊柱受到与列车运行方向一致的压缩波的冲击；当列车到达隧道内测点时，测点的气流速度发生突变，且与列车运行速度相反，气流向隧道入口流动，当列车尾部到达隧道内测点之前，气流保持对吊柱的平稳冲击，气流速度基本不变，气流绝对速度达到最大；列车远离测点时，车体尾部发生气流的剧烈扰动形成涡旋，使气流绝对速度迅速降低，速度方向改变，并很快达到正向最大值，并趋于平稳，随列车向隧道出口流动。

通过观察每一个点的速度变化曲线，可以得到，每一个测点的突变波形保持一致，列车压迫车前气体形成压缩波，使压缩波向出口运动；列车刚进入隧道时和驶出隧道时，气流速度突变幅度比隧道中间各测点要大，沿接触线方向，从隧道入口到隧道出口，各吊柱位置处的气流绝对速度先增加后减小，在隧道入口和出口处，隧道内吊柱受到的冲击更大，隧道中间位置的悬挂系统零件受到的冲击相对较小；因此，在结构设计中应重点考虑入口和出口处的接触网悬挂系统零件的安全性。

图7描述了隧道中点C点的速度特性，通过比较8车编组和16车编组列车以相同速度通过100 m2双线隧道时C点的气流速度变化，可以看出，列车编组越多，列车风速度越大，负向绝对值越小，但列车编组越多，气流速度峰值区间内作用时间越长，峰值区间为列车通过测点的时间。相同编组的列车分别通过单线隧道和双线隧道时，在相同测点处，单线隧道内列车风速度突变较大，这是由于单线隧道断面面积较小，隧道内空间小，隧道内气体被压缩严重，导致列车前部压缩波和列车尾部的膨胀波扰动剧烈。由上述可知，适当增加列车编组和隧道截面积，有利于减小隧道内的气动效应。

2.2压力特性

吊柱位置监测点在列车运行时压力随时间变化的曲线如图8、图9、图10所示。

图8　单线隧道断面吊柱处各监测点处的压力变化

图9　双线隧道断面吊柱处各监测点处的压力变化

图10　监测位置C点压力变化

从监测点的压力曲线可以看出，列车进入隧道时，隧道入口处A点瞬变压力较B、C点小，这是因为隧道入口处气体受到几何空间限制小，列车刚进入隧道，一部分气体被排出隧道外，隧道入口处压力瞬变就相对较小；随着高速列车进入隧道，几何空间受到限制，以及空气本身的可压缩性和黏性使得空气不能及时、顺利的沿车体两侧和上部流动，从而使列车前方的气体受到压缩，将产生相当大的压力波动，产生一个正压区，形成车前压缩波，并以声速向前传播，因此各监测点的瞬变压力几乎同时达到最大，在列车完全进入隧道时，隧道内气体空间最小，隧道内的瞬变压力达到最大值。当车尾离开监测点时，车体上部原来被压缩的气体膨胀，车尾形成漩涡，监测点处压力骤降，出现一个负压区，形成膨胀波，向隧道出口传播，监测点的压力开始增加，并趋于大气压。

从压力曲线可以看出，由于气体间的黏性和摩擦作用，使得压缩波的能量损失，导致列车进入隧道时B、C、D、E点的瞬变压力逐渐减小；单线隧道的瞬变压力比双线隧道瞬变压力大，表明阻塞比对隧道内气动特性有显著影响。

3　接触线的位移偏量分析

由CFD仿真结果可知，在横向上，列车风速很小可以忽略接触线的横向偏移；在列车运行方向，尽管列车风速很大，但对接触线的轴向影响很小，所以本文只考虑接触线的竖直偏移量。接触线作为配电线路的同时又是受电弓的滑道，只有接触线不离开受电弓的工作范围，弓网系统才能正常运行。正值时，将接触线向上吹，作用力为气动升力。气动升力过大，有可能使接触线与受电弓脱离接触；为负值时，将接触线向下吹，使得受电弓与接触线之间的接触应力增大，增加了接触线的损耗，因此，对接触线的竖直方向的位移偏量的研究有着重要的现实意义[13]。

通过风振响应分析得到接触线的最大位移偏量为2.92 mm，最小偏移量为-2.03 mm，如图11所示，从图中可以看出，在列车进入隧道入口瞬间，接触线有最大位移偏量，隧道内其他位置测点的接触线位移偏移差别不大，接触线处于上下波动的状态，这是由于列车进入隧道瞬间，列车周围空间突变，而在隧道内车前压缩波和车尾膨胀波交替进行引起的。

图11风振响应位移偏量

4　结论

(1)隧道入口和出口处，速度突变较大，给接触网悬挂系统零件造成的冲击较严重，作用在零件上风压也越大，接触线位移偏量相对较大，向上最大位移偏量为2.92 mm，向下最大偏移量为2.03 mm。

(2)列车编组越多，形成的列车风速度越大，风速都与列车运行速度相反，对接触网悬挂系统的作用时间越长，作用时间为高速列车车头到达某一截面至车尾到达该截面的时间区间。

(3)相同车速下，隧道断面增加时，隧道内气流瞬变绝对速度较小，气动效应相对减弱，即阻塞比越小，隧道内气动效应越不明显。

(4)远离隧道口的地方，气流的绝对速度突变越来越小，应合理选择隧道内吊柱位置，尽可能远离隧道口。

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Analysis of Influences of High-speed Train Through the Tunnel on Catenary’s Safety

WANG Guo-zhi，SUN Hai-zhen，YU Lan-ying，KE Jian，WU Wen-hai

(School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

In order to study the influences on catenary’s safety by high-speed train passing through the tunnel，the numerical simulation method and the sliding mesh technology are used to simulate respectively the processes of different high-speed train combinations passing through single track tunnel and double track tunnel at the speed of 350 km/h.The characteristics of piston wind in the tunnel by are obtained monitoring the air velocity and air pressure at the davit.Based on aerodynamic performance simulation results，the wind-induced vibration response of the contact line is simulated to obtain the range of the aerodynamic noise and the contact line displacement.The results show that the speed of the train winds is increasing with the increase of the train length and train speed and the decrease of the tunnel section，the higher the train speed，the more remarkable the aerodynamic performance.The contact line has the maximum forward displacement of 2.92 mm the moment when the train enters the tunnel.

High-speed train; Tunnel; Catenary; Safety; Numerical simulation; Piston wind; Wind-induced vibration response

2016-03-22；

2016-04-06

王国志(1969—)，男，副教授，研究方向：隧道安全性研究、机电液一体化、铁路绝缘子清洗，E-mail：shzzhen@163.com。

1004-2954(2016)10-0118-04

U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.026