开孔型缓冲结构减缓高速磁浮列车隧道初始压缩波的特征研究.pdf

第 卷第 期 年 月兰州交通大学学报 ，收稿日期：?学报网址：基金项目：中铁二院工程集团有限责任公司科技项目（科?）第一作者：钟登朝（），男，甘肃武威，硕士研究生，主要研究方向为轨道交通空气动力学与应用。?：通信作者：梅元贵（），男，河南荥阳，教授，博士生导师，主要研究方向为轨道交通空气动力学与应用。?：文章编号：（）：开孔型缓冲结构减缓高速磁浮列车隧道初始压缩波的特征研究钟登朝，李奎，胡啸，梅元贵（兰州交通大学甘肃省轨道交通力学应用工程实验室，兰州 ；中铁二院工程集团有限责任公司，成都 ）摘要：以国内时速 磁浮列车进入隧道为研究对象，基于重叠网格法和有限体积法，采用三维可压缩非定常流动?方程和?湍流模型，研究开孔型缓冲结构对初始压缩波的缓减作用。研究发现：在列车驶入隧道的过程中，刚进入隧道时压缩波呈现三维特征，在距离隧道洞口约 处压缩波由三维波变为一维平面波。通过对比分析距离隧道入口 处的压力与压力梯度，得到设置缓冲结构后初始压缩波最大峰值增加 ，压力梯度降低 。随着列车速度提高，初始压缩波的压力峰值增大，其最大压力近似与列车速度的 次方成正比，最大压力梯度近似与列车速度的 次方成正比。本文结果为今后进一步认识时速 等级的高速磁浮隧道缓冲结构效应和设计提供了可靠依据。关键词：时速 公里磁浮列车；隧道；微气压波；缓冲结构；初始压缩波；三维可压缩湍流模型中图分类号：文献标志码：?，（，；，）：，?：，?，?，?：；兰州交通大学学报第 卷 高速列车驶入隧道后产生初始压缩波，该初始压缩波以当地声速在隧道内传播，到达隧道出口时，一部分反射回隧道内，另一部分以脉冲波的形式辐射到隧道外形成微气压波?，引起洞外建筑窗户的剧烈震动，产生环境问题。针对高速列车过隧道产生的微气压波问题，国内外学者进行了大量的而研究。研究了列车速度、车头尺寸和车头长度以及隧道入口几何形状、入口出口数量和尺寸对压力波的影响，并利用声学模拟方法预测了不同类型隧道入口的模型隧道在列车运行过程中的压力?时间历程 。杨伟超对比研究了缓冲结构顶部开孔与侧面开孔的缓减效果，得出顶部开孔能更有效降低初始压缩波 。研究得出增大隧道两端断面可有效降低隧道出口的压力梯度和微气压波 。研究了帽檐式斜切缓冲结构和缓冲结构开孔率对隧道初始压缩波的影响，研究表明开孔率为 时，初始压缩波压力梯度降低率可达 。以扩大断面开孔型缓冲结构为研究对象，研究了开孔的位置与大小对初始压缩的影响，得出初始压缩波两个波峰相等时，对初始压缩波的压力梯度降低效果最好 。王田天研究了斜切式缓冲结对微气压波的缓减效果，得出在 隧道上微气压波可降低 。范胜利 提出了带有排气管的扩大型新型缓冲结构，并在动车组时速 、隧道净空面积 的条件下进行了数值仿真研究。姚拴宝研究了线性喇叭型缓冲结构上下边界的长度、入口高度等设计参数对微气压波的影响规律 。陶伟明研究了喇叭口型、扩大断面型、直线斜切式型和等截面开孔型缓冲结构对微气压波的减缓效果，得出喇叭口型和扩大断面型的降低效果较好 。张洁提出了一种具有空腔结构的新型隧道结构，使得压缩波在空腔内产生反射，实现抑制压缩波压力梯度上升的目的 。