高速地铁隧道内运行气动特性分析.pdf

文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 6 6-0 7高速地铁隧道内运行气动特性分析姚拴宝,宋军浩,陈大伟,丁叁叁,郑 静(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 2 6 6 1 1 1)摘 要:频繁启停是高速地铁在隧道内运行的特点,文章采用动模型试验数据验证了基于重叠网格技术的数值计算方法的准确性,分析了4种不同的启停模式对高速地铁隧道空气动力学效应的影响,并与匀速通过隧道的工况进行了对比。结果发现:启停模式对列车通过隧道的气动特性影响较大,启动加速的时间越短,车体压力波峰峰值和气动阻力越大,且列车启动位置距隧道口越近,车体表面压力波峰峰值和气动阻力就越大,但气动阻力的增加幅度较小;相比于匀速通过隧道,列车在隧道内启停过程加减速时间为5 s时,车体表面压力波峰峰值和气动阻力都明显增大;加速时间为5 s与1 5 s相比压力波峰峰值增加2 0%。列车在隧道中心停车时,隧道和车体表面仍然存在压力波动,且在停车3 0 s内压力波幅值基本不变,对于大阻塞比高速地铁列车,应该适当考虑站台停车时压力波对车内乘客安全舒适性的影响。关键词:高速地铁;隧道运行;加减速时间;气动特性中图分类号:U 2 7 0.1+1 文献标志码:A d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 4.0 1 3收稿日期:2 0 2 2-0 4-2 6基金项目:中国中车股份有限公司科技研究开发计划项目(2 0 2 0 C C B 1 5 2)第一作者:姚拴宝(1 9 8 6),男,博士,正高级工程师。A n a l y s i s o f A e r o d y n a m i c C h a r a c t e r i s t i c s o f O p e r a t i o n s o f H i g h-s p e e d S u b w a y i n T u n n e lYAO S h u a n b a o,S ONG J u n h a o,CHE N D a w e i,D I NG S a n s a n,Z HE NG J i n g(C R R C Q i n g d a o S i f a n g L o c o m o t i v e&R o l l i n g S t o c k C o.,L t d.,Q i n g d a o 2 6 6 1 1 1,C h i n a)A b s t r a c t:F r e q u e n t s t a r t a n d s t o p a r e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h-s p e e d s u b w a y o p e r a t i o n s i n t h e t u n n e l.I n t h i s a r t i c l e,t h e t e s t i n g d a t a f r o m m o v i n g m o d e l t e s t h a s b e e n u s e d t o v e r i f y t h e c o r r e c t n e s s o f v a l u e c a l c u l a t i o n m e t h o d b a s e d o n o v e r s e t g r i d,a n a l y z e t h e i m p a c t o f 4 d i f f e r e n t s t a r t/s t o p m o d e s o n a e r o d y n a m i c e f f e c t s o f h i g h-s p e e d s u b w a y t u n n e l a n d m a k e c o m p a r i s o n a g a i n s t t h e w o r k i n g c o n d i t i o n s u n d e r w h i c h t h e t r a i n s p a s s t h e t u n n e l a t c o n s t a n t s p e e d.T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h e s t a r t/s t o p m o d e h a s s u b s t a n t i a l i m p a c t o n a e r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t r a i n s p a s s i n g t h e t u n