重联动车组通过隧道时气动性能研究

李爽，杨明智



重联动车组通过隧道时气动性能研究

李爽，杨明智

(中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)

为研究重联动车组通过隧道时重联区域对列车气动性能的影响，采用三维、可压和非定常N-S方程的数值计算方法，对重联动车组通过隧道时压缩波与膨胀波的传播特性，列车表面压力和隧道壁面压力变化特性进行研究。研究结果表明：数值计算与动模型试验相比，压力变化曲线吻合较好，幅值偏差不超过7%，重联区域前段流线型头部进入隧道，产生膨胀波，重联区域后段流线型头部进入隧道，产生压缩波，由于重联区域产生的膨胀波和压缩波之间的时间间隔短，导致膨胀效应和压缩效应相互抵消，车体表面和隧道壁面压力变化不显著，当重联区域经过隧道壁面测点时，重联区域车体表面压力变化影响隧道壁面压力变化，使隧道壁面测点压力产生先升后降的波动。

重联动车组；隧道；气动性能；压力变化

近年来，客流量剧增，重联动车组能在不改变开行密度情况下增加运力，因此重联动车组越来越被广泛地运用。相比于普通动车组，重联动车组长度更长，2节头车相联的方式也使得重联动车组列车中部产生一个U型凹槽。由于U型凹槽的存在，将导致列车中部横截面和纵截面的线型和面积显著改变，也会导致重联动车组周围流场结构相比于非重联动车组更加复杂，在此，本文研究重联动车组通过隧道时，重联区域(U型凹槽)对动车组气动性能的影响。国内外学者通过数值模拟，动模型实验，风洞实验和实车实验研究了动车组外形对动车组通过隧道时气动性能的影响。HUANG等[1]在详细研究圆形隧道断面和通风式隧道洞门基础上，提出一种实用的压缩波快速数值预报方法。HUANG等[2]应用动态分层法对地铁隧道列车引起的非定常气动特性进行数值模拟，研究车表面压力和气流速度在隧道内发展情况。Muñoz-Paniagua等[3]采用遗传算法，从减小最大压力梯度和气动阻力最小的2个角度优化了高速列车进入隧道时的列车头型。Rabani等[4]采用-RNG湍流模型对列车与隧道相互作用特性进行数值模拟，研究列车速度，通风井和隧道洞门对压力波、阻力和侧向力的影响，通风井和扩大式洞门能减少压力梯度约28%。王潇芹等[5]基于已研制的一维可压缩非定常不等熵流动和广义黎曼变量特征线数值计算程序，给出了CRH3高速列车单车通过隧道和2列车隧道交会过程中隧道内压力波和车外压力波的形成过程，分析同一编组上不同车厢内外压力和压差变化规律。基于上述讨论，罕有学者研究重联动车组通过隧道时的气动性能。本文对比非重联动车组和重联动车组通过隧道时波的传播规律，列车表面和隧道壁面压力变化规律，分析重联区域对列车气动性能的影响。

1 数值模拟

1.1 计算模型

为缩小网格计算规模，本文计算模型采用6车编组高速列车，列车模型见图1。为便于研究，6编组非重联动车组和重联动车组在长度上相同，动车组尺寸见图2。为便于计算区域的定义和描述，取列车高度为特征高度。模型从头车到尾车依次编号为头车，中车1，中车2，中车3，中车4，尾车。数值计算采用1:1的模型比例，车长和车高分别为150 m(40.5)和3.7 m(1)。车速为300 km/h。线间距为5 m。隧道净空面积70 m²，隧道长度为762 m。

(a) 非重联动车组；(b) 重联动车组

(a) 侧视图；(b) 正视图

1.2 计算区域和边界条件

为了真实模拟列车过隧道时车，地面和隧道的相对移动，选择列车头部距隧道入口50 m作为列车运行的起点。为保证流场的充分发展，减少壁面边界条件对流场结构的影响，隧道前后计算域方向长度82，方向宽度32，方向高度16，计算区域和边界条件见图3。给定高速列车运动边界条件，方向速度分量等于给定的列车速度，和方向速度分量等于0。流域两侧面、顶面和出口定义为压力出口。流域入口定义为压力入口。靠近隧道入口和隧道出口两端面定义为wall。车表面和地面定义为wall。压力入口和压力出口的参考压均为0 Pa。