日本学者?地?用模型实验的方法研究了缓冲结构侧面开孔高度对初始压缩波的影响 。梅元贵 研究了磁浮列车速度对初始压缩波特性的影响。胡啸仅研究了在列车时速 一种速度下隧道开孔缓冲结构对初始压缩波最大压力梯度的减缓效果 。目前，国内外大多数学者都是以研究轮轨列车为主，且时速一般不超过 。日本学者有关高速磁浮隧道缓冲结构的气动效应研究仅限于时速 范围内。国内学者对时速 磁浮隧道缓冲结构减缓效应的系统研究较少。本文基于 软件的三维可压缩非定常湍流流动的有限体积法和重叠网格法，研究时速 磁浮列车分别驶入设有等截面开孔型缓冲结构的隧道和无缓冲结构隧道产生的初始压缩波的压力和压力梯度的变化规律，为今后高速磁浮列车缓冲结构的优化研究提供可靠的依据。研究方法和计算模型本文采用 进行数值计算，模型计算采用的控制方程为三维可压缩非定常?方程，离散方法采用有限体积法，湍流模型选用?模型，壁面采用全 壁面处理 。计算区域设有三种边界条件：自由流边界、壁面边界、重叠网格边界。轨面、列车、隧道等为壁面边界，车体周围为重叠网格边界，其他为自由流边界，自由流边界的静态温度设置为 ，初始压力为 ，模型采用一阶时间离散，时间步长为 。为了避免磁浮列车突然高速运动对初始压缩波的影响，列车在明线上从静止状态加速到运行速度后再进入隧道，光滑启动距离为 。计算模型和测点布置为了准确模拟高速磁浮列车进入隧道时列车周围和隧道内的流场特征，根据列车不同部位的几何特征采用不同尺寸的面网格，最大程度保持了列车原有的几何特征。磁浮列车模型如图 所示。磁浮列车车高 ，车体总长为 （），列车宽度为 （），头车和尾车车头长度 为 （）。隧道净空面积为 ，缓冲结构采用等截面开孔型，长 ，在前 的区间内开孔率从 均匀降低到 ，最大开孔率在缓冲结构入口位置，在后 的长度内开孔率保持在 不变。压力监控点在列车前进方向上多断面等间距进行布置，为了准确反应开孔缓冲结构对初始压缩波的降低效果，不同断面对应测点的布置位置保持一致。如图 所示。网格模型和计算验证为了对比结果的准确性，有缓冲结构模型与无缓冲模型采用了相同一致原则，即模型中相同的结第 期钟登朝等：开孔型缓冲结构减缓高速磁浮列车隧道初始压缩波的特征研究构在划分网格时网格尺寸保持一致。?进口出口隧道缓冲结构运行方向?图 背景区域示意图 图 实体磁浮列车 图 磁浮列车模型?开孔率?开孔率?图 缓冲结构示意图 网格划分本次数值仿真模拟基于 区域进行的网格划分，在流动剧烈和几何尺寸复杂的部位均用加密块进行网格加密，如磁浮列车车头、车尾、轨道梁、缓冲结构等。且列车车尾设置了三个加密块，网格尺寸以 倍的大小逐渐增加。其中，最小的网格尺寸为 。车体表面、隧道和缓冲结构壁面均采用棱柱层网格，隧道和缓冲结构拉 层棱柱层网格，近壁层棱柱层网格厚度为 ，总厚度为 。车体表面同样拉 层棱柱层网格，近壁层棱柱层网格厚度为 ，总厚度为 。为了计算模型时网格的良好耦合，在磁浮列车经过的区域设置加密块，网格尺寸为 。计算域总网格数为 万，其中重叠网格区域为 万。?图 测点布置示意图 图 体网格模型 计算方法验证由于本文作者目前还没有有关时速 磁浮列车通过隧道时压力波的实测或动模型试验数据。