n e l.T h e s h o r t e r t h e s t a r t a c c e l e r a t i o n i s,t h e b i g g e r t h e p e a k-p e a k v a l u e o f p r e s s u r e w a v e o n c a r b o d y a n d t h e a e r o d y n a m i c d r a g f o r c e i s.A l s o,t h e c l o s e r t h e p o s i t i o n o f t r a i n s t a r t i s t o t h e t u n n e l e n t r a n c e,t h e b i g g e r t h e p e a k-p e a k v a l u e o f p r e s s u r e w a v e o n c a r b o d y s u r f a c e a n d t h e a e r o d y n a m i c d r a g f o r c e i s.H o w e v e r,t h e i n c r e m e n t o f a e r o d y n a m i c d r a g f o r c e i s s m a l l e r.C o m p a r e d w i t h t u n n e l p a s s i n g a t c o n s t a n t s p e e d s,w h e n t h e d u r a t i o n o f a c c e l e r a t i o n a n d d e c e l e r a t i o n b y t r a i n d u r i n g s t a r t a n d s t o p w i t h i n t h e t u n n e l i s 5 s,b o t h p e a k-p e a k v a l u e o f p r e s s u r e w a v e o n c a r b o d y s u r f a c e a n d t h e a e r o d y n a m i c d r a g f o r c e h a v e s i g n i f i c a n t i n c r e a s e.C o m p a r e d w i t h 1 5 s a s d u r a t i o n o f a c c e l e r a t i o n,t h e p e a k-p e a k v a l u e o f t h e p r e s s u r e w a v e w i t h a c c e l e r a t i o n o f 5 s h a s i n c r e a s e d b y 2 0%.Wh e n t h e t r a i n s t o p s i n t h e c e n t e r o f t u n n e l,t h e p r e s s u r e i n t h e t u n n e l a n d o n t h e s u r f a c e o f c a r b o d y i s s t i l l v a r y i n g.A l s o,t h e a m p l i t u d e o f t h e p r e s s u r e w i t h i n 3 0 s o f t h e t r a i n s t o p b a s i c a l l y r e m a i n s u n c h a n g e d.F o r h i g h-s p e e d s u b w a y t r a i n s w i t h b i g g e r b l o c k a g e r a t i o,a p p r o p r i a t e 66 研究与设计铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 c o n s i d e r a t i o n s h a l l b e g i v e n t o t h e i m p a c t o f p r e s s u r e w a v e o n t h e c o m f o r t a n d s a f e t y o f p a s s e n g e r s o n t h e t r a i n w h i l e s t o p p i n g a t t h e p l a t f o r m.K e y w o r d s:h i g h-s p e e d s u b w a y;t u n n e l o p e r a t i o n;d u r a t i o n o f a c c e l e r a t i o n a n d d e c e l e r a t i o n;a e r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c 目前地铁已经成为我国许多大型城市交通发展的主要方向。