图3 边界条件和计算区域的大小

1.3 计算网格

由于列车与隧道之间存在相对运动，为此，计算区域采用分区对接滑移网格技术，其中隧道和地面用六面体结构网格离散。由于车体及转向架等几何形状较为复杂，车体表面采用三角形网格离散，列车周围用四面体网格离散。为能够准确捕捉列车突入隧道时在隧道内产生的压力变化，列车头部，尾部和重联区域进行了加密处理。为体现物体的相对运动，在隧道壁面和列车周围间设置用于交换数据的公共滑移面。头车周围网格见图4，重联区域周围网格见图5。

图4 头车周围网格图

图5 重联区域周围网格图

1.4 数值算法

列车以一定运行速度通过隧道，周围流场具有强非定常性问题。列车进入隧道后，隧道内气体受隧道壁面和车体的强烈挤压，气体的压缩性需要被考虑。本文采用非定常、黏性、可压缩N-S方程和Standard−双方程湍流模型模拟列车过隧道过程。数值模拟采用ANSYS 6.3中的CFD模块—Fluent。采用SIMPLE算法处理压力和速度耦合方程。采用Quick格式处理对流项。采用二阶中心格式处理扩散项。采用具有二阶精度的隐格式计算时间项。每步迭代的物理时间是1×10−3s，每个时间步迭代50次。用Fluent中的UDF功能去监控和处理数据。

2 算法验证

采用动模型试验来验证数值模拟的结果，以提高算法和计算结果的可信性。这次动模型试验在中南大学轨道交通安全教育部重点实验室的动模型试验台进行。该试验系统是基于列车、隧道和线路等制作成缩比模型，通过弹射系统使高速列车缩比模型在模拟线路上高速运行，真实再现列车通过隧道的空气三维非定常流动现象。动模型试验采用的模型尺寸为数值计算的1/16.8，隧道净空面积为59 m²，列车模型采用3车编组，车速为300 km/h。在保证阻塞比一致的同时，高速列车与隧道壁面布点位置按比例与数值模拟计算完全一致。动模型试验中，列车表面监控点距离头车鼻尖点1.06 m，距离轨道顶面0.21 m；隧道壁面监控点距离隧道入口17.50 m，距离轨道顶面0.12 m。动模型试验中的车型和隧道断面见图6。

数值模拟和动模型试验的车体表面压力和隧道壁面压力变化曲线见图7。两者的波形图波动规律一致，仅幅值大小和幅值出现时间存在差异，并且差异小于7%，因此，本文所采用的数值算法是准确的，结果是可信的。

(a) 隧道模型；(b) 高速列车模型

(a) 车体表面压力；(b) 隧道壁面压力

3 结果和讨论

3.1 隧道内压力波传播规律

当动车组以300 km/h速度驶入隧道瞬间，气流受隧道壁面限制被剧烈压缩，压力剧增形成压缩波。尾车驶入隧道时，车尾处负压低于大气压，膨胀波产生。隧道入口和隧道出口都属于自由界面，根据波的传播和反射机理，膨胀波在自由界面反射后变为压缩波，压缩波在自由界面反射后变为膨胀波。压缩波和膨胀波在隧道内均以当地音速传播，并在隧道洞口被反射回隧道内。当压缩波或膨胀波在某时刻到达车体表面和隧道壁面测点位置时，将造成车体表面和隧道壁面的压力上升或下降。

