高速铁路隧道横通道气动效应研究.pdf

2 0 1 1 年第 1 2期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 57 文章编 号 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 1 1 2 0 0 5 7 - 0 4 高速铁路隧道横通道气动效应研究 戴 文 ， 高 波 ， 赵 文成 1 ． 西南交通大学 土木工程学 院 ， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ； 2 ． 中铁第 四勘察设计院集团有限公司 ， 湖北 武汉4 3 0 0 6 3 摘要 利用三维、 可压缩、 非定常的 Ⅳ 一s方程和 一s双方程湍流模型 ， 通过有限体积法进行 区域 离散， 对高速列车通过无横通道隧道和设置有横通道的双洞单线隧道时所引起的气动效应进行模拟。研究表 明 横通道能有效减缓高速列车进入隧道时引起 的气动效应； 横通道的横截 面积、 长度 以及 个数等参数 对其减缓 气动效应有着重要的影响 ； 随着横通道个数的增加 ， 最后一个横通道 附近测点的压力梯度峰值 随横 通道 个数 的增 加逐 渐 减小 ， 洞外微 压 波压 力值 亦 随之 逐 渐 削减 。 关键 词 高速铁 路 隧道横 通道 气动效 应 数值模 拟 压 力梯度微 压 波 中 图分类 号 U 4 5 3 ． 4文 献标 识码 A 高速列车突入隧道时 ， 由于空气 流动受到列车壁 面和隧道壁面的限制 ， 列车前面将产生一个 以声速 向 前传播的压缩波 ， 当此波传至隧道出 口时大部分 向进 口产生膨胀波 ， 同时另一小部分在隧道 出 口以脉冲波 即微压波 的形式 向周 围地 区辐射 出去 ， 发 生爆炸 声 ， 并使得隧道出口附近房屋的窗框 、 百叶窗等结构发 生剧烈振动 ， 产生二次噪声问题 。这将 给隧道 出口附 近居 民的生活带来严重影响， 而且随着列车速度 的提 高 这种 空气 动力 学 效 应会 变 得 越 来 越 严 重 。 因此 ， 微 压波是 高速 铁 路沿 线 环境 问题 的一 个不 可 忽视 的 因素 引。 在高速铁路建设 中， 对于双洞单线隧道通 常会设 置一些横通道， 一方面出于施工要求 ， 另一方面也可以 起到运营期 间救灾 的作用 。而研 究结果表 明， 隧 道 内合 理设 置横 通道 还能 有效 减缓 隧道 内瞬变压 力和 洞 口微 压波 效应 ， 从 而 可 以减 少 对 洞 口周 围 环境 的影 响， 以及减少隧道净空面积， 降低工程造价 。 。 。然而 利用横通道减缓高速列车进 出隧道 的空气动力学效 应 ， 其影响因素很多 ， 对于给定列车运行速度及 隧道特 点的情况下 ， 横通道参数的确定将直接影响其缓解气 动效应的优劣 ， 因此有必要对这些参数进行研究。限 于 篇 幅 ， 本 文重点 研 究 了其 中横 通道 的横 截 面积 、 长度 以及个 数这 三个 参数 对洞 口微 压波 压力 大小 的影 响 。 关于微压 波的研究方法 ， Y A M AMO T O曾应 用远 场 、 低频近似法得出了微压波的压力值与到达隧道 出 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 ． 1 1 ； 修回日期 2 0 1 1 0 9 0 9 基金项 目 铁道部科技发展计划资助项 目 2 0 0 8 G 0 3 1 一 M 作者简介 戴文 1 9 8 5 一 ， 男 ， 湖北武汉人 ， 硕士研究 生。 口处压缩波的压力梯度成正 比的结论。而列车过隧道 属于三维 、 可压缩 、 非定常湍流流动问题 ， 因此本文在 分析横通道缓解隧道气动效应时 ， 利用基于有限体积 法的大型流体软件 F L U E N T 6 ． 3通过求解三维、 可压缩 的 N a v i e r S t o k e s 方程 ， 采用 比较压力梯度 降低率的方 法来反映降低微压波的效果。 1 数值计 算模 型 1 ． 1 控制方 程 列车过隧道的湍流流动问题非常复杂 ， 为了保证 车一 隧耦合气动效应计算精度 ， 本文采用黏性流体计 算 ， 并将空气视为理想气体 ， 求解 N a v i e r --S t o k e s 方程 以下简称为 Ⅳ 一Js 方程 ， 得到流场的数值解。 