随着城市面积地不断扩大,地铁列车的运行速度也不断提高,隧道空气动力学效应逐渐显现,隧道压力波动引起的耳感舒适性问题越来越突出1-2,列车受到的气动阻力也大幅增大3-4。为提高高速地铁列车的乘坐舒适性和节能环保性,陈雅莉等5研究了隧道净空面积与压力波的关系,刘俊等6针对不同车型、不同密封指数的高速地铁列车,对隧道净空面积进行了优化设计,骆建军7、毕海权等8研究了隧道内设施对压力波的影响,冉腾飞等9-1 0针对1 4 0 k m/h高速地铁列车,研究了运行方式、隧道净空面积等因素对车内外压力波的影响,何娇等1 1开展了1 6 0 k m/h高速地铁列车的头型气动减阻优化设计,贾永兴等1 2应用一维流动模型分析隧道长度和列车长度对列车空气阻力的影响。一般情况下,地铁车辆的运行间隔较短,在隧道内频繁地加速和减速运行,上述研究成果虽然能够指导高速地铁的隧道断面设计、气密性设计和减阻设计,但尚未考虑到高速地铁的变速度运行方式对其气动性能的影响。刘冬雪等1 3采用数值计算方法研究了匀速、减速和加速3种变速度运行条件下车内外压力波与隧道净空面积和密封指数的关系,但没有研究匀速-减速-停车-加速-匀速整个通过站台过程时的隧道压力变化情况,也没有研究变速度运行方式对列车气动阻力的影响。为了更加清楚地认识高速地铁通过站台时的隧道空气动力学效应,本文结合重叠网格方法和脱体涡模拟方法,系统分析了高速地铁以不同启停模式在隧道内运行时的车内外压力波和气动阻力,以期为地铁车辆气密性设计和减阻设计提供参考。1 数值计算方法1.1 计算工况高速地铁在长大隧道内运行时,需要在站台启停,各站之间的间距长度不同,站台区域的空间和隧道净空面积的差别很大,列车通过站台时的隧道效应类似于进出隧道的过程。在不影响列车启停运行流场规律的前提下,本文对隧道内结构进行简化,不考虑通风竖井等隧道内设施对列车气动性能的影响,保证隧道净空面积不变,线路为平直道,共分析5种不同的启停运行方式对列车隧道效应的影响。表1为具体计算工况。表1 计算工况工况编号列车运行方式加减速时间/s工况1匀速通过隧道工况2距入口2 0 0 m处启动,距出口2 0 0 m处停止1 5工况3距入口2 0 0 m处启动,隧道中心停止3 0 s之后再次启动,距出口2 0 0 m处停止1 5工况4距入口5 0 0 m处启动,距出口5 0 0 m处停止1 5工况5距入口5 0 0 m处启动,距出口5 0 0 m处停止51.2 几何模型高速地铁列车采用6辆编组方式,头车和尾车对称,不考虑受电弓对列车气动性能的影响,转向架、风挡和车下设备适当简化,几何模型如图1所示。图1 高速地铁几何外形1.3 计算方法高速地铁通过隧道的速度为1 4 0 k m/h。列车在隧道时的流场为可压缩流场,本文基于通用商业软件S T A R-C CM+1 3.0 4,采用非定常雷诺平均方法求解三维可压缩非定常雷诺平均N-S方程,对流项离散格式采用二阶迎风格式,黏性项离散格式为二阶中心差分格式,时间离散采用二阶全隐式离散格式,湍流模型为k-w S S T模型1 4,时间步长为0.0 0 8 s,内迭代步数为1 0步。图2为隧道及计算区域的示意图。利用重叠网格技术模拟列车与隧道之间的相对运动,隧道及外场为计算域Z ON E 1,列车在另外一个计算域Z ON E 2,在计算过程中,Z ON E 1保持静止,Z ON E 2以列车运行速度向前移动。利用S T A R-C CM+重叠网格计算列车76 高速地铁隧道内运行气动特性分析 姚拴宝,宋军浩,陈大伟,丁叁叁,郑 静通过隧道的基本原理可参考文献1 5,本文不再赘述。隧道、地面、缓冲结构和列车表面均为固壁边界条件,外场区域为压力出口边界,初始压力为1 0 1 3 2 5 P a。列车向x轴的正方向运行,受到的气动阻力为x方向的力,如果气动阻力为正值,表现为推力,如果为负值,表现为阻力,隧道长度为3 0 0 0 m,净空面积为2 1 m2,列车以不同的启停方式通过隧道,L为尾车鼻尖至隧道口的距离。图2 计算区域示意图利用S T A R-C CM+1 3.0 4划分网格,空间网格为正交六面体网格,车体表面布置三棱柱边界层网格,第一层边界层网格的高度保证y+值在3 01 0 0,图3为列车周围的空间网格和局部区域的表面网格,为保证列车周围区域的流场计算精度,对Z ON E 2的空间网格进行加密,列车几何不规则区域的网格进行自适应加密,整个计算域内的网格量约为3 4 0 0万。图3 空间及局部区域的表面网格1.4 算法验证采用动模型试验数据验证重叠网格技术和网格划分方式的有效性,动模型试验利用中南大学轨道交通安全教育部重点试验室的动模型试验平台1 6完成,试验模型为缩比尺寸11 6.8的3辆编组模型(图4),试验速度为1 6 0 k m/h,隧道横断面积5 0 m2。