图8所示为动车组头车测点(P5)压力变换过程与马赫波传播关系(测点距离头车鼻尖点7.4 m，距离轨道顶面2.4 m)。测点压力上升或下降的时间转折点，用序号a1~a12表示。C表示压缩波，E表示膨胀波。压缩波和膨胀波按被隧道出入口反射时刻排序，用C1~C5，E1~E5表示。由于重联区域两流线型头部相距较近，导致前段流线型头部经过隧道入口产生的膨胀波与后段流线型头部经过隧道入口产生的压缩波在时间节点上相距很近，因此统一用字母M(直线)表示重联区域产生的膨胀波和压缩波。

(a) 马赫波传播图；(b) 列车表面测点压力变化历程

当动车组头车进入隧道瞬间，压力剧增形成初始压缩波(C1)。由于初始压缩波(C1)影响，车体表面压力在a1时刻开始上升。尾车进入隧道引起初始膨胀波(E2)，导致车体表面压力在a3时刻下降。头车引起的压缩波经隧道出口反射形成膨胀波(E1)，膨胀波(E1)在a4时刻到达列车表面测点，压力继续下降。初始膨胀波经反隧道出口反射形成的压缩波(C2)在a6时刻到达列车表面测点，压力开始上升。初始压缩波经隧道出入口2次反射，在a7时刻以压缩波(C3)形式再次遇到列车表面测点，压力继续上升。初始压缩波经过隧道出入口3次反射形成的膨胀波(E3)在a9时刻到达列车表面测点，压力下降。a11时刻压力继续下降，主要是由于初始膨胀波经过隧道出入口2次反射形成的膨胀波(E4)到达车体表面测点引起的。初始膨胀波经过隧道出入口3次反射形成的压缩波(C4)到达列车表面测点，使得压力在a12时刻开始上升。直到动车组出隧道以后，车体表面压力恢复到进入隧道之前 状态。

由于重联区域外形突变产生的车体表面压力变化差异主要在b1，b2，b3和b4 4个区域。当重联区域前段流线型头部经过隧道入口产生的膨胀波(M1)在a2时刻到达测点时，车体表面压力下降。当重联区域后段流线型头部经过隧道入口时，隧道内产生压缩波(M2)，车体表面压力又开始上升，使得重联动车组车体表面压力在b1区域有先下降后上升的波动。前段流线型头部产生的膨胀波(M1)经隧道出口反射形成的压缩波(M2)在时间上先于后段流线型产生的压缩波(M1)经隧道出口反射形成的膨胀波(M2)到达车身表面测点，使得车体表面压力在b2区域有先上升后下降的波动。膨胀波(M1)经隧道出入口2次反射形成的膨胀波(M3)在a8时刻到达测点时，车体表面压力继续下降。压缩波(M1)经隧道出入口2次反射形成的压缩波(M3)到达测点时，测点压力上升。又由于初始压缩波(C1)经3次反射形成的膨胀波(E3)与压缩波(M3)几乎在同一时间到达测点，并且压缩波(M3)的波强度要小于膨胀波(E3)，所以车体表面压力在b3区域一直下降。膨胀波(M1)经隧道出入口3次反射形成的压缩波(M4)，在a10时刻到达测点，使得车体表面压力上升。压缩波(M1)经隧道出入口3次反射形成的膨胀波(M4)使得车体表面压力下降，因此，车体表面压力在b4区域有先上升后下降的波动。

图9所示为隧道壁面测点压力变换过程与马赫波的传播关系(测点距离隧道入口667.0 m，距离轨道顶面2.0 m)。测点压力上升或下降的时间转折点，用序号d1~d14表示。压缩波和膨胀波表示方式与图8相同。

(a) 马赫波传播图；(b) 隧道壁面测点压力变化历程

动车组头车进入隧道引起的压缩波、动车组尾车进入隧道引起的膨胀波以及压缩波与膨胀波在隧道出入口反射形成的膨胀波和压缩波，到达隧道壁面测点位置时，将造成测点压力上升或下降。由于压缩波和膨胀波到达隧道壁面测点的时刻与到达车体表面测点的时刻不同，所以隧道壁面测点压力上升或下降的时刻与车体表面测点不同。隧道壁面测点压力在d1，d6，d7，d12和d13时刻上升，在d2，d5，d8和d11时刻下降。

