隧道内斜井取风对高速列车倾覆稳定性的影响.pdf

引用格式:田经纬,万晓燕,史宪明.隧道内斜井取风对高速列车倾覆稳定性的影响J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):233.TIAN Jingwei,WAN Xiaoyan,SHI Xianming.Effect of air extraction from inclined shafts in tunnels on overturning stability of high-speed trainsJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):233.收稿日期:2022-12-03;修回日期:2023-05-30基金项目:中国国家铁路集团重点课题(N2020G040)第一作者简介:田经纬(1998),男,河北唐山人,中国铁道科学研究院桥梁与隧道工程专业在读硕士,研究方向为高速铁路隧道空气动力学。E-mail:amigotjw 。隧道内斜井取风对高速列车倾覆稳定性的影响田经纬1,万晓燕2,史宪明2(1.中国铁道科学研究院,北京 100081;2.中铁西南科学研究院有限公司,四川 成都 611731)摘要:为研究利用斜井从临近高速铁路隧道内取风对运营列车稳定性的影响,以时速 350 km 单线隧道为例,通过三维数值模拟分别计算斜井屏蔽门关闭、屏蔽门开启但不取风和取风 3 种工况下列车的气动力系数并分析其变化特征,参考有关标准对列车倾覆稳定性进行讨论。研究表明:1)屏蔽门开启且取风时对列车倾覆稳定性的影响最大,屏蔽门开启但不取风时次之,屏蔽门关闭时最小;2)斜井取风增大了车体左右两侧的压力差,增加了列车侧翻的风险,但减小了车体上下两侧的压力差,有助于降低列车上下震荡;3)依据规范计算得到的倾覆系数判断,斜井屏蔽门开启且取风时列车不会发生倾覆。关键词:高速铁路隧道;斜井取风;倾覆稳定性;数值模拟DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.027中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0233-07E Ef ff fe ec ct t o of f A Ai ir r E Ex xt tr ra ac ct ti io on n F Fr ro om m I In nc cl li in ne ed d S Sh ha af ft ts s i in n T Tu un nn ne el ls s o on n O Ov ve er rt tu ur rn ni in ng g S St ta ab bi il li it ty y o of f H Hi ig gh h-S Sp pe ee ed d T Tr ra ai in ns sTIAN Jingwei1,WAN Xiaoyan2,SHI Xianming2(1.China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;2.China Railway Southwest Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 611731,Sichuan,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To explore the stability of operating trains when using inclined shafts to extract air from the adjacent high-speed railway tunnel,a case study is conducted on a single-track tunnel with a speed of 350 km/h.Furthermore,the aerodynamic coefficients of trains under three operating conditions:inclined shaft screen door closed,screen door open