由于无法获取试验模型在隧道内的气动阻力,本文仅验证车体表面压力的计算精度。图4 动模型试验模型图5为列车车体表面压力-时间的变化曲线。由图5的试验和仿真对比结果可知:数值计算得到的车体表面压力波动变化曲线与动模型试验规律基本一致,压力波动的峰值分别为1 4 4 0 P a和1 4 3 3 P a,两者基本吻合,说明本文采用的数值模拟方法能够较好地模拟高速地铁在隧道内运行对隧道压力波的问题。图5 列车车体表面压力-时间的变化曲线2 隧道内运行的压力波特性列车在隧道内运行时,车体表面测点位置对压力的影响很大,本文主要分析各节车厢车外压力对车内压力的影响,车厢中间位置能够反映出单节车厢车外压力波动规律,因此,压力测点布置在各节车厢的中间位置,每节车厢一个测点,从头车至尾车的编号依次为P 1、P 2、P 3、P 4、P 5和P 6,如图6所示。图6 车体表面压力测点位置地铁隧道非常复杂,包括站台、通风竖井、道旁设施等结构,隧道净空面积在这些位置突然改变,列车经过时,车体表面会出现明显的压力变化。本文主要研究启停运行过程对列车气动性能的影响,不考虑通风竖井、道旁设施等隧道结构对列车气动性能的影响,通过有限长隧道模拟无限长地铁隧道内列车通过站台的压力变化现象。图7给出了不同启停模式对应的P 1点处表面压力-时域曲线。由图7可知,在隧道内运行时,车体表面主要表现为负压,且负压的绝对值大于正压值;列车进入隧道或在隧道内启动的过程中,车体表面压力波动最为剧烈,随着列车在隧道内持续运行,车体表面压力波动逐渐减弱。86铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 图7 不同启停模式对应的列车表面压力-时域曲线(测点P 1)列车启动加速阶段,工况1和工况5压力变化趋势基本一致,工况4的压力波幅值明显偏小。这表明列车启动加速时间越短,隧道内空气压缩越剧烈,隧道气动效应越显著;当启动加速时间小于某个临界值时,隧道内启动产生的压力波幅值将与匀速通过隧道时产生的压力波相当,临界值与阻塞比、列车运行速度、列车外形等因素相关。从工况3的压力-时域曲线可以看出,列车在隧道中心位置停止后,隧道进出口的反射波导致车体表面仍然存在压力波,且在停车3 0 s内压力波幅值基本不变,因此,对于大阻塞比高速地铁列车,在停车开门过程中,应该适当考虑隧道压力波对车内乘客安全舒适性的影响。图8给出了不同启停模式对应的列车表面各测点压力波峰峰值。由图8可知,列车匀速通过隧道时,车体表面各测点压力波峰峰值变化不大;列车在隧道内运行时,车体表面压力波峰峰值的最大值出现在启动加速阶段,相比于匀速通过隧道,启动加速运行时,尾车的表面压力波峰峰值最大。从隧道内相同位置启停运行时,加减速时间越短,车体表面压力波峰峰值越大,相比于工况4,工况5表面压力波峰峰值增大2 0%以上。启停加速时间相同时,列车启动加速位置离隧道入口越远,车体表面压力波峰峰值越大,相比于工况2,工况4表面压力波峰峰值增大5%以上。相比于其他4种启停模式,列车在隧道内启动加速-匀速-减速-停车-加速-匀速-停车过程中,头车和尾车的表面压力波峰峰值差别最大,工况3的尾车比头车表面压力波峰峰值增大约5 0%。图8 不同启停模式对应的列车表面压力波峰峰值在地铁隧道设计过程中,需要充分考虑列车在隧道内运行时产生的压力波对隧道内设备的影响,隧道壁面的压力能够较为准确地反映出隧道内设备受到的气压载荷。图9给出了不同启停模式对应的隧道中心位置处的墙壁表面压力-时域曲线。由图9可知,列车未经过隧道中心时,隧道中心壁面的压力主要为交变的正压,当头车通过隧道中心时,隧道中心壁面的压力显著增大,当尾车通过隧道中心时,隧道中心壁面的压力迅速变为负压,且负压的绝对值最大;启停模式不变,相比于车体表面,隧道壁面的压力波峰峰值更大,且正压值和负压的绝对值相当;加速时间越短,隧道中心壁面的压力波峰峰值越大,且压力波峰峰值的时间间隔越小;启动加速位置对隧道中心壁面的压力波动影响较小;列车在隧道中心停止后,隧道壁面仍然存在幅值较大的压力波动,因此,高速地铁隧道站台设计屏蔽门时,应考虑列车停车后的压力变化对乘客安全性的影响;列车经过隧道中心后,隧道壁面的压力波动逐渐减弱,减速停车的过程对隧道中心壁面压力波动的影响较小。当列车在隧道内运行时,尾车的车外压力波峰峰值最大,相同运行条件下,如果各节车厢动态密封指数相同,尾车的车内压力变化率也最大。图1 0为根据尾车车外压力波动曲线和不同动态密封指数推导出的车内压力波动曲线,可以看出车内压力波动变化剧烈。因此,在进行整车气密性设计时,应以尾车的车内压力变化率为基准进行设计。