动车组穿越隧道空气动力特性分析

动车组穿越隧道空气动力特性分析

阚亮 宋巍 田粟裕

中车唐山机车车辆有限公司

摘要：在实际的车辆开发研究过程中，随着列车的提速，如何有效地利用空气动力学特性变得愈来愈重要。本项目对200km/h动车组穿越隧道空气动力特性进行数值分析研究。通过数值计算，分析流动现象、研究流动机理、积累空气动力学资料，为系统开展高速列车空气动力学研究奠定基础。

关键词：空气动力学；隧道；动车组

一 前言

列车高速通过隧道引起的空气动力学效应对列车运行的安全性、经济性和旅客乘坐的舒适性及隧道周围环境均有不良影响，是高速列车和高速铁路隧道设计中必须解决的关键技术问题。本文研究的主要内容是通过建立列车穿越隧道的三维计算模型，研究列车在隧道中的空气阻力变化、列车尾流运动状况、列车表面静压随时间变化以及隧道表面压力随时间的变化规律等。

二、计算模型描述

在计算流体动力学研究领域,计算模型没有必要完全模拟动车组的真实情况，可以抓住主要矛盾对列车进行简化。

列车计算模型取二车编组，即：动力车+动力车，车辆之间以外风挡连接。由于中间车辆截面形状不变，当气流流过车头一定距离后，绕流边界层的结构已趋于稳定^[1]。因此，将列车长度缩短也是一种合理的简化措施。

运行工况：列车以运行速度200km/h穿越隧道，隧道长度400米，隧道横断面积 59 ㎡，隧道两端建立区域模拟列车明线运行。列车通过隧道需运行8秒钟。

网格的划分采用非结构化网格，对整个计算区域采用分块划分网格原则，对车体近壁层区域的网格细化，远离车体的网格采用稀疏网格，以减少计算量和加快收敛速度，列车表面划分三角形网格，空间采用四面体和六面体混合网格，空间体单元约为193万。

三、结果分析

3.1 列车明线运行空气动力特性

为了分析列车进入隧道中运行的空气动力特性，首先计算同一模型列车在明线与列车进入隧道运行情况对比。

在明线上行驶的列车，其前端被压缩的空气可以自由向四周扩散，由于车头的挤压，使周围流场呈正压状态，压力系数为1，随着空气绕流列车速度的增加，压力逐渐降低，并在头部与车体连接处出现了第一个负压峰值，压力系数为-0.53。明线绕流列车阻力情况如表1所示。

表1 列车明线运行阻力系数

3.2 列车在隧道中空气动力特性

3.2.1 列车通过隧道压力变化

列车进入隧道时，空气流动受到隧道壁面的限制被阻滞，使列车前端静止的压力受到剧烈压缩，从而产生压缩波，并且向隧道出口传递，所以入口处隧道壁面压力升高。

列车在隧道内，由于列车边壁和隧道边壁限制了空气的侧向流动和上下流动，从而使列车前方的空气受到压缩并随列车向前移动，该处空气产生压力增量。增压后的空气又推动相邻的静止空气向前运动，并产生压力增量，这样依次传递下去，在隧道内形成了压力扰动波阵面。该波阵面以声速沿隧道向前传播，波阵面前方的空气流速为零，而波阵面后方的空气以一定的流速随列车沿隧道向前流动。

当列车尾部驶入隧道后，由于尾部压力比列车与隧道之间形成的环状空间中的空气压力和隧道外的大气压都低，在车尾形成回流和尾涡。

3.2.2 列车阻力系数变化

在隧道中高速运行的列车，其空气阻力比明线运行时大，使列车动力和总能量消耗增加。

当列车进入隧道时，空气阻力急剧上升，最高阻力系数为2.45，比列车稳态运行增加了797%。其后由于隧道中压缩波和膨胀波的传播，仍保持高的空气阻力状态，当列车接近隧道出口时，由于列车头部空气向隧道外散开，列车头部承受压力下降，阻力系数迅速下降。

表 2 列车阻力变化对比

表2是列车在明线、进入隧道、在隧道中和出隧道四种情况下的阻力变化对比。此表说明列车进入隧道阻力产生很大变化。

3.3 隧道内压力变化

在隧道中交替出现的压缩波和膨胀波，除向前运动外，还在隧道壁面形成反射波，使隧道内的空气压力不断发生剧烈变化。列车头部进入隧道时，产生的压缩波以音速传播的隧道壁面，压力开始上升。列车头部通过某位置时，隧道壁面压力下降，而列车尾部通过该位置时，壁面压力上升^[2-3]。

四、结语

通过列车穿越隧道过程的数值计算，可形象地对隧道内的空气流场作出分析和评价，得出结论如下：

1) 采用非结构化网格对计算区域进行网格划分，对列车与隧道之间的相对运动采用滑动网格技术，实现了列车与隧道之间的相对运动。

2）列车在隧道中运行，其表面空气压力幅值变化将远远超过明线运行，使车辆结构受到很大的瞬态冲击力。

3）列车在隧道中运行，列车车厢中部承受较大负压，头车最高负压值达到-4090 Pa。比明线运行增加了3152%。尾车中部负压值达到-4250 Pa，比明线运行提高了3835%。

4）列车进入隧道，在列车前端产生压缩波，并且向隧道出口传递，列车尾部进入隧道，产生膨胀波，并沿隧道向出口方向传递。在隧道中交替出现的压缩波和膨胀波，除向前运动外，还在隧道壁面形成反射波，使隧道内的空气压力不断发生剧烈变化。隧道内表面上的空气压力变化影响隧道内部结构，对隧道内部灯具等照明设施有影响。

参考文献：

[1] 赵文成，高波，骆建军.高速列车通过隧道的三维数值模拟.西南交通大学.1001－4632（2003）05－0096－05

[2] 琚娟，高波，赵文成.高速列车通过隧道时隧道内压力变化的试验研究.西南交通大学.2003

[3] 武青海. 列车空气动力学数值仿真研究. 中国铁道科学. 2002, 23(4): 132～138.