基于阻力系数法的铁路隧道活塞风速计算理论对比_曾艳华.pdf

第 43卷第 1期2023年 2月防灾减灾工程学报Journal of Disaster Prevention and Mitigation EngineeringVol.43 No.1Feb.2023基于阻力系数法的铁路隧道活塞风速计算理论对比曾艳华，杨桂畅，陶亮亮，罗明睿（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031）摘要:活塞风对铁路隧道通风及隧道环境控制（热害和冻害）影响重大，可靠地计算活塞风速大小是解决有关活塞风安全问题的关键。首先修正了 规范 中活塞风作用系数的计算方法，其次对比分析了不同活塞风作用系数计算方法，最后基于数值模拟及现场测试结果，对比测试值、模拟值、不同理论计算值之间的差异。结果表明：定值法与规范 法的计算结果相近，且这 2种计算方法得到的活塞风速要远高于其他的计算方法。隧道断面对定值法和 规范 法的计算结果影响不大，但对 规范 修正法影响显著。规范 修正法及依杰里奇克法得到的计算结果均高于数值模拟及测试结果，依杰里奇克法误差较小（最大不超过 33%），而 规范 修正法的最大误差高达 65%。关键词:铁路隧道；活塞风；阻力系数；列车速度；隧道长度中图分类号:X951 文献标识码:A 文章编号:16722132(2023)01011408Theoretical Comparison of Piston Wind Speed Calculation in Railroad Tunnels based on Drag Coefficient MethodZENG Yanhua，YANG Guichang，TAO Liangliang，LUO Mingrui(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Ministry of Education,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)Abstract:Piston wind has a great influence on ventilation and environmental control of railway tunnels（such as heat damage and freezing damage）.Therefore，the reliable calculation of piston wind is crucial to solve the safety problem associated with piston wind.Firstly，the calculation method of the piston wind action coefficient in the standard was improved.Secondly，different calculation methods of piston wind action coefficients were compared and analyzed.Finally，based on numerical simulation and field test results，the differences between the test data，simulation results，and theoretical calculation values were compared.The results show that the calculation results of the fixed value method are similar to those of the code method，and the piston wind speed obtained by these two calculation methods is much higher than that of other calculation methods.Tunnel cross-section has little effect on the calculation results of the fixed value method and the code method，but has a significant effect on the code correction method.The piston wind speed calculated by the code correction method and the DOI：10.13409/ki.jdpme.20220910001收稿日期：2022-09-10；修回日期：2022-12-29基金项目：国家自然科学基金（51278426）资助作者简介：曾艳华(1968),女，教授，博士。主要从事隧道通风与防灾方面的研究。E-mail:通讯作者：陶亮亮(1995)，男，博士研究生。主要研究方向为隧道通风与防灾。