Ⅳ 一s方程包括质量守恒方程、 动量守恒方程和能 量守恒 方程 。 质 量 守恒方 程为 p u i 0 1 a ． 、 、 式 1 中， 为气体速度分量； p为气体密度 ； 为坐标 分量 。 动量 守恒方 程 为 昙 去 一 毒 差 差 一 警 ] c2 式 2 中， P为压强 ； t z为动力黏性系数 ； 6 为克罗内克 符号 ， 当 i 时， i 1 ． 0 ， 当 i j 时， 0 。 能量守恒方程为 击 p E 矗 p E p ] 毒 K 瑟 u 3 铁道建筑 其 中 ， 考 罄一 2 式 3 中， 为绝对温度 ； EC T ， 为单位体积总能 ， c 为定容 比热 ， 为热传导系数。 高速 铁路隧道 空气动 力效应 中雷诺 数 R e约为 1 1 0 远 大 于4 0 0 0 ， 处 于 湍 流 状 态 ， 因此 需 要 引 入 湍 流模式与 Ⅳ 一Js 方程耦合求解。湍流模式采用标准的 后 一s模型。上述方程结合气体状态方程组成封闭方 程组 ， 即可对其进行数值求解。 1 ． 2 计 算模型 实际 C R H3动车组一般 由 8节 车组成 ， 本次简化 计算采用单节车模型， C R H 3动车组计算模 型见 图 1 ， 列车模型长度 1 0 0 I 1 1 ， 高度为3 ． 8 9 I I 1 ， 宽度为 3 ． 2 6 6 m， 列车横截面积为 1 1 ． 6 2 4 m 。单线隧道长 5 0 0 m， 其宽 度为 9 ． 1 m， 高为 7 。 6 9 m， 净空面积为 7 0 ． 0／ ／ 1 ， 隧道阻 塞比0 ． 1 6 6 ， 列车头部距离隧道入 口3 0 m， 第一个横通 道距离 隧道 入 口 3 0 m。 图 1 C R H 3型动车组计算模 型 1 ． 3网格 划分 对于列车过隧道的流场计算 ， 由于列车与隧道 、 列 车与列车之间存在相对运动， 为此 ， 计算区域采用分区 对接滑移 网格技术 ， 其中隧道和地面用六面体结构化 网格离散 ； 列车 由于其外形为三维 自由曲面 ， 用四面体 非结构化 网格离散。为体现物体的相对运动， 在两种 网格间采用数据交换的公共滑移界面。考虑到壁面边 界层的影响 ， 对列车附近及其 隧道截面突变处进行 网 格加密。各种工况所用计算模型经离散后， 其混合体 网格总数 均 在 1 0 0万 左 右 。 隧 道 及 横 通 道 网格 示 于 图 2 。 1 ． 4边 界条件 对于列车表面 ， 给定运动边界条件， 其速度为 z 方 向速度分量等于给定 的列车运行速度 ， ， l ， 向速 度分量等于 0 。进出口边界条件 ， 相对压强均为 0 。流 域两侧面、 顶面为远场边界条件 ， 隧道及流域地面给定 无滑移边界条件。对于 一 双方程湍流模型 ， 壁面采 用标准壁 面函数。 1 ． 5 测 点布 置 各工况所设测点在隧道正截面上 的位置 距离隧 a 隧道壁面及地面网格 b 横 通道 网格 图 2 计 算网格图 道轨面高度 2 ． 0 m， 距离横通道侧隧道边墙 0 ． 8 I ll_ 。测 点 在 隧 道 轴 向 的位 置 无 横 通 道 工 况 距 离 隧 道 入 口 1 0 0 11 1 ， 有横通道工况为距离最后一个横通道 5 0 m处。 2 数值计算结果及分析 2 ． 1 横通道截面面积对隧道气动效应的影响 关于横通道截面面积对 隧道气动效应的影响， 分 别计算 了单个横通道截面面积分别为 1 5 m ， 3 0 m ， 4 5 m 三组参数工况和无横通道工况 ， 并进行对 比分析。 各工况测点的压力梯度曲线如图 3所示 零时刻为列 车进入隧道时刻 。各工况测点 的压力梯度峰值 比较 见表 1 。 表 1 横通道横截面积不 同时与无横通道压力梯度峰值 b E 较 由上述计算结果可以看出 1 设置单 个横通道 以后 ， 与无横通道 时相 比， 压 力梯度峰值明显下降 ， 根据洞 口微压波压力大小与压 力梯度值成正比的关系， 设置横通道后微压波峰值亦 将减小 。由此表明， 横通道对缓解气动效应是有利的。 2 随着横通道横截 面积的增大 ， 测点 的压力梯度 峰值逐渐减小， 其中横截面积为 4 5 m 工况压力梯度 峰值最小 ， 与无横通道工况相 比降幅最大， 为 2 0 ． 