套衬对隧道空气动力学效应的影响研究.pdf

66 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i n g 文章 编号 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 5 1 2 0 0 6 6 ． 0 4 套衬对 隧道 空气动力学效应 的影响研究 李红梅 ， 刘 磊 ， 白 鑫 ， 孙丽 霞 ， 宣 言 ， 刘堂红 1 ． 中国铁道科 学研究 院 铁道科学技术研究发展 中心 ， 北京1 0 0 0 8 1 ； 2 ． 中南大学 ， 湖南 长沙4 3 0 0 7 4 摘要 基 于有限体 积 法 ， 采用 流体动 力 学计 算软件 建 立动 车组 通过 带有套 衬 隧道 的 空 气动 力 学模 型 ， 运 用滑移网格技术数值模拟了动车组通过隧道时的三维非定常可压缩外流场 ， 分析套衬位置和厚度对车 体表 面、 隧道 壁 面压力 的影响 ， 并与 试验 结果进行 了对 比。研 究 结果表 明 套衬 位 于隧道入 17时 ， 车体 表 面压 力 变化 最 大， 比无套 衬 时增加 6 ． 5 8 ％ ， 套衬 位 于 隧道 出 口时 ， 车体表 面的 压 力 变化 最 小 ； 套 衬 位 置 对 隧道 内压 力分布 规律 影响较 小， 隧道壁 面压 力 变化 最 大值 均 出现 在距 进 口1 4 9 2 m附近 ． 套 衬 位 于隧 道入 口时 ， 大 多数监 测 点的压 力均 最大 ， 套 衬位 于 隧道 出 口时 ， 隧道壁 面大 多数 监 测点 的压 力相 对较 小 相对 于无套 衬 时 ， 压 力变化 最大值增 幅 为 2 ． 4 4 ％ ， 降幅 可达 2 ． 0 3 ％ ； 随 着套 衬厚度 的增 加 ， 隧道壁 面、 车 体 表 面压 力 变化 最 大值 不断 增加 ， 比无套衬 时分别增 加 约 4 ． 3 9 ％ 和 7 ． 9 0 ％ 。 关 键词 高速铁 路 隧道 套衬 数 值模拟 压力 变化最 大值 中 图分 类号 U 4 5 r_ 3 文 献标识 码 A D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 3 1 9 9 5 ． 2 0 1 5 ． 1 2 ． 1 8 铁 路 隧道 由于地质 、 气候 等原 因产生 结构变 形 、 开 裂 、 错 台 、 渗漏 水从 而 威 胁 到列 车 安 全运 营时 ， 一 种 处 理 措施 是 在 隧 道 内增 设 套 衬 ⋯ 。隧 道 增 设 套 衬 后 有 效净空面积减小且突变 ， 会影响动车组高速通过隧道 和在隧道内交会时的空气动力学效应 ， 使 车体表面和 隧道内的气动特性发生变化 ， 旅客乘坐舒适性和列车 运行安全受到影响。不 同速度等级、 隧道长度 、 缓冲结 构等因素对隧道空气动力学效 应的影 响已有 大量研 究 ， 但是 目前 尚缺 乏 隧 道增 设 套衬 后 的空 气 动 力 学效应的研究。本文基于有限体积法 ， 采用计算流体 动力 学 C F D 软 件 ， 建 立 了高 速列 车 通 过 隧道 的空 气 动力 学模 型 ， 运 用滑 移 网格 技 术数 值 模 拟 了高速 列 车 通过套衬后隧道 内的三维外流场 ， 并结合实车试验 ， 获 得了隧道增设套衬对其空气动力学效应的影响 ， 研究 了高速列车空气动力学效应随套衬位置、 套衬厚度等 因素 的变 化规 律 。 1 计算模型 采用流体动力学计算 软件 F L U E N T进行数值模 拟。F L U E N T基于有 限体积法 ， 有 限体积法将计算 区 域划 分 为一 系列不 重 复 的控 制 体积 ， 并使 每 个 网 格点 周 围有一 个控 制体 积 ， 将 待解 的微 分 方程 对 每 一个 控 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 1 7； 修回日期 2 0 1 5 1 1 0 2 基金项 目 中国铁路 总公 司科研试 验专项 Z 2 0 1 3 0 4 0 ； 国家铁路 局科 技研究计划项 目 K F 2 0 1 4 0 4 2 作者简介 李红梅 1 9 8 4 一 ， 女 ， 助理研究员 ， 博 士。 制体 积积分 ， 得 出一组 离散方 程 。 动车组 高 速 通 过 隧 道 的 计 算 过 程 属 于 大 区 域 变 形 ， 对 于大 区域 变形 运动 ， 采用 C F D的滑移 网格 技术 。 在动车组运行的过程 中， 必须根据动车组的运动对网 格不 断地作 相应 的 调整 。在 每 一 时 间步 ， 需要 及 时 给 C F D计 算提 供信息 ， 使 用 滑移 网格来 适 应 列 车运 动 的 物面。