E-mail:114 method are higher than the numerical simulation and test results，but the error of the method is small（the maximum is no more than 33%），and the maximum error of the code correction method is as high as 65%.Keywords:railway tunnel；pistonwind；resistance coefficient；train speed；tunnel length0 引 言列车在隧道中运行时，车头排开列车前方的空气，推动车头前方空气向前流动，而车尾由于排开空气后处于负压区，故新鲜风将从列车后方洞口被吸入隧道，这种列车在隧道中行驶而带动隧道内空气流动的作用就是列车的活塞效应。随着西部开发建设的步伐不断前进，各类基础工程随之兴建。由于西部山区地形艰险、地质条件复杂，山区多，高差大，河谷发育，长大铁路隧道众多。而活塞风与隧道通风、寒区隧道抗防冻、高地温隧道热害防治等问题密不可分。目前已有很多学者关于活塞风问题进行了理论研究。L.L.Tao等1通过建立围岩三维非稳态传热模型，研究分析了寒区隧道活塞风与抗防冻长度的关系；高焱等2研究得到了列车活塞风影响下寒区隧道温度场的解析解，并计算分析了不同行车速度及行车频率下对隧道内温度场和设防长度的影响；白赟3通过数值模拟与模型试验手段，对着火列车驶入救援站的活塞风-火灾耦合特性进行研究分析，为长大铁路隧道发生火灾时的人员疏散救援提供了指导；王明年等4采用数值模拟软件 Fluent对城际着火列车驶入地下车站开展数值模拟，分析活塞风对地下车站的排烟效果的影响；刘敏章5结合数学模型与模型试验的方法，研究了特长隧道中多辆列车共同行驶时的活塞风特性，为隧道内火灾控制提供借鉴；杨晖等6采用 CFD（计算流体力学）方法开展活塞风对地铁隧道内烟气扩散特性进行模拟研究；M.Z.Liu7通过分析国内众多城市利用地铁隧道活塞风的通风节能效应，得到了降低地铁通风系统能耗的最佳活塞风速。陈超等8采用 Fluent动网格模型模拟地铁隧道不同风井设置模式和设置位置，得出基于活塞风下的地铁隧道风井设置优化方法，以降低通风能耗；马江燕等9研究分析了站台门风口开启面积、活塞风阀开启面积、行车周期、等多因素下活塞风对地铁车站的影响特性，为地铁环控系统设计和活塞风的利用提供理论基础；杨鑫泽10借助数值模拟与现场实测资料，通过活塞风与地铁新型站台门系统之间的相互配合，合理利用活塞风从而达到减低车站通风系统能耗的效果。因此，活塞风对于寒区隧道抗防冻、隧道火灾人员疏散和烟气控制、降低通风系统能耗等方面具有重要作用。活塞风速的理论计算又是研究活塞效应的关键一环。阻力系数法计算理论是基于金学易的活塞风速理论计算公式上而得，该理论计算公式具有简单明了，逻辑性较好，工程适应性强等优点，因此在铁路隧道工程中被广泛使用。活塞作用系数K则是影响阻力系数法计算结果的关键因素之一，而该值又由列车作用系数 N决定。目前该系数主要有如下三种计算方法：（1）金学易理论计算公式中给出的一列车作用系数经验定值，N=86 10-4 m-111；（2）铁路隧道运营通风设计规范12（下文简称 规范）中的列车作用系数推荐公式；（3）前苏联学者依杰 里 奇 克 直 接 给 出 的 活 塞 作 用 系 数K的 计 算公式13。但这些计算方法都存在一些需要解决的问题或缺陷，如定值法是在列车速度、隧道断面积、隧道长度均较小的测量条件下所得，且当时的隧道施工条件和质量与如今的隧道施工水平已有较大差距，因此该列车作用系数取值对如今隧道情况可能已不再适用。为了探究这些活塞风速计算方法之间的区别，本文对 规范 中的活塞风速计算方法进行了修正，并基于理论计算、数值模拟及现场测试结果，对比了不同计算方法对活塞风速的影响，以期寻求最合理的活塞风速计算方法来指导铁路隧道工程实践。1 活塞风速计算理论规范 中非恒定流理论活塞风速计算公式如下：v=-2AC+2ACetB2+4ACC()B+B2+4AC-C()B-B2+4ACetB2+4AC(1)115其中，A=Kv20-nv2n2(l+l0/1-)，B=-Kv02(l+l0/1-)，C=()K-l2(l+l0/1-)式中，K为活塞作用系数，K=Nl0/(1-)2；N为列车作用系数（/m）；h为环状空间阻力系数；dh环状空间当量直径（m）；n为隧道总阻力系数，n=1.5+(l/d)；l为除环状空间外隧道阻力系数，l=1.5+(l-l0)/d；l为隧道长度（m）；d为隧道当量直径（m）；l0为列车长度（m）；为阻塞比；vn为自然风速（m/s）；v0为列车速度（m/s）。前文已表明若需计算活塞作用系数 K，需得求得列车阻力系数 N。列车阻力系数 N的含义为单位长度列车的阻力系数。查阅相关文献可知，求解活塞作用系数的方法主要有三种。首先是 规范 中给出了列车阻力系数N的计算公式：N=1l0(0.8072-1.322+1.008+hl0dh)(2)气流从列车前方隧道进入环状空间时有进口局部（阻力系数为1）、气流从环状空间进入后方隧道时也有出口局部阻力（阻力系数为2），即列车阻力系数N可根据以下公式计算：1+hl0dh+2=Nl0(3)将气流从隧道进入环状空间的进口局部阻力系数1简化为气流在断面突缩时的局部阻力系数；将气流从环状空间进入后方隧道的出口局部阻力系数2简化为气流在断面突扩时的局部阻力系数。断面突缩、突扩的局部阻力系数1、2与断面积关系见表 112。根据表 1 中的数据采用多项式拟合，即可得到进口局部阻力系数1与（f/F）的函数关系式，如下：1=-0.192(fF)2-0.293 8fF+0.493 9(4)在列车环状空间区域中，f对应为环状空间断面积，F对应隧道断面积，即：fF=A-A0A=1-(5)代入得式（4）有：1=-0.1922+0.677 8+0.008(6)同理，出口局部阻力系数为：2=(1-fF)2=(1-)2=1-2+2(7)将1、2代入式（3）得：N=1l0(0.8082-1.322 2+1.008+hl0dh)(8)式（8）与 规范 中所给列车阻力系数计算公式已十分接近，仅存在极细微差异。