1 ％， 2 0 1 1 年第 1 2期 高速铁路 隧道 横通 道气动效应研 究 5 9 ● V l 6 一 萋 羹 s 4 、 2 0 ． 1 0 b 1 ， 0 ．2 0 ． 3 、 嘣 O 5 0 ． 6 0 ．7 O ● 时 暗1 1 图 3 横通道横截面积不同时测点 的压力梯度 曲线 比较 降幅明显。由此表明， 仅从 降低隧道气动效应 的角度 考虑 ， 增大横通道横截面积是非常有效的。 3 然 而实际工程 中 ， 工程造价 是不可 回避 的问 题 ， 横通道横截面积的增大直接带来工程造价的增加 ， 因此需要考虑其性价 比。由此 ， 引入单位面积缓解效 果这个指标 ， 即降低 幅度 与横通道截面面 积的 比值。 由表 1计算数据 ， 横通道截面积为 3 0 m 的单位面积 缓解率最大 ， 为 0 ． 4 7 ％ ， 其利用率最佳 。 2 ． 2 横 通 道长 度对 隧道气 动效 应 的影 响 对于横通道长度对隧道气动效应的影响， 分别计算 了单个横通道长度分别为 1 0 m， 2 5 m， 5 0 m三组参数工 况和无横通道工况 ， 并进行对比分析。各工况测点的压 力梯度曲线如图 4所示 零时刻为列车进入隧道时刻 。 各工况测点的压力梯度峰值比较如表 2所示。 表 2 横通道长度变化 与无缓冲结构压 力梯度峰值 比较 u 1 6 1 2 曼 霉8 4 ．． 图 4 横通道长度不 同时测点的压 力梯 度曲线比较 由上述计算结果 ， 横通道长度为 1 0 m， 2 5 m， 5 0 m 时横通道附近测点压力梯度峰值分别为无横通道时的 7 9 ． 7 ％ ， 8 5 ． 9 ％和 8 7 ． 0 ％ 。可 以看 出， 横通道 长度变 化对压力梯度峰值的影响非 常明显 ， 压力梯度峰值随 横通道长度 的减小而减小。因此 ， 在工程应用中， 在条 件允许的情况下 ， 应尽可能减小横通道的长度 ， 一方面 可降低造价 ， 另一方面更有利于减缓隧道气动效应。 2 ． 3 多个横通道对隧道气动效应的影响 由上述对单个横通道 的横截面积 、 长度参数的分 析结果 ， 选择其 中典型横通道参数研究 多个横通道对 6 0 铁道建筑 隧道气动效应的影响。其 中， 第一个横通道距离 隧道 人 口3 0 n l ， 其它相邻横通道净间距 3 0 i n ， 横通道横截 面积均为 3 0 in ， 横通 道长度 为 2 5 in。 图 5 横通道个数与其压力梯度峰值 占 无横通道 比值 的拟合 曲线 图 5为 1～ 6个 横 通 道 工况 与无 横通 道 工 况 压力 梯度峰值比较。从图 5拟合关系曲线来看 ， 横通道个 数与其对应压力梯度峰值占无横通道工况的比值成二 次抛物线关系。随着横通道个数 的增加 ， 压力梯度峰 值逐渐减小 ， 且减小趋势越来越缓和， 其 中当横通道个 数为 6个时， 压力梯度峰值为无缓冲结构的 2 6 ． 9 ％， 降幅非常明显。另外 由拟合关系 曲线可预测 出， 当横 通道个数增加到 8个时， 其压力梯度峰值达到最小 ， 此 时为无横通道时的2 1 ． 4 ％。因此 ， 增加横通道的个数 对于降低压力梯度峰值 ， 削减洞 口外微压波压力峰值 是非常有效的。但是增加横通道个数也会带来建设成 本的提高， 这就需要结合工程实例 ， 根据隧道特点确定 经济合理的方案。 3‘结 论及 建 议 通过对时速 3 5 0 k m C R H 3型高速列车突入无横 通道隧道和双洞单线隧道设置不同横截面积、 长度及 个数的横通道的三维数值模拟研究 ， 得到的主要结论 及 建议 如下 1 横通道可以有效减缓隧道 内压力梯度峰值 ， 进 而可以有效削减洞外微压波压力峰值， 减小对洞 口附 近环境的影响。而压力梯度峰值的大小与横通道的横 截面积、 长度 以及个数等参数有关。 2 随着横通道横截面积的增大 ， 压力梯度峰值逐 渐减小。考虑经济因素 ， 对于双洞单线高速铁路隧道， 在设计中若有条件设 置横通道时 ， 推荐使用单位面积 压力梯度峰值的减缓率比较经济的 3 0 in 的断面。 3 随着横通道长度 的增加 ， 横通道附近测点 的压 力梯度峰值逐渐增大， 即表明减小横通道长度对减缓 气动效应是有利的， 因此设计 中若有可能应尽量减小 横通 道 的长 度 。 4 横通道按照 3 0 in等 间距增加时 ， 横 通道个数 与其对应的压力梯度峰值占无横通道的 比值成二次抛 物线关系， 随着横通道个数的增加 ， 压力梯度峰值逐渐 减小 ， 其减小趋势随个数的增加越来越缓和。