without air extraction,and screen door open with air extraction,and their variation characteristics are numerically simulated and analyzed.Finally,the overturning stability of the trains is discussed according to relevant standards.The research results show the following:(1)The operating condition of screen door open with air extraction greatly affect the overturning stability of the trains,that of screen door open without air extraction slightly affect the overturning stability of the trains,and that of screen door closed does not affect the overturning stability of the trains.(2)Air extraction from inclined shaft increases the pressure difference between the left and right sides of the train,which raises the risk of train overturning,but reduces the pressure difference between the top and bottom surfaces,thus reduces the vertical vibration of the train.(3)According to the coefficient of overturning calculated by the specification,when the screen door of the inclined shaft is opened with air extraction,the train will not overturn.K Ke ey yw wo or rd ds s:high-speed railway tunnel;air extraction from inclined shaft;overturning stability;numerical simulation 0 引言兰张三四线铁路新建乌鞘岭隧道为长大单洞双线隧道(全长 17 125 m),临近既有单线隧道(全长20 050 m),为满足通风要求,施工单位利用既有隧道隧道建设(中英文)第 43 卷的 5#、7#、8#、9#及 10#斜井进行取风作业,采取长管压入式通风方式,在斜井与施工隧道交叉段设置取风口,从临近既有运营隧道中取风(见图 1)。目前,新建乌鞘岭隧道接近完工,施工期间时速 120 km 的列车实现了正常运营。图 1 新建乌鞘岭隧道工程斜井取风示意图Fig.1 Air extraction from inclined shaft of the newly-built Wushaoling tunnel 新建乌鞘岭隧道的施工通风方式为制定临近既有隧道的新建隧道施工通风方案拓展了思路。利用斜井在既有隧道内取风时运营列车的安全性,即列车在相对封闭的空间内受到横风作用下的稳定性是这种通风方式应着重考虑的问题。新建乌鞘岭隧道临近既有隧道内的列车编组较长、质量较大、运营速度较低,利用斜井进行施工通风对列车稳定性影响较小。如果临近隧道内为运营速度较高的动车组,需要对这种通风方式的可行性进行研究。斜井取风在斜井断面处产生类横风效果。查阅相关文献发现,国内外针对列车在横风作用下的稳定性研究主要集中在明线这种开阔空间1-3。