因此将计算域分为 5部分 ， 分别为车体 、 车前部 分 、 车后部分、 隧道部分、 隧道外延部分。 计算 介质选 用 可压 缩 空 气 ， 其 常态 下 的 密度 取 为 1 ． 1 8 5 k g ／ m ， 热膨 胀系 数取为 0 。 0 0 3 3 5 6 m ／ K， 比热 容 取 为 1 ． 0 0 4 4 k J ／ k g K 。 1 ． 1 计算 模型 建模选用 C R H 2型动 车组 ， 采用 8辆 编组 ， 总长 度 、 宽度 、 高度 分别 为 2 0 1 ， 3 ． 3 8和 3 ． 7 0 i n 。在 不 改变 列 车横截 面面 积 、 车头 纵 向长 度 的情 况 下 ， 对 车 头 形 状 、 受 电弓等进 行 了简化 。 隧道 长度 为 1 9 0 7 m， 进 口为 普 通结 构 ， 出 口为斜 切帽檐 式结 构， 进 出 口均设 置封 闭开 孔段 长 度 为 3 1T I ， 距端头 1 5 I l 1 ， 出口设置长度为 1 0 m的斜切段缓 冲结构 。 隧道 内轮 廓 均采 用 单 洞 双线 断 面 ， 净 空 有效 面积 1 0 0 1T I ， 双线 隧道 左右 线 间距 5 ． 0 m。套 衬段 增 设 钢筋 混凝 土套拱 ， 设 于 隧道 既 有 内轮 廓 内缘 。增设 套拱段两端采用渐变方式过渡 ， 与未设套拱段连接 ， 厚 度 3 0 c m， 长度 8 9 m， 距 离隧 道进 口 6 7 5 I n 。增设 套衬 段 隧道有效 净空 面积 由原来 的 1 0 0 1 1 3 变 为 9 2 ． 8 7 m 。 隧道进 出 口模型如 图 1所示 。 6 8 铁道建筑 图 3 隧道壁 面压力变化最大值 由图 3可知 隧 道壁 面 压 力 变化 最 大值 均 出现 在 距进口1 4 9 2 m附近 ； 套衬位置并没有影响隧道内压力 分 布规律 ， 套衬 位于 隧道入 口时 ， 大多 数监测 点 的压 力 均最 大 ， 套 衬位 于隧 道出 口时 ， 隧道壁 面大多 数监测 点 压力 相对 较小 。 距隧道入 口1 4 9 2 m处隧道壁面压力变化最大值 如 表 3所 示 。 表 3距隧道入 口 1 4 9 2 i n处壁面压力变化最大值 由表 3可 知 ， 隧道 内压力 变化差 异 比较 明显 ， 最 大 增幅为 2 ． 4 4 ％， 降幅可达 2 ． 0 3 ％。 2 套衬厚度的影响分析 当套衬位于隧道入 1 1 ， 长度为 8 9 I n ， 厚度分别为 2 0 0 ， 3 0 0 ， 4 0 0 ， 5 0 0 m m 时 ， 车 体表 面监测 点压 力 变化 最 大值 如 图 4所示 。 图 4车体表面监测点压力变化最大值 由图 4可知 ， 车 体 表 面压 力 变 化最 大 值 随 着套 衬 厚度的增加不断增加 ， 套衬厚度 5 0 0 m m 时车体表 面 压 力变 化最 大 。 动车组鼻尖处压力变化最大值如表 4所示。 表 4 动车组鼻尖表面压力变化最大值 随套衬厚度 的变化 由表 4可知 ， 车体表面监测点压力变化最大值相 对于无套衬时最大增加约 7 ． 9 0 ％。 套衬厚度 分别 为 2 0 0 ， 3 0 0 ， 4 0 0， 5 0 0 m m 时， 隧道 壁面监控点压力变化最大值计算结果如图 5所示。 图 5 隧道壁面压 力变化最 大值 由图 5可 知 ， 隧 道 壁 面压 力 变 化最 大 值 随 着套 衬 厚 度 的增加 不 断增 加 ， 套 衬 厚 度 5 0 0 1 3 1 1 ／ 1 时 隧道 壁 面 压力变 化最大 。 当套衬位于隧道入 口， 距入 口1 4 9 2 m处隧道壁面 压力 变化最 大值 如表 5所 示 。 表 s 距入 口 1 4 9 2 i n处 隧道壁面压力变化最大值随套衬 厚度 的变化 由表 5可知， 套衬位于隧道入 口， 套衬厚度分别为 2 0 0 ， 3 0 0 ， 4 0 0 ， 5 0 0 m m时， 随着套衬厚度的增加 ， 隧道 壁面压力变化最大值不断增大 ， 相对于无套衬时 ， 最大 增加约 4 ． 3 9 ％。 4 结论 本文采用流体动力学计算软件建立了 C R H 2 型动 车组通过增设套衬隧道的空气动力学模型 ， 研究分析 了套衬 位置 和厚 度对列 车车体 表 面及隧道 壁面 压力变 化最大值的影响 ， 主要结论如下 O 8 6 4 2 0 8 6 4 2 O 4 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 ＼ K嚼 R 4 2 O 8 6 4 2 O 3 3 3 2 2 2 2 2 日 曼 ＼ 蜡 出 2 0 1 5年第 1 2期 李红梅等 套衬 对隧道空气动力学效应 的影 响研究 6 9 1 仿真计算与试验结果两者偏差在 1 0 ％以内， 表 明本次计算采用参数合理、 模型正确。