由于重联区域外形突变产生的隧道壁面测点压力变化差异主要位于f1，f2和f3 3个区域。当重联区域前段流线型头部经过隧道入口产生膨胀波(M1)，在d3时刻到达测点，使得隧道壁面压力下降。重联区域后段流线型头部经过隧道入口产生压缩波(M1)使得隧道壁面压力又开始上升，因此，隧道壁面压力在f1区域首先产生一个先下降后上升的波动。膨胀波(M1)经隧道出口反射形成的压缩波(M2)先于压缩波经隧道出口反射形成的膨胀波(M2)到达车身表面测点，隧道壁面压力在f1区域又产生一个先上升后下降的波动。因此，表示重联动车组的隧道壁面压力曲线在f1区域共产生2个压力波动，第1个先下降后上升的波动，第2个先上升后下降的波动。在d9时刻，膨胀波(M1)经隧道出入口2次反射形成的膨胀波(M3)到达测点，使得隧道壁面压力下降。压缩波(M1)经隧道出入口2次反射形成的压缩波(M3)到达测点时，测点压力上升，因此，隧道壁面压力在f2区域首先产生一个先下降后上升的波动。膨胀波(M1)经隧道出入口3次反射形成的压缩波(M4)，在d10时刻到达测点，使得测点压力上升。压缩波(M1)经3次反射形成的膨胀波(M4)到达测点时，测点压力下降。因此f2区域同f1区域一样，表示重联动车组的隧道壁面压力曲线共产生2个压力波动，第1个先下降后上升的波动，第2个先上升后下降的波动。

f3区域压力变化差异并非由重联区域产生的膨胀波或压缩波导致的。重联区域经过隧道壁面测点时动车组周围流场压力分布的侧视图见图10。重联区域和非重联动车组对应区域周围压力分布的侧视图，俯视图和斜视图见图11。从图可知，当重联区域到达隧道壁面测点时，重联车钩及其与司机室之间区域的正压值较大。重联区域车体表面压力变化会对隧道壁面压力变化产生影响，导致隧道壁面测点压力有小幅上升。当重联区域驶离隧道壁面测点位置后，重联区域车体表面压力变化不再对隧道壁面压力变化产生影响，导致隧道壁面测点压力下降。重联区域经过隧道壁面测点时引起的压力波动与重联区域侧面压力曲线(见图12)叠加在非重联动车组相应位置的隧道壁面测点压力曲线上，产生的波动相同。因此表示重联动车组的隧道壁面压力曲线在f3区域产生先上升后下降的波动。

(a)，(b)，(c) 非重联动车组；(d)，(e)，(f) 重联动车组

(a) 非重联动车组；(b) 重联动车组

图12 明线运行时重联区域z=2.0 m车体侧截面的压力分布

3.2 列车表面压力变化

重联区域测点布置见图13。重联区域测点压力变化时间曲线见图14。重联动车组在隧道中运行时重联区域流线见图15。重联动车组动车组通过隧道过程中，图15中流线L3在T29测点位置偏折，由下降趋势变为上升趋势。流线L1也在T29测点位置偏折，由向内趋势变为向外趋势。因此绕流流过T29测点位置时，形成局部正压区。从图14可知，T29测点压力曲线基本位于正压区波动，其印证了T29测点区域形成局部正压区的结论。T26和T31 2个测点压力曲线都位于压力值为0直线下方且波动规律一致，压力幅值差异较小，T27，T28和T30测点压力曲线在正负值之间波动，波动规律一致，幅值差异较大，说明除T29测点区域外，T26至T31测点之间区域的列车表面压力在正负值区间波动。T26和T31测点区域的两端，列车表面压力在负值区间波动。

单位：cm

图14 重联区域测点压力变化历程

图15 重联区域流线图

列车表面压力分布见图16，L代表车长，代表测点距头车鼻尖点距离。重联区域对max的影响主要集中在中车2和中车3，最大能使中车3max下降40%，对头车和中车1的影响很小。重联区域对min的影响主要集中在中车2，中车3，中车4和尾车。重联区域min波动较为剧烈。重联区域对Δ的影响主要集中在中车3和中车4，最大能使中车4的Δ降低4%。max，min和Δ沿车长方向(头车至尾车)呈下降趋势。