本文采用时速 日本轴对称动模型试验数据验证本文的计算方法的正确性和合理性 。本文数值模拟几何尺寸与文献中动模型几何尺寸一致，采用 缩尺模型。为了精确的获得流场信息，本文采用两类网格。根据两种网格各自的优点，近壁面采用棱柱层网格，其他区域采用切割体网格。测点沿隧道长度方向等间距布置在不同断面上。选取距隧道入口端 处的隧道内壁上的压力监控点进行分析，图 表示的是监控点处的压力历程曲线与日本动模型实验获得的数据进行的对比。从数据对比结果可以看出，数值模拟的最大误兰州交通大学学报第 卷差仅为 ，说明本文采用的数值模拟方法可用来研究单列车进隧道时的压力波动情况。?本文数据文献数据图 监控点压力对比 计算结果分析 列车进入有缓冲结构洞口的隧道内压力的变化特征图 表示的是高速磁浮列车驶入过程中缓冲结构内压力变化特征，将列车鼻尖到达隧道入口处定义为 。由图可得：在高速磁浮列车驶入前半个鼻长时缓冲结构内的压力已经开始上升，从磁浮列车到达缓冲结构洞口到驶入一个鼻长的过程中，缓冲结构内的压缩波压力逐渐接近饱和，在距离列车鼻尖一定距离后远近两侧的压力相等，呈现一维特性。?图 列车进入隧道缓冲结构压力变化特征 图 表示的是在有无缓冲结构的情况下磁浮列车驶入隧道时的压力云图对比。由图可得：在磁浮列车进入隧道的过程中压缩波依然存在三维到一维的转变过程。在列车鼻尖到达隧道入口时，设置缓冲结构时隧道内的压力幅值约为 ，无缓冲结构时约为 ，如图 （）所示。在 时，隧道内的压力幅值均达到饱和值，约为 。所以在整个列车头部驶入隧道的过程中，即图中（）、（）、（）三个过程，无缓冲结构的隧道内的压力变化率大于有缓冲结构隧道内压力的变化率，综上可得，缓冲结构可减缓列车突入隧道产生的压力变化率。?缓冲结构?缓冲结构缓冲结构?图 列车进入有无缓冲结构隧道过程中压力变化特征比较 列车进入有无缓冲结构隧道的压缩波传播特征为了研究压缩波从产生到传播过程的特性，本文选取不同断面上的压力监控点 、进行分析。图 表示的是有缓冲结构与无缓冲结构压缩波沿隧道方向的传播过程。本文选取磁浮列车进入隧道 个鼻长、个鼻长和 个鼻长这三个典型时刻对压缩波的传播进行分析。将磁浮列车到达隧道入口定义为 时刻，为磁浮列车进入一个鼻长，、分别表示磁浮列车进入 和 个鼻长。可以看出，当磁浮列车开始驶入时，无论有无缓冲结构隧道内的压力开始上升，且在同一时刻同一断面上压力监控点的幅值不相等，靠近列车侧的压力监控点压力幅值最大，远离列车第 期钟登朝等：开孔型缓冲结构减缓高速磁浮列车隧道初始压缩波的特征研究侧的监控点压力幅值最小，此时初始压缩波呈现三维特性。随着压缩波沿着隧道不断传播，列车对压缩波的影响逐渐降低，同一断面上不同压力监控点之间的幅值差越来越小，最终在距离隧道洞口一定距离后压力幅值相等。由图可得：有无缓冲结构初始压缩波均在距离隧道入口端 处由三维波变成一维波。对比分析可得：在初始压缩波传播过程中，缓冲结构不改变初始压缩波的传播特性。?隧道长度方向压力传播特征?隧道长度方向压力梯度传播特征?有缓冲结构无缓冲结构?有缓冲结构无缓冲结构?