如:杜家俊等4发现列车稳定性与横风风速呈负相关关系;刘荣等5采用数值模拟计算了列车在横风作用下的气动力及力矩系数,并讨论了列车不同参数对倾覆稳定性的影响;项超群等6采用数值模拟的方法计算了高速列车通过双线简支箱梁桥时的倾覆系数,并参考有关标准设定了倾覆系数的容许值;谢繁荣等7对比分析了高速列车行驶在不同类型路堤和不同倾角路堤时,在横风作用下列车周边流场结构和升力系数、倾覆力矩等气动力变化情况;杨超等8和罗建斌等9重点讨论了列车气动力特性与车速、风速和路堤高度的关系;Cheli 等10采用风洞试验和数值模拟相结合的方法,提出了列车在横风下动态行为的评估方法;Ezoji等11对比分析了 7 种车头的倾覆稳定性,发现减少车头厚度和增大车头长度可降低倾覆系数。综上,国内外研究中未见由于斜井取风导致既有隧道周边流场改变对列车倾覆稳定性影响的相关成果。为此,本文以时速 350 km 单线高铁隧道为例,采用数值模拟的方法建立既有隧道新建隧道-斜井-列车三维模型,通过设置斜井屏蔽门的开闭和斜井内风机的启闭,来模拟斜井屏蔽门关闭、斜井屏蔽门开启但不取风和斜井屏蔽门开启且取风这 3 种工况,通过分析计算数据研究利用斜井在既有隧道内取风时高速列车整车气动力和周边流场的变化情况,评估列车倾覆稳定性。1 数值模型1.1 控制方程 为了研究斜井取风情况下既有隧道内产生的空气动力学问题,采用黏性、可压缩、非定常 RNG 湍流模型来模拟列车气动力瞬态演化过程。该模型的连续性方程和动量方程如式(1)和式(2)所示。t+xi(ui)=0。(1)(ui)t+xj(uiuj)=-pxi+xjuixj+ujxi-23ijulxl()+xj(-uiuj)+gi3。(2)式(1)和式(2)中:为空气密度;p 为空气平均压力;u 为雷诺平均速度;为空气的动力黏度;下标 i,j,l=1,2,3,分别表示坐标轴 x、y、z 方向。雷诺应力梯度可通过布辛塞克假设表示为平均速度梯度:-uiuj=tuixj+uixj()-23k+tukxk()ij。(3)t=Ck2。(4)式(3)和式(4)中:t为湍流黏度;k 为湍流动能;C为模型系数,C=0.084 5。求解式(3)和式(4)还需湍流动能和能量耗散率方程:(k)t+xi(kui)=xjkeffkxj+Gk+。(5)()t+(ui)xi=xjeffxj+ClkGk-C22k。(6)式(5)和式(6)中:eff为运动黏度和湍流黏度之和;k、分别为湍流动能和湍流耗散率的倒数;Gk为由平均速度梯度产生的湍流动能项;Cl、C2为模型参数,其公式为Cl=Cl-(1-/0)1+3。(7)=(2Eij2Eij)1/2k。(8)Eij=12uixj+ujxi()。(9)432增刊 1田经纬,等:隧道内斜井取风对高速列车倾覆稳定性的影响式中:Cl=1.42,C2=1.68,0=4.377,=0.012。计算区域采用有限体积法(FVM)进行离散,并且采用标准壁面函数来处理隧道壁面附近的气流。1.2 计算模型 以我国高速铁路常用的 CRH380 系作为研究对象。列车运行速度为 350 km/h、长度为 200 m、宽度和高度分别为 3.38 m 和 3.90 m、断面面积为 11.6 m2。为提高计算效率,建模时忽略了转向架、空调机和受电弓等细部构造。既有隧道按照我国时速 350 km 单线隧道标准断面设置,净空面积为 70 m2,隧道长度为 1 km。斜井断面净空面积为 30 m2,由于斜井与既有隧道正交时取风风流不受斜井壁面阻挡,为最不利工况,因此,本文将斜井垂直布置在隧道中间位置,长度为 100 m。参照新建乌鞘岭隧道通风方案,在斜井内距离既有隧道交界面 1 m 处布置屏蔽门,屏蔽门关闭时可完全阻隔斜井内部流场。斜井另一端与施工隧道相连,且在斜井内部距与施工隧道交界面 20.5 m 处布置封堵墙,仅保留 2 个长和宽均为 1.5 m 的取风口,以防作业人员擅自通过斜井进入既有隧道。施工隧道已开挖段断面和既有隧道相同,长度为 200 m。斜井断面图如图 2所示。图 2 斜井断面图(含取风口位置)(单位:m)Fig.2Inclined shaft cross-sectional drawing(including location of air extraction)(unit:m)1.3 计算区域 数值模拟的计算域包含隧道域和 2 个外域,如图3 所示。隧道域包含既有隧道段、施工隧道段和斜井段,2 个外域为相同的半圆柱体,底面半径为既有隧道跨度的 10 倍。列车放置在距离隧道进口 60 m 处,确保列车进入隧道前内流场能充分发展。