高速铁路隧道竖井位置对瞬变压力的影响研究

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【摘 要】通过数值模拟，在既定工况下针对高速铁路隧道竖井的设置位置，对隧道内车体瞬变压力的影响展开研究，确定竖井位置的合理设置原则，参考以往研究成果，为类似工程提供有价值的借鉴。

【关键词】高速铁路隧道；竖井；瞬变压力

1 引言

近些年，我国大力发展高速铁路，已建成并成功运营多条高速铁路。我国属多山国家，长大隧道的出现在所难免。随着列车速度的提高，隧道内出现的气动效应问题越发的严重。为解决高速铁路隧道空气动力学问题，世界各国学者做了多方面的研究，并取得了一定的成果。为降低隧道内的瞬变压力，提高旅客乘车舒适度，高铁隧道设计考虑了多项辅助措施，以求最大程度的减小隧道内的启动效应问题。

2 数值计算

本文采用CFD流体分析软件FLUENT对高速列车通过隧道进行数值模拟，利用三维可压缩非定常雷诺平均N－S方程结合 双方程湍流模型，对隧道空气动力效应进行数值计算。采用动网格技术实现列车与隧道、列车与大气之间的相对运动，计算网格划分使用六面体结构化网格离散。边界条件设置流域两侧面、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，控制方程采用质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，

（2-1）

（2-2）

（2-3）

拟定列车速度为300km/h，隧道长度1000m，断面积75m2，列车长100m，竖井开口率为10%。对其在隧道内引起的压力波动以及列车表面的压力变化进行监测。采用CRH3列车，列车在距隧道入口50m处启动，以拟定速度进入隧道，本次模拟在隧道内每隔100m设置一处压力监测点进行实时监控。

图1 模型网格图图

图2 列车压力云图（v=300km/h）

3 结果分析

3.1 竖井后测点压力波动

图3 竖井后压力波动图

（800m处测点，v=300km/h）

如图3所示，由于经过竖井的缓解测点压力有多降低，即图中a~b阶段。当新一轮的压缩波与膨胀波传波至此，形成第二个压力峰值即图中c~d阶段。值得注意的是第三个压力峰值，它是由列车经过竖井产生的二次压力波所形成的即e~f阶段。随后列车经过压力急剧下降。

3.2 车头压力波动分析

图4 列车车头压力波动图

图4为竖井位于距隧道入口500m处的位置时，列车以300km/h的速度通过隧道。

3.2.1 a~b阶段

列车启动，车体表面压力发生急剧的变化。随着列车进入隧道，运行环境突然变化，车头压力明显升高即图中a点，当车尾产生的膨胀波传播到车头时，第一个波峰形成即点b。

3.2.2 c~d阶段

列车运行2.92秒后初始压缩波经竖井的反射膨胀波与车头相遇，压力开始下降即图中c点。随后初始膨胀波经竖井反射的压缩波传来，压力开始上升，即图中d点。

3.2.3 e~f阶段

下一个峰值的出现是由于初始压缩波传播到隧道出口反射回来的膨胀波到达，形成e点。从e~f阶段为初始膨胀波的反射波到达，所以压力再次上升。

综上所述，车头压力的变化是随着压力波的传播不断地的改变，因此压力波的大小很大程度上决定了车头的压力，从而决定着车体的瞬变压力。

3.3 车头压力对比

由于本次模拟选择两处竖井位置，即距隧道入口300m（竖井1）和500m（竖井2）处各设一个竖井。所以，列车的压力变化存在较大差异。因为当300m处设竖井时，列车首先与竖井返回的膨胀波相遇，产生第一个负压。当与初始压缩波的返回膨胀波相遇为第二个负压。而500m处设竖井时，列车与第一个膨胀波相遇后，在通过竖井前与第二个膨胀波相遇。如图4所示。

图5 车头压力波动对比图

（v=300km/h，开口率10%）

如前所述，车体由于较早的与竖井反射波相遇，所以负压出现较早。而竖井2初始压缩波需要相对较长的时间才能经过竖井的反射，所以负压出现相对晚一些，并且较大。

对于第二个负压为初始压缩波到达隧道出口的反射波。从图中可以看出竖井1压力相对较小，这是由于列车在经过竖井后与膨胀波相遇，而列车经过竖井会产生二次压缩波和膨胀波，并与这个反射膨胀波相互叠加，使得反射波能量衰减，所以压力相对较小。竖井2的膨胀波虽然是经过竖井缓解过，但压力仍然很大，说明竖井1相对竖井2的位置更合适。计算结果显示竖井1最大瞬变压力为4390Pa/3s，竖井2最大瞬变压力为5000Pa/3s。

3.4 竖井最优位置分析

从图5中可以看出车体瞬变压力最大值出现在列车与初始膨胀波的竖井反射波相遇时刻。因为第一个正压峰值的出现都是由于列车进入隧道所致，所以最大正压已经确定。也就是说最大负压的出现时间和大小决定了瞬变压力的大小。当最大正压与最大负压出现的时间间隔在3s以内时，列车的瞬变压力最大。

针对车体瞬变压力而言，竖井所处的位置决定了车体表面正压峰值和负压峰值之间的时间间隔，并且影响到压力的大小，从而决定了瞬变压力的峰值。

根据以上分析，由瞬变压力计算公式 ，降低压力峰值和延长正负压峰值出现的时间都可以降低瞬变压力的大小。也就是说如果A~B阶段的时间间隔大于3s，那么就可以避免最大正压和最大负压出现在同一瞬变压力时段，这样就可以降低瞬变压力。同时降低正负压力峰值之间的差值也可以降低瞬变压力。

4 结论

通过数值模拟以及对计算结果的深入分析可知，通过改变竖井的位置，可以达到上述效果。综上所述得到结论如下：

4.1 竖井能够有效降低隧道内的压力，压力波通过竖井得以释放，并产生反射波；

4.2 为降低瞬变压力，合理的竖井位置应保证第一个正负压力峰值的出现时间间隔大于3s；

4.3 为降低瞬变压力，合理的竖井位置应保证列车经过竖井后与洞口反射的膨胀波相遇；

参考文献：

[1]王建宇. 列车通过隧道时诱发的空气动力学问题和高速铁路隧道设计参数. 世界隧道。

[2]张竹清. 高速铁路隧道竖井位置和个数对隧道流场影响的数值模拟. 西南交通大学硕士学位论文， 2006。

[3]骆建军，高波，王英学，赵文成. 高速列车穿越有竖井隧道流场的数值模拟. 西南交通大学学报。

[4]刘超. 竖井高度对高速铁路隧道气动效应的影响研究. 西南交通大学硕士论文，2007。

作者简介：

刘佩斯，1985-12-01，男，四川省成都市，助理工程师，研究生，研究方向：桥梁与隧道工程