图9 隧道中心位置处的墙壁表面压力-时域曲线图1 0 不同密封指数对应的车内压力-时间的变化曲线(工况5,测点P 6)96 高速地铁隧道内运行气动特性分析 姚拴宝,宋军浩,陈大伟,丁叁叁,郑 静3 隧道内运行的气动阻力特性3.1 启停模式对气动阻力的影响在大阻塞比隧道内运行时,列车受到的气动阻力显著增大,且列车运行速度越高,气动阻力增大幅度越大,当地铁运行速度超过1 2 0 k m/h时,在车辆设计过程中应考虑隧道气动阻力对列车牵引性能和节能效果的影响。地铁列车在隧道内运行时,受隧道压力波的影响,各节车的气动阻力都会随时间发生大幅的波动,从而影响列车的牵引性能。从图1 1给出的不同启停模式对应的气动阻力-时间变化曲线可以看出:头车和尾车的气动阻力的均值和幅值都明显大于中间车的气动阻力。列车匀速通过隧道时,头车进入隧道后,气动阻力达到最大值;当尾车完全进入隧道时,尾车的气动阻力达到最大值,此时,头车的气动阻力迅速减小。此后,受到隧道内压力波作用,头车和尾车气动阻力振荡减小,中间车进入隧道后气动阻力逐渐减小。列车在隧道内按照工况2启停模式运行时,启动加速过程中,各节车厢的气动阻力均逐渐增大,当加速至最高运行速度时,气动阻力增大至最大值;此后,受到隧道内压力波作用,各节车厢气动阻力振荡减小,当列车在隧道内减速至0时,各节车厢气动阻力也减小至0。整个过程中,除加速段头车气动阻力略大于尾车气动阻力,其他时间段尾车气动阻力明显大于其他车厢气动阻力。图1 1 不同启停模式对应的气动阻力-时间的变化曲线 气动阻力的最值直接影响列车牵引功率的设计,其平均值影响列车的节能效果。表2给出了不同启停模式对应的整车气动阻力最大值、最小值和平均值。由表2可知,列车通过隧道的整个过程中,x方向的气动力主要表现为气动阻力,3种启停模式的最小值基本不变,最小值明显大于平均值(不考虑方向因素),列车匀速通过隧道时,整车气动阻力的平均值约为最小值的5 2%,隧道内启停运行时,整车气动阻力的平均值占比更小;列车匀速通过隧道时,车辆平均运行速度最高,整车气动阻力的平均值最大,列车在隧道内加速-匀速-减速-停止-加速-匀速-减速-停止的过程中,由于车辆平均运行速度较低,整车气动阻力最小,仅为匀速通过隧道时整车气动阻力的5 0%。表2 不同启停模式对应的气动阻力最大值、最小值和平均值k N工况编号最大值最小值平均值工况1-0.0 2-5.2 6-2.7 6工况20.7 7-5.0 8-2.1 8工况30.7 6-5.0 0-1.3 83.2 加减速时间对气动阻力的影响列车在长大隧道内频繁启停运行时,加减速时间对列车气动阻力的影响很大,图1 2给出了不同启停模式对应的整车气动阻力-时间的变化曲线。由图1 2可知,列车启动加速时,整车气动阻力迅速增大,当加速至最高运行速度后,整车气动阻力趋于平稳且阻力值最大;随着隧道出口膨胀波作用于车体表面,整车气动阻力开始减小,加速时间越短,隧道出口反射的膨胀波强度越大,整车气动阻力减小的梯度也越大。列车减速停车时,整车气动阻力迅速减小至0附近;列车加速启动阶段,加速时间与气动阻力增大的时间成正比,当加速至最高运行速度后,加速时间对整车气动阻力的影响可以忽略。图1 2 不同启停模式对应的整车气动阻力-时间变化曲线07铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 表3给出了不同启停模式对应的气动阻力最小值、最大值和平均值。由表3可知,当启停位置不变时,加减速时间越短,整车气动阻力越大;当加减速时间不变时,启动位置距离隧道口越远,整车气动阻力的平均值越小,加减速时间对气动阻力的影响明显大于启动位置的影响,相比于工况2,工况5的气动阻力最大值增大3.9%,平均值增大2 4.9%。表3 不同启停模式对应的气动阻力最小值、最大值和平均值k N工况编号最小值最大值平均值工况20.6 95.1 2-2.2 5工况40.7 75.0 8-2.1 8工况51.1 05.3 2-2.8 14 结论通过数值计算方法研究了长大隧道内启停模式对高速地铁隧道压力波和气动阻力的影响,结论如下:(1)列车由明线进入隧道,匀速通过时,列车表面的压力波峰值随时间变化逐渐降低;(2)加速启动的时间越短,车体压力波峰峰值和气动阻力越大,列车启动位置距隧道口越近,车体表面压力波峰峰值和气动阻力越大,但气动阻力的增加幅度较小;(3)相比于匀速通过隧道,列车在隧道内以5 s的加减速时间启停时,车体表面压力波峰峰值和气动阻力都明显增大,当加减速时间增大至1 5 s后,车体表面压力波峰峰值和气动阻力均显著减小;(4)列车在隧道中心停车时,隧道和车体表面仍然存在压力波动,且在停车3 0 s内压力波幅值基本不变,对于大阻塞比高速地铁列车,在停车开门的过程中,应该适当考虑隧道压力波对车内乘客安全舒适性的影响。参考文献:1 S UN Z X,YANG G W,Z HU L.S t u d y o n t h e c r i t i c a l d i a m e t e r o f t h e s u b w a y t u n n e l b a s e d o n t h e p r 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