1.4 边界条件 采用滑移网格技术模拟列车通过隧道的过程。整个计算域被分为静止部分和滑移部分,静止部分与滑移部分的共有面设定为交界面边界,以实现列车与隧道之间的相对运动。静止部分中两端的外域均采用压力远场边界,既有隧道、施工隧道、斜井的壁面和底面以及施工隧道的 2 个作业面均设定为无滑移壁面边界,斜井封堵墙的 2 个风口设定为速度入口边界。图 3 计算域示意图Fig.3 Schematic of computational domain1.5 计算网格 计算域采用非结构化六面体网格进行划分,最小网格尺寸为 0.1 m。在斜井段网格进行了加密处理,计算模型离散后六面体单元约为 3 200 万个,如图 4所示。(a)隧道进口网格(b)斜井加密区网格图 4 模型网格图Fig.4 Model grid diagram2 计算验证 采用 Zhang12模型试验列车车尾测点压力数据来补充验证数值模拟的可靠性,本文作者也验证了其模型试验数据的准确性。测点压力计算结果与模型试验数据对比见表 1 和图 5,可见两者压力曲线吻合度较高,正压最大值、负压最大值和压力峰对峰值分别相差8.60%、3.17%和 3.66%,均在 10%以内。图 5 表明数值模拟测点压力曲线后半段响应早于模型试验,原因为模型试验中车速持续降低,而数值模拟中车速保持恒定。表 1 测点压力数据对比Table 1 Comparison of pressure data at measurement points测点压力数值计算结果/Pa风洞试验结果/Pa偏差/%正压最大值293.68270.428.60负压最大值-2 813.98-2 727.523.17峰对峰值3 107.662 997.943.66532隧道建设(中英文)第 43 卷图 5 测点压力时程曲线Fig.5 Time-history curves of measurement point pressure 由于列车受力与车体压力密切相关,因此,本文采用数值模拟方法能够合理地反映实车受力情况,可用于后续研究分析。3 列车气动力系数变化情况 研究高速列车在运行过程中的稳定性需要考察的气动力系数分别为气动升力系数、气动横力系数和倾覆力矩系数。上述气动力系数的无量纲计算公式如式(10)所示。CFy=Fy(1/2)v2Sy;CFz=Fz(1/2)v2S;CMx=Mx(1/2)v2Sh。(10)式中:Fy、Fz、Mx分别为气动升力、气动横力和倾覆力矩;为空气密度,取 1.225 kg/m3;v 为空气来流速度;Sy为列车顶部投影面积,取 678 m2;S 为列车车身投影面积,取 780 m2;h 为列车高度,取 3.9 m。3.1 计算工况 选取 3 种工况对车体自身的气动力特性展开研究,如表 2 所示。通过计算,得出在满足铁路隧道设计规范13的前提下,新建隧道 2 个作业面所需总取风量为 10 800 m3/min。表 2 计算工况Table 2 Calculated working conditions 工况备注工况 A:斜井屏蔽门关闭 屏蔽门关闭致使既有隧道内流场与斜井内部不互通 工况 B:斜井屏蔽门开启但斜井不取风 工况 C:斜井屏蔽门开启且斜井取风取风量为 10 800 m3/min3.2 列车气动力的时域特性分析 表 3 为 3 种工况下列车通过斜井段时整车气动力系数最大值,图 6 为 3 种工况下列车整车气动升力系数、气动横力系数和倾覆力矩系数随时间变化的脉动曲线。图 6 中时间 t=5.73 s 对应车头刚好到达斜井,t=7.85 s 对应车尾刚好驶离斜井。由图 6 可知,列车所受的气动力呈现出明显的非定常性。表 3 各工况气动力系数最大值Table 3 Maximum value of aerodynamic coefficient for each working condition 工况升力系数横力系数倾覆力矩系数A1.450.470.25B1.201.040.41C1.121.690.75(a)气动升力系数(b)横力系数(c)倾覆力矩系数图 6 气动力系数时间历程Fig.6 Time-history curves of aerodynamic coefficient 列车驶入隧道过程中,所受升力始终把列车压向轨道,但车尾驶入隧道后,升力系数迅速反向增大,有抬升列车的趋势。