由上述推导过程可知，在断面突然扩大时得局部阻力系数2推导过程中存在错误：即直接将f/F看作是隧道阻塞比，实际上出口局部阻力系数应如下：2修=(1-fF)2=(1-A-A0A)2=2(9)将1、2修代 入 式（3）得 修 正 后 的 列 车 阻 力系数N修：N修=1l0(0.8082+0.677 8+0.008 1+hl0dh)(10)其次是原铁道部科学研究院西南研究所基于在6座铁路隧道中获得的活塞风速现场测试结果，认为列车阻力系数 N 为定值（N=0.008 6 m-1）。在以列车阻力系数为定值的条件下计算了另外 5座隧道的活塞风速，并与这 5座隧道的活塞风速测试结果进行了对比，发现活塞风速计算结果与测试结果相近。此外，原铁道部科学研究院西南研究所还对比了采用 依 杰 里 奇 克 活 塞 风 速 计 算 公 式（K=/(1-)3+0.051 2/A(1-)3）的结果，发现采用依杰里奇克活塞风速计算公式得到的活塞风速比实测值表 1 断面突然变化时的局部阻力系数Table 1 Local drag coefficients when the section changes suddenlyf/F12=(1-fF)2(l 8 d时)00.50.20.420.40.340.60.250.80.1510116小，但该计算结果与实测活塞风速的差距并不大。2 阻力计算方法对活塞风影响为分析不同列车速度、隧道长度及隧道断面面积下活塞风速计算方法之间的差异，采用不同的活塞风速计算理论得到了列车为速度 200350 km/h、隧道长度为 50035 000 m 条件下 4 种计算方法下的活塞风速分布，如图 1所示。采用定值法及 规范法得到的活塞风速相近，且这 2种计算方法得到活塞风速要远高于其他计算方法。显然，列车速度越快，隧道内的活塞风速越大，当列车速度为 200 km/h时，规范 计算公式得到的最大活塞风速为25.5 m/s，相同条件下采用依杰里奇克法得到在的活塞风速仅为 10.4 m/s。因此，活塞风速计算方法能对计算结果产生重大影响。图 1不同阻力计算方法下隧道长度及列车速度对活塞风速的影响Fig.1Influence of tunnel length and train speed on piston wind speed under different resistance calculation methods117采用 规范 修正法计算得到的活塞风速低于修正前，但高于依杰里奇克法得到的活塞风速。隧道断面对定值法和 规范 法的计算结果影响不大，但规范 修正法的计算结果受隧道断面影响明显。当列车速度大于200 km/h时，隧道断面从70 m2增大到100 m2时活塞风速降低；当列车速度为 200 km/h时，隧道断面从 70 m2增大到 100 m2时活塞风速反而升高。此外，隧道断面对长度较短的隧道活塞风速的影响要明显强于对长大隧道活塞风速的影响。相比于其他几种活塞风速计算方法，依杰里奇克法计算得到的活塞风速最小，当前计算条件下最大活塞风速小于 20 m/s。无论采用哪种计算方法，活塞风速随隧道长度增大呈指数减小，但定值法及规范 法的衰减速率明显快于 规范 修正法和依杰里奇克法。不仅不同的活塞风速计算方法得到的活塞风速差异巨大，而且在实际工程中很难确保选择的活塞风速计算方法能够真实反映隧道内的活塞风速。因此，活塞风速计算方法的选择是正确计算活塞风速的关键。鉴于定值法及 规范 法存在一定缺陷，实际工程中推荐使用 规范 修正法和依杰里奇克法。为进一步说明 规范 修正法和依杰里奇克法的准确性，需要对活塞风速计算结果进行验证，接下来将从 CFD 数值模拟及现场测试对 规范 修正法和依杰里奇克法进行验证。3 三维数值模拟验证3.1 计算模型采用 Gambit前处理软件建立 1 1 隧道模型，隧道长度分别为 3 000 m 和 10 000 m，隧道断面形状为马蹄形断面，列车长度 200 m，并以 200 km/h 时速匀速驶过隧道，左右远场空气区域长 600 m、宽100 m、高 50 m。隧道及列车参数见表 2。借助动网格技术，通过用户自定义函数（UDF）实现列车运动14，模型区域划分为两类：（1）列车运动所经过部分为动网格区域；（2）列车运动区域以外的部分为静止区域，两者之间滑移面采用滑动网格交界面进行连接。3.2 网格划分一般来说，计算网格越细致，则计算精度越高。但在计算时网格增加将导致计算时间成本大大增加，且计算精度与网格数量的关系并非是线性增长。一般的网格类型有结构化和非结构化网格两种。结构化网格具有：网格生成的速度快、网格生成的质量好、数据结构简单、计算收敛较快、容易地实现区域的边界拟合等优点。结构网格在拓扑结构上相当于矩形域内的均匀网格，其节点定义在每一层的网格线上且每一层上节点数都是相等的。本文研究的实验模型较为简单，生成六面体网格较为容易，因此本文中的模型均为六面体结构化网格，如图2所示。根据各区域流动特点，分区域进行网格划分。对于流场变化剧烈的区域网格划分较密，流场无明显变化区域网格划分较稀疏。