该模型能精确 模拟 动 车组 通过 隧道 时 的三维 外 流场 。 2 套衬位于 隧道入 口时动车组车体表 面的压力 变化最大 ， 套衬位于隧道 出V I 时车体表 面的压力变化 最 小 。 3 套衬 位 于 隧 道 入 口时 车 体 表 面 压 力 变 化 最 大 值 比无套衬 时增加 6 ． 5 8 ％； 套衬位 于其他位 置时 ， 压 力 变化 最 大值 相差 不超 过 3 ％ 。 4 套衬位置对隧道内压力分布规律影 响较小 ， 隧 道 壁 面压 力最 大值 均 出现 在距 进 口1 4 9 2 m附近 ， 套衬 位 于 隧道 入 口时 ， 隧 道 壁 面大 多 数 监 测 点 的 压力 均最 大 ， 套衬 位 于 隧 道 出 口时 ， 大 多 数 监 测 点 压 力 相 对 较 小。相 对 于 无 套 衬 时 ， 压 力 变 化 最 大 值 增 幅 为 2 ． 4 4 ％ ， 降幅可达 2 ． 0 3 ％。 5 随着套衬厚度 的增加 ， 隧道壁 面、 车体表 面监 测点 压力 变 化最 大值 不 断增 大 ， 相 对 于无套 衬 时 ， 分 别 增 加 4 ． 3 9 ％ 和 7 ． 9 0 ％ 。 参 考 文 献 [ 1 ] 吴治家 ． 套衬 技术在隧道病 害整治工 程 中的应 用 [ J ] ． 铁道 建筑技术 ， 2 0 1 1 1 1 3 1 3 3 ． [ 2 ] 骆建军 ， 姬海东． 高速列 车进入 有缓 冲结 构隧道的压力变化 研究 [ J ] ． 铁道学报 ， 2 0 1 1 ， 3 3 9 1 1 4 1 1 8 ． [ 3 ] 李 炎 ， 高孟理 ， 周呜镝 ， 等． 铁路隧道列车活塞风的理论研究 与计算方法的探讨 [ J ] ． 铁道学报 ， 2 0 1 0， 3 2 6 1 4 0 1 4 5 ． [ 4 ] 李炎 ， 周 呜镝 ， 张健． 铁路 隧道 内车 头绕流 阻力系数 的确定 [ J ] ． 兰州交通 大学学报 ， 2 0 1 2， 3 1 3 7 5 7 8 ． [ 5 ] 戴国平． 英法海峡 隧道 空气 动力 学及通 风系统介 绍 [ J ] ． 铁 道建筑 ， 2 0 0 1 1 3 6 ． [ 6 ] 赵文成 ， 朱丹 ， 肖明清． 越 江铁路 隧道空气 动力学 效应 的数 值模拟 [ J ] ． 铁道建筑 ， 2 0 0 7 1 2 4 2 - 4 4 ． [ 7 ] 琚娟 ， 高波． 高速铁路隧道 内空气流场 的流动显示 [ J ] ． 铁道 建筑 ， 2 0 1 3 1 0 5 O 一 5 2 ． [ 8 ] 王英学 ， 高波． 高速列车进 出隧道空气动力学研究 的新 进展 [ J ] ． 中国铁道科学 ， 2 0 0 3 ， 2 4 2 8 3 8 8 ． [ 9 ] 傅德薰 ， 马延文 ． 计 算流 体力 学 [ M] ． 北京 高 等教 育 出版 社 ． 2 0 0 4 ． Re s e a r c h o n i n f l u e n c e o f a d d e d l i n i n g o n a e r o d y n a mi c s e ffe c t i n t un n e l LI Ho n g me i ， L I U L e i ， BAI Xi n ， S UN Li x i a ， XUAN Ya n ， LI U Ta n g h o n g 1 ． R e s e a r c hD e v e l o p m e n t C e n t e r o f R a i l w a y S c i e n c e s a n d T e c h n o l o g i e s ， C h i n a A c a d e m y o f R a i l w a y S c i e n c e s ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ； 2． C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y， C h a n g s h a Hu n a n 4 3 0 0 7 4， C h i n a Ab s t r a c t Th e a e r o d y n a mi c mo d e l o f E MU E l e c t r i c Mu t i p l e Un i t s p a s s i n g t u n n e l wi t h a d d e d l i n i n g wa s e s t a b l i s h e d ba s e d o n t h e f i ni t e vo