图16 列车表面压力分布图

3.3 隧道壁面压力变化

隧道壁面压力分布见图17，L代表隧道长度，代表测点距隧道入口距离。相比于非重联动车组，重联动车组通过隧道时导致隧道壁面压力的max，min和Δ都要更小些。这主要是因为重联区域进入隧道时产生了膨胀波和压缩波，并且压缩波和膨胀波经隧道出入口反射回隧道内，并在隧道内传播。重联区域对隧道入口段(0.1L−0.3L)和出口段(0.8L−1.0L)的max，min和Δ影响比较小，对隧道中部(0.4L−0.6L)的max和Δ影响比较大。

图17 隧道壁面压力分布图

4 结论

1) 重联区域前段流线型头部进入隧道后，隧道内产生膨胀波，使车体表面和隧道壁面压力下降。重联区域后段流线型头部进入隧道后，隧道内产生压缩波，使车体表面和隧道壁面压力上升。重联区域产生的压缩波和膨胀波在隧道内传播，并在隧道洞口被反射回隧道内，增加了列车表面和隧道壁面的压力波动。由于重联产生的膨胀波和压缩波之间的时间间隔小，导致膨胀效应和压缩效应相互抵消，车体表面和隧道壁面的压力变化不显著。

2) 重联动车组通过隧道全程，重联区域后段流线型头部的司机室与车钩之间位置(T29测点位置)形成局部正压区。重联区域的2司机室顶端位置(T26和T31测点位置)之间，除局部正压区以外的区域，压力值在正负值之间波动。2司机室顶端位置的两端，列车表面压力在负值区间波动。重联区域经过隧道壁面测点时，由于重联区域车体表面压力变化对隧道壁面压力变化的影响，测点压力产生小幅波动(先上升后下降)。

3) 重联区域对头车和中车1的max，min和Δ的影响较小，对中车3，中车4和尾车表面max，min和Δ影响比较大。最大能使中车3的max下降40%，最大能使中车4的Δ降低4%。max，min和Δ沿车长方向(头车至尾车)呈下降趋势。隧道壁面max，min和Δ受重联区域影响而降低。重联区域对隧道中部(0.4L−0.6L)的max和Δ影响比较大。重联区域对隧道壁面测点压力影响小于对车体表面测点压力的影响。

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Study on the aerodynamic performance of a couple multiple units high-speed train entering into a tunnel

LI Shuang, YANG Mingzhi

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to study how the coupling region affects aerodynamic performance of the couple multiple units trains when they go through a tunnel, based on unsteady N-S equation of three-dimensional and compressible viscous fluid, transient pressure propagation over time and the pressure on the vehicle body and tunnel were simulated. The results show that the calculated results agree with those of the experimental model. The switch of pressure curves attained by two methods are accorded completely, and amplitude merely presented difference is only about 7%. When the first streamline head on coupling region entering into a tunnel, the expansion wave occurred. When the second streamline head on coupling region entering into a tunnel, the compression wave occurred. Due to the short time interval between the expansion wave and the compression wave generated in coupling region, the effect of expansion and compression cancel out, and the pressure on the vehicle body surface and the tunnel wall surface is insignificant. When the coupling region passing through the monitor point of the tunnel wall, the pressure change on surface of the vehicle body surface effect the pressure change on tunnel wall, so the pressure of monitor point on tunnel wall lead fluctuation of first rising and last declining.

couple multiple units; tunnel; aerodynamic performance; pressure change

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.01.003

U271.91

A

1672 − 7029(2019)01 − 0016 − 09

2017−12−29

国家重点研发计划项目(2016YFB1200602-11，2016YFB1200602-12)

杨明智(1972−)，男，湖南望城人，副教授，从事空气动力学研究；E−mail：yqyymz@126.com

(编辑 阳丽霞)