车周区域受列车环腔流影响较大，网格尺寸最小，为 0.5 m；行车隧道网格尺寸为 1 m；两侧远场空气域流场变化较弱，网表 2 隧道及列车参数Table 2 Tunnel and train parameters隧道断面积/m250.92隧道断面周长/m26.35列车长度/m200列车宽度/m3.5列车高度/m4列车速度/(ms-1）55.56阻塞比0.275图 2数值模型局部网格Fig.2Local mesh of the numerical model118格划分较稀疏，尺寸为 1.5 m，横断面尺寸增长系数为 1.1。模型网格平均正交质量为 0.813（参数值范围 01，越靠近 1则网格质量越高）。3.3 边界条件本文数值模拟过程中仅考虑列车活塞风，忽略隧道内自然风及山谷间风流影响，故将隧道入口侧的远场空气域指定为压力入口（Pressure Inlet）边界条 件，隧 道 出 口 侧 远 场 空 气 域 指 定 为 压 力 出 口（Pressure Outlet）边界条件，出入口均与大气相接，压力值为 1 个标准大气压，温度为 300 K15；列车运动区域与静止区域连接处设置为交界面（Interface）边界条件，参与数据传递；隧道内部壁面、明线段接触山体壁面、列车壁面等均设置为无滑移固体壁面（Wall）边界条件。3.4 数值结果对比当隧道长度为 3 000 m 时，规范 修正法计算得到的活塞风速在 45 s后开始不变，而数值计算和依杰里奇克法的计算活塞风速还在随着衰减明显增大，如图 3 所示。但当隧道长度为 10 000 m 时，规范 修正法和依杰里奇克法的计算活塞风速几乎同时在 30 s趋于稳定，数值计算结果呈明显上升阶段。不论何种隧道长度及活塞风速计算方法下，活塞风速随时间变化的趋势都相同。隧道长度越短，不同计算方法得到的活塞风速差异更大。当隧道长度为 3 000 m时，相同列车速度及隧道断面下 规范 修正法的最大活塞风速比数值计算结果高 5.41 m/s；当隧道长度增大到 10 000m时，相同条件下 规范 修正法的最大活塞风速比数值计算结果高 2.30 m/s。规范 修正法得到的活塞风速总是远高于数值计算和依杰里奇克法的计算活塞风速，隧道长度为 10 000 m 时，数值计算和依杰里奇克法的最大活塞风速差值在 0.4 m/s以内。4 实测数据验证为进一步对比 规范 修正法和依杰里奇克法在活塞风速计算方面的精度，我们尽可能寻找到了一些活塞风速现场测试数据，即法国的 Montange隧道16、英国的 Patchway 隧道16、松林堡隧道以及上海地铁四号线鲁班路站至大木桥站的区间隧道17，测试隧道的具体参数见表 3。规范 修正法和依杰里奇克法计算得到的活塞风速基本都大于实际活塞风速，相同条件下 规图 3活塞风速理论计算值与数值模拟结果对比Fig.3Comparison between theoretical calculation and numerical simulation results of piston wind表 3 现场测试隧道及列车参数Table 3 Tunnel and train parameters on site under investigation序号1234567隧道名称Montange隧道16Montange隧道16Montange隧道16Patchway隧道16Patchway隧道16松林堡隧道17地铁区间隧道17列车长度/m410.0225.0146.00196.60100.30256.50142.16列车断面积/m29.809.809.809.119.2012.4911.40列车速度/（ms-1）38.8938.8938.8935.0034.7055.4414.90隧道长度/m3 4403 4403 4401 1401 1401 3201 341隧道断面积/m238.0038.0038.0035.0034.7048.6021.22119范 修正法计算结果几乎均大于依杰里奇克法计算值和实测值，见表 4。依杰里奇克法的最大误差在 33%以内，在给定的 7 组数据中依杰里奇克法的平均误差为 15.9%；而 规范 修正法的最大误差为 65.5%，平均误差高达 36.7%。基于数值模拟和现场测试结果的对比，采用依杰里奇克法计算活塞风速更能反映隧道内真实的活塞风速大小。5 结 论（1）现行 规范 中列车阻力系数推荐计算公式的推导过程存在缺陷，本文对其推导过程进行修正并得到修正后表达式。由于该推导过程将列车在隧道内运行时气流沿车身的绕流问题直接简化为截面突变问题，严谨性不足，故修正后的计算公式其计算结果误差仍较大。（2）随着隧道长度增大，不同阻力系数计算方法下的活塞风速差别越小，无论采用哪种阻力系数计算方法，活塞风速随隧道长度增大呈指数减小，且定值法及 规范 法的衰减速率明显快于 规范修正法和依杰里奇克法。（3）无论采用哪种活塞风作用系数计算方法，活塞风速随隧道长度增大呈指数衰减，但定值法及规范 法的衰减速率明显快于 规范 修正法和依杰里奇克法。（4）采用 规范 修正法计算得到的活塞风速远大于相同条件下数值计算结果，且隧道越短活塞风速差别越大，当隧道小于 3 000 m 时，规范 修正法的计算值至少比数值模拟结果高 5.4 m/s。（5）基于数值模拟及现场测试结果对比，依杰里奇克法的计算精度高于 规范 修正法，在实际工程中可选用依杰里奇克法来计算铁路隧道活塞风速。