根据拟 合 曲线关 系 ， 可 以预测 当横 通道个 数增 加到 8 个 时 ， 压 力梯度峰值达 到最小值 ， 为无横通道时的 2 1 ． 4 ％， 此 时洞外微压波峰值将得到大幅削减。 5 在实际工程设计 中， 在其它缓冲设施实施受 限 的情况下 ， 设置横通道是减缓气动效应 的一个有效措 施 ， 其中横通道个数的确定可根据工程地质情况 、 隧道 特点以及经济等综合因素确定出比较合理的方案 。 参 考 文 献 [ 1 ] Y A M A MO T O A ． Mi c r o p r e s s u r e w a v e f r o m t u n n e l e x i t[ J ] ． P r e p r i n t o f t h e P h y s i c a l S o c i e t y o f J a p a n ， 1 9 7 7， 4 4 4 ． [ 2 ] O Z A WA S ， M A E D A T ， U C H I D A K， e t a 1 ． C o u n t e r m e a s u r e s t o r e d u c e mi c r o p r e s s u r e wa v e s r a d i a t i n g f r o m e x i t s o f Sh i nk a n s e n T u n n e l s[ c ] ／ ／ P r o c ． 7 t h I n t ． S y m p ． A e r o d y n a m i c s a n d v e n t i l a t i o n o f v e h i c l e s ， 1 9 91 2 53 2 66． [ 3 ] 赵文成 ， 高波 ， 漆泰岳． 高速铁路 隧道 出口微 压波及其 主被 动减缓措施 [ J ] ． 石 家庄铁道学 院学报 ， 2 0 0 4 ， 1 7 3 5 9 ． [ 4 ] 王悦新 ， 刘启琛 ， 何树第 ． 降低 高速铁路 隧道空气动 力效应 的工程对策 [ J ] ． 铁道建筑 ， 1 9 9 4 2 1 0 1 3 ． [ 5 ] B U C H MA N N R， WE T Z E L R ． A e r o a n d t h e r mo d y n a m i c m o d e l s f o r e n e r g e n c y a i r flo w s i mu l a t i o n s i n t h e Go t t h a r d Ba s e Tu nn e l [ c] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f 2 0 0 6 C h i n a I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n Hi g h s p e e d Ra i l wa y Tu nn e l s， 2 0 06 1 0 4 1 1 2． [ 6 ] V A D Y A E ． U n s t e a d y a i r f l o w s i n r a p i d t r a n s i t s y s t e m s P a r t 2 T h e o r e t i c a l b a c k g r o u n d a n d d e s i g n p a r a m e n t e r s [ J ] ． P r o c I n s t n Me c h E n g r s ， 1 9 8 0， 1 9 4 3 4 9 - 3 5 6 ． [ 7 ] 岳楹沁 ， 高波． 横通道对隧道出 口微压波影 响的数值模 拟研 究 [ J ] ． 华 东交通大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 3 5 2 0 2 3 ． [ 8 ] 李志伟 ， 梁 习锋 ， 张键． 横通道对缓解 隧道 瞬变压力 的研究 [ J ] ． 铁道科学 与工程学报 ， 2 0 1 0 ， 7 4 3 7 4 1 ． 责任审编 白敏华 ∞ 如加 ∞如 ∞ 如加 m 0／ 0 ， H 爨 题H靶魁耱