屏蔽门关闭时列车驶出隧道有瞬间的点头行为,而屏蔽门开启时列车驶出隧道较为平稳(见图 6(a)。列车通过斜井的过程中,较之屏蔽门关闭的情况,屏蔽门开启使得气动升力减小,斜井不取632增刊 1田经纬,等:隧道内斜井取风对高速列车倾覆稳定性的影响风时对应的气动升力系数最大值降低了 17.24%,而斜井取风相较斜井不取风时,列车气动升力进一步减小了 6.66%。可见,斜井取风有助于降低列车上下震荡幅度,因为斜井取风带动了列车顶面和底面附近气流,减小了列车上下的压差。列车通过屏蔽门关闭的隧道时,横力系数在零附近上下呈周期性波动;当屏蔽门开启但斜井不取风时,列车经过斜井时所受横力系数突然增大,横力作用方向指向斜井内部,最大峰值较屏蔽门关闭时增大了 121.28%,列车晃动的可能性增大,这与高龙等14联调联试所得结论一致;当屏蔽门开启且斜井取风时,列车通过斜井时横力系数进一步增长,较屏蔽门开启但不取风和屏蔽门关闭时分别增大了 62.5%和 259.57%(见图 6(b)。倾覆力矩系数与横力系数变化规律相似。列车通过斜井这段时间内,斜井取风时的倾覆力矩系数峰值较屏蔽门关闭和斜井不取风的工况分别增加了 200%和 82.93%(见图 6(c)。可见,斜井取风时的横力和倾覆力矩系数幅值最大,原因是由于斜井取风使车体近斜井侧流场压力减小,从而增大了车体两侧压力差。3.3 车体空气动力脉动均方根值根据计算结果统计出 3 种工况下 3 个气动系数的脉动均方根值,如图 7 所示,这里的均方根值是基于列车进入隧道至驶离隧道这段时间求得的。可见:屏蔽门开启时,列车升力系数脉动均方根值有所降低,斜井不取风和取风的工况下比屏蔽门关闭时分别降低了5.93%和 4.42%;屏蔽门是否开启对横力系数影响较大,斜井不取风和取风的工况下比屏蔽门关闭时分别增大了 12.60%和 33.57%;倾覆力矩系数在斜井取风工况下取得最大值,相较屏蔽门关闭时,斜井不取风和取风工况下倾覆力矩系数脉动均方根值分别增大了12.88%和 28.98%。因此,3 种工况对列车气动力指标影响程度的排序为:屏蔽门开启且取风屏蔽门开启但不取风屏蔽门关闭。图 7 不同工况下气动力系数脉动均方根值Fig.7 Root mean square values of pulsation of aerodynamic coefficients at different operating conditions3.4 列车周边流场 列车所受气动力是由列车周边流场引起的,而横向风流场是影响列车倾覆稳定性的主要原因,本节对3 种工况下列车周边横向风流场的变化情况进行分析。图 8 显示了 3 种工况下斜井中心断面在列车不同位置(车头、1/4 车身、车中、3/4 车身和车尾)时的横向风等值线云图。由图 8 可以看出,车头到达斜井时,斜井取风致使近斜井侧的横向风速变化梯度减小,平均风速较大,屏蔽门开启但斜井不取风时次之,屏蔽门关闭时横向风速变化梯度最大,但平均风速最小。在列车中部到达斜井中心前,屏蔽门关闭时列车环向空间流场较为稳定,只在屏蔽门处有一定的速度梯度变化,车身主要受到方向背离斜井的横风;屏蔽门开启时近斜井侧环向空间速度变化梯度增大,而由于取风流场的影响,斜井取风时列车中上部和底部主要受方向指向斜井的横风,且近斜井侧速度梯度比斜井不取风时大,斜井不取风时列车中下部受到方向背离斜井的横风,上部所受横风方向指向斜井。随着列车继续向前运行,屏蔽门处速度梯度降低,但斜井取风仍对车体周围环状空间有较大影响,横向风方向指向斜井,与其他 2 种工况相反。列车尾部驶离斜井时,车尾两侧出现较大的速度梯度,风速变化位置主要集中在隧道的中下部,斜井取风降低了尾部气压带来的空气惯性效应,速度梯度相较其他 2种工况有所减小。4 列车倾覆稳定性分析 前文表明,较之斜井关闭和斜井开启但不取风的情况,斜井开启并取风时列车所受气动力有所增加,列车倾覆可能性更大,这里对该工况下列车倾覆稳定性进行分析。由于斜井段较短,可视作平直线路,因此,列车倾覆稳定性主要受横力、升力和横向振动惯性力的影响,没有离心力的影响。本文采用 TB 55991985铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范15中规定的倾覆系数 D 来评定列车倾覆稳定性,并作出如下假设。1)忽略车体倾斜造成的各个作用力作用点距离轨面垂直高度的变化。