l u m e m e th o d by c o mp ut a ti on a l f l ui d d yn a mi c s s o f t wa r e ． The 3D u ns t e a d y c o mpr e s s i b l e f l ow f i e l d of the m o de l wa s s i m ul a t e d by a p pl yi ng d yna m i c me s h t e c hn ol o g y． I nf l ue n c e of l oc a ti o n a nd t hi c k ne s s o f a dd e d l i ning o n pr e s s ur e o n t r a i n bod y a n d l i ni ng s ur f a c e wa s a nalyz e d， a nd wa s c o m p a r e d wi t h t e s t r e s ul t s ． The r e s e a r c h r e s ul t s s ho w tha t whe n a dde d l ining i s l oc a t e d a t t u nn e l e nt r a nc e， pr e s s ur e o n tra i n bo dy i s m a xi mum ， a nd i s inc r e a s e d by 6． 5 8％r e l a ti ve t o tunne l wi th o u t a d de d l i ning． W he n a dd e d l i n ing i s l oc a t e d a t t un ne l e xi t ， p r e s s u r e on t r a i n bod y i s mini mum ．The l o c a tio n o f a dd e d l i ning h a s a l i t t l e inf l ue nc e o n t he d i s t r i bu t i o n l a w of pr e s s ur e i n tu n ne 1 ．The ma x im um pr e s s ur e f l uc t ua tio n o n l i n i ng i s a ppe a r e d a t th e l o c a ti on 1 49 2 m f r o m t u nn e l e n t r a n c e ． Pr e s s ur e s o n mo s t m o n i t o r y p o in t s a r e m a x im um whi l e a d de d l ini ng i s l o c a t e d a t t u nne l e n t r a nc e， a nd a r e s ma l l e r wh ile a d de d l inin g i S l o c a t e d a t t un ne l e x i t ． The m a xim um p r e s s ur e f l u c t ua ti o n i s i n c r e a s e d b y 2． 44％o r d e c r e a s e d b y 2． 0 3％ ． M a x im um pr e s s ur e f l uc t ua ti o ns o n t r a i n bo dy a nd l i n i ng s ur f a c e i nc r e a s e wi t h the i nc r e a s ing of a d de d l i ning thi c kn e s s ． M a xi mum pr e s s u r e f l uc tu a tio n o n t r a i n b od y i s inc r e a s e d b y 4． 39％ ， a nd tha t o n l i n i ng s ur f uc e i s in c r e a s e d by 7 ． 9 0％r e l a t e t o t u nne l wi th o ut a dd e d l i ni ng ． Ke y wor ds H i g h s pe e d r a i l wa y； Tun ne l ； Ad de d l ini ng； Nu m e r i c a l s im ul a t i o n； M a xi mum p r e s s ur e f l uc t ua t i o n 责任审编李付军