参考文献：1Tao L L，Ren X C，Yang G C，et al.Numerical study on effect of natural wind and piston wind on anti-freezing length of tunnels with high geo-temperature in cold region J.International Journal of Thermal Science，2022，172：107372.2 高焱，朱永全，赵东平，等.列车活塞风影响下寒区隧道温度场的变化规律 J.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2017，49（1）：118-124.Gao Y，Zhu Y Q，Zhao D P，et al.Varying rule of temperature field in the tunnel in cold regionunder the influence of the train piston wind J.Journal of Xian University of Architecture&Technology（Natural Science Edition），2017，49（1）：118-124.（in Chinese）3白赟.基于火灾列车运动活塞风耦合作用的救援站烟流流动机制研究 D.成都：西南交通大学，2018.Bai Y.Study on flowing mechanism of fire fume considering coupling effect of running fire train and piston wind in rescue station D.Chengdu：Southwest Jiaotong University，2018.（in Chinese）4王明年，李春荟，郭晓晗，等.城际列车活塞风对地下车站排烟效果的影响 J.安全与环境学报，2021，21（5）：2051-2058.Wang M N，Li C H，Guo X H，et al.Influence of piston wind on smoke extraction in underground stations of intercity trains J.Journal of Safety and Environment，2021，21（5）：2051-2058.（in Chinese）5刘敏章.超长隧道多运动列车活塞风特性及其模型简化研究 D.天津：天津大学，2020.Liu M Z.Investigation of the piston wind induced by multiple trains and model simplification in ultra-long tunnel D.Tianjin：Tianjin University，2020.（in Chinese）6杨晖，贾力，杨立新.活塞风对地铁隧道内烟气扩散特性影响的数值模拟 J.中国安全科学学报，2008，18表 4 活塞风速测试结果与理论计算对比Table 4 Comparison between piston wind test results and theoretical calculations序号1234567实测值/(ms-1)9.727.786.6115.8014.7016.856.70依杰里奇克法/(ms-1)11.469.718.7915.9712.9216.838.20相对误差/%17.9024.8132.981.0812.110.1222.39规范 修正法/(ms-1)15.1712.5410.9416.8814.2223.008.53相对误差/%56.0761.1865.516.843.2736.5027.31120（11）：36-40.Yang H，Jia L，Yang L X.Numerical simulation of piston wind effect on smoke diffusion characteristics in subway tunnel J.China Safety Science，Journal，2008，18（11）：36-40.（in Chinese）7Liu M Z.The environment and energy consumption of a subway tunnel by the influence of piston wind J.Applied Energy，2019，246：11-23.8陈超，严乐，潘嵩，等.基于活塞效应的地铁隧道风井设置优化方法 J.中国铁道科学，2015，36（6）：70-77.Chen C，Yan L，Pan S，et al.Optimal setting of air shafts for subway tunnel based on piston effect J.China Railway Science，2015，36（6）：70-77.（in Chinese）9马江燕，邓保顺，张欣，等.活塞风对地铁车站影响特性及多因素分析 J.铁道工程学报，2020，37（6）：85-91.Ma J Y，Deng B S，Zhang X，et al.The effect of piston wind on subway station and multi-factor analysis J.Journal of Railway Engineering Society，2020，37（6）：85-91.（in 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