2)忽略转向架所受风力影响。3)不计列车簧上质量垂直震动惯性力的影响。4)不计列车簧下质量垂直震动与横向惯性力的影响,并且假定簧下质量的重心位于轮对中心。5)略去车钩作用力影响。6)采用数值模拟计算结果最大值进行最不利情况验证,同时认为数值模拟中转向架的有无对计算结果的影响很小。732隧道建设(中英文)第 43 卷(a)屏蔽门开启且斜井取风(b)屏蔽门开启但斜井不取风(c)屏蔽门关闭图 8 斜井中心横断面在列车不同位置接近时的横向风等值线图Fig.8 Transverse wind contours of central cross-section of inclined shaft as train approaches at different locations 根据静态力矩平衡,得到倾覆系数的表达式为:D=hgb(1-1+r0hg)jag+hwp2wLHPb。(11)式中:hg为换算后的列车总重重心至轨面高,hg=hg+11+CyP2。(12)hg为列车总重中心至轨面高,hg=P2hc+P1r0P=hc+r01+。(13)Cy为单位横向力引起的车体重心横向位移,Cy=12Ky+hoCy。(14)Cy为单位力矩引起的车体重心横向位移,Cy=ho2b22K。(15)为设定系数,=P1P2。(16)hw为换算后的车体横向力中心至轨面高,hw=hw+(Cy-Cye)P2。(17)式(11)(17)中:b 为列车轮轨轴距的一半,取为717.5 mm;r0为转向架重心高度,取为 456 mm;ja为车体横向振动加速度,取为 0.26g;g 为重力加速度;p2w为列车侧面单位面积所受压力,取为 10.32 N/m2;L 为列车长度,取为 200 m;H 为列车高度,取为 3.90 m;P1为转向架总质量,取为 282.88 t;P2为列车车体质量,取为 445 t;hc为列车车体重心至轨面高,取为 1.9 m;ho为车体重心至车轴中心线高度,取为1.5 m;b2为二系弹簧横向跨距一半,取为 1 250 mm;Ky为 1 台转向架弹簧横向刚度,取为 800 N/mm;K 为1 台转向架弹簧垂向刚度,取为 2 080 N/mm;hw为车体横向力中心至轨面高,取为 2.05 m;e 为横向力中心与车体重心之间的距离,取为 150 mm。将各项参数代入式(11)(17)中,求得屏蔽门开启且取风时列车的倾覆系数为 0.55,符合规范中倾覆系数不大于 0.8 的规定,列车不会发生倾覆。5 结论与讨论 1)文中 3 种工况对列车倾覆稳定性的影响程度由小到大依次为:屏蔽门关闭、屏蔽门开启但不取风、屏蔽门开启且取风。2)列车通过既有隧道斜井段的过程中,屏蔽门开启但不取风相较屏蔽门关闭,整车所受气动横力和倾覆力矩系数最大值分别增大了 121.28%和 64%,气动升力系数最大值减小了 17.24%;屏蔽门开启且取风时,气动横力和倾覆力矩系数最大值较屏蔽门开启但不取风时分别增大了 62.5%和 82.93%,气动升力系数最大值减小了 6.6%。3)列车通过整个既有隧道的过程中,较之斜井屏蔽门关闭的情况,屏蔽门开启但不取风时,整车所受气动横力和倾覆力矩系数脉动均方根值分别增大了12.60%和 12.88%,气动升力系数脉动均方根值减小了 5.93%;屏蔽门开启且取风时,气动横力和倾覆力矩系数脉动均方根值分别增大了 33.57%和 28.98%,气动升力系数脉动均方根值减小了 4.42%。832增刊 1田经纬,等:隧道内斜井取风对高速列车倾覆稳定性的影响4)与屏蔽门关闭和屏蔽门开启但斜井不取风时相比,斜井取风致使近斜井侧环状空间横向风的平均风速增大,同时改变列车中上部空间横向风方向,由背离斜井改为指向斜井。5)依据规范计算倾覆系数后可知,在文中给定的情况下,屏蔽门开启且取风时列车不会发生倾覆,可以考虑新建隧道施工时通过斜井从既有隧道取风。限于篇幅,本文主要对斜井取风对列车倾覆性指标带来的影响进行了定性研究,后续可从不同车速、不同隧道长度、不同取风速度、不同斜井断面列车交会等方面对斜井取风带来的空气动力学影响进行综合研究。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 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