图 沿隧道长度方向上压缩波的分布特征 压缩波的空间分布特性为了研究缓冲结构开孔对压缩波空间分布的影响，本节选取距隧道洞口 个鼻长（）断面上压力监控点进行分析。图 表示在同一水平高度不同位置压力监控点的压力和压力梯度变化曲线，其中，蓝色曲线表示设有缓冲结构的压力及压力梯度曲线，红色曲线表示无缓冲结构的压力及压力梯度曲线。由图可得：在同一测点处，隧道入口设置缓冲结构后，隧道内的压缩波的压力幅值远小于无缓冲结构隧道内压缩波的压力幅值。测点 处的压力差最大，为 ；在缓冲结构中心高度处，压力变化规律和轨平面高度处一致。压力梯度方面，相对无缓冲结构压力梯度峰值出现的时间，设置缓冲结构后，最大压力梯度峰值出现的时间滞后，且幅值也比无缓冲结构小。缓冲结构对初始压缩波的影响图 和图 表示距离隧道入口端 处不同测点初始压缩波的压力和压力梯度随时间变化的历程曲线。由图 可知：未设置缓冲结构隧道内的压力达到峰值可分为两个阶段，在上升的第一个阶段，即?段，压力曲线明显比设有缓冲结构的隧道内的压力曲线陡峭，也即在这一阶段无缓冲结构隧道内的压力变化比较剧烈，这是因为磁浮列车高速驶入隧道时，产生初始压缩波致使测点处的压力急剧上升；在压力峰值方面，设有缓冲结构的隧道内的压力峰值大于无缓冲结构的压力峰值，压力峰值增加了 ，约 。由图 可知：设有缓冲结构后，最大压力梯度值在时间上相对滞后，这是因为缓冲结构开孔的泄压作用，使得隧道内的压力变化相对平缓，从而使得压力梯度峰值滞后；压力梯度最大值降低 ，降低率约为 。列车头部横截面面积与初始压缩波之间的关系图 表示的是磁浮列车车头横截面积变化率。兰州交通大学学报第 卷由图可得：磁浮列车头部横截面积逐渐增大，在距磁浮列车鼻尖 处变化率达到最大值。?压力曲线?压力梯度曲线有缓冲结构无缓冲结构?有缓冲结构无缓冲结构?有缓冲结构无缓冲结构?有缓冲结构无缓冲结构?有缓冲结构无缓冲结构?有缓冲结构无缓冲结构?图 压缩波压力和压力梯度分布特征?有缓冲结构无缓冲结构?图 有无缓冲结构隧道初始压缩波压力变化特征对比 图 表示的是磁浮列车进入隧道和缓冲结构一个鼻长后的压力和压力梯度的变化曲线。将磁浮列车鼻尖到达隧道入口的时刻定义为 时刻。由图可得：列车进入隧道的过程中，隧道内的压力开始上升，在 时磁浮列车头部刚好完全进入隧道内，此时隧道内的压力也达到最大值，最大值为 。在磁浮列车完全进入隧道的过程中，在 时隧道内的压力梯度达到最大值，此时磁浮列车进入隧道 ，也即此时磁浮列车车头横截面积变化率最大的部位进入隧道，使得隧道内的压力变化率达到最大，最大值为 。在 后磁浮列车头部的横截面积变化率降低，所以隧道内的压力变化率也降低。?有缓冲结构无缓冲结构?图 有无缓冲结构隧道内初始压缩波压力梯度对比 在 时磁浮列车鼻尖开始进入缓冲结构，在 时磁浮列车完全进入缓冲结构，此时缓冲结构内的压力达到最大值，最大值为 ，相对无缓冲结构降低 。在 时磁浮列车横截面积变化率最大的截面进入缓冲结构，此时缓冲结构内压力变化率也达到最大值，最大值为第 期钟登朝等：开孔型缓冲结构减缓高速磁浮列车隧道初始压缩波的特征研究 ，相对无缓冲结构降低了 ，约 。?车头横截面积?横截面积变化率面积面积变化率图 列车头部横截面积变化率?缓冲结构压力梯度隧道压力梯度缓冲结构压力隧道压力图 一个鼻长内压力和压力梯度变化曲线 列车速度对初始压缩波的影响选取磁浮列车时速为 、研究速度对初始压缩波的影响特性。图 表示不同速度下同一测点的压力与压力梯度变化曲线。由图可得：在不同速度下，压力与压力梯度变化曲线趋势相同。且随着速度的增加，压力和压力梯度的最大值也增加。说明随着列车速度的增加，隧道内的压力变化越剧烈。图 表示的是初始压缩波与速度的拟合关系。本文选取距离隧道入口 处测点的压力进行研究，拟合函数采用。其中，压力幅值拟合时约为 ，相关性系数大于 ，压力梯度峰值拟合时，约为 ，大于 ，可得压力和压力梯度与速度的相关性较强，可得初始压缩波压力峰值近似与车速的 次方成正比，压力梯度峰值近似与车速的 次方成正比。?压力?压力梯度?图 压力和压力梯度曲线?速度?压力梯度拟合曲线压力梯度峰值压力拟合曲线压力峰值图 速度拟合曲线 结论本文基于 软件的三维非定常可压缩湍流流动模型和动网格方法，对设置等截面开孔型缓冲结构条件下的时速 磁浮隧道初始压缩波进兰州交通大学学报第 卷行了数值模拟研究，主要结论如下：）磁浮列车驶入隧道的过程中，隧道内壁距离车体远近两侧的压力不相等，靠近列车侧的隧道壁面压力大于远离列车侧的隧道壁面压力，但随着列车继续驶入洞口，两侧的压力差逐渐降低。最终在距离隧道入口 处，远近两侧压力相等。此时列车进入产生的压缩波由三维波变为一维平面波。）初始压缩波达到饱和后，设有缓冲结构的隧道内的压力峰值相对无缓冲结构隧道内的压力峰值增加了 ，压力梯度降低 。）等截面开孔型缓冲结构可以延长隧道内初始压缩波的上升时间，大幅降低初始压缩波的压力梯度，但对压力幅值影响较小。）磁浮列车完全进入隧道后，初始压缩波达到最大值；磁浮列车横截面积变化率最大的断面进入隧道的时刻，压力梯度达到最大值。）随着列车速度提高，初始压缩波的压力峰值增大，其最大压力近似与列车速度的 次方成正比，最大压力梯度近似与列车速度的 次方成正比。参考文献：，?，?，?，：?杨伟超，李国志，何洪，等 高铁隧道组合型式缓冲结构泄压孔优化 铁道科学与工程学报，：?，?，：?，?，?，?，：?王田天，胡冲，龚彦峰，等 扩大斜切式缓冲结构对时速 铁路隧道口微气压波缓解研究 空气动力学学报，（）：?范胜利，张慧玲，朱勇，等 新型高速铁路隧道洞口微气压波减缓设施研究 四川建筑，（）：?姚拴宝，陈大伟，林鹏，等 单线高速铁路隧道入口缓冲结构几何外形优化设计 中国铁道科学，（）：?陶伟明 高速铁路隧道洞口微气压波减缓措施效果研究 铁道工程学报，（）：?张洁，王雨舸，韩帅，等 空腔结构对高速磁浮隧道压力波的影响研究 铁道科学与工程学报，（）：?地?，福田 盓 缓工侧面开口部高最适化?模型?日本机械学会流体工学部门讲演会讲演论文集，?梅元贵，赵汗冰，陈大伟，等 时速 磁浮列车驶入隧道时初始压缩波特征的数值模拟 交通运输工程学报，（）：?，?（），（）：?胡啸 开口型缓冲结构减缓高速磁浮列车驶入隧道时洞内外压力波动特性研究 兰州：兰州交通大学，?王维洲，钟登朝，胖涛，等 高速铁路隧道洞口等截面无开孔扩大型缓冲结构气动效应分析 高速铁路技术，（）：?（责任编辑：柴宗刚）