浅析套衬对隧道空气动力学效应的影响研究

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1、铁道建筑66RailwayEngineering文章编号：1003—1995(2015)12—0066．04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，北京100081；2．中南大学，湖南长沙430074)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

2、无套衬时增加6．58％，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1492m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2．44％，降幅可达2．03％；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4．39％和7．90％。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：U45r_3文献标识码：ADOI：10．3969／j．issn．1003—1995．

3、2015．12．18铁路隧道由于地质、气候等原因产生结构变形、开制体积积分，得出一组离散方程。裂、错台、渗漏水从而威胁到列车安全运营时，一种处动车组高速通过隧道的计算过程属于大区域变理措施是在隧道内增设套衬⋯。隧道增设套衬后有形，对于大区域变形运动，采用CFD的滑移网格技术。效净空面积减小且突变，会影响动车组高速通过隧道在动车组运行的过程中，必须根据动车组的运动对网和在隧道内交会时的空气动力学效应，使车体表面和格不断地作相应的调整。在每一时间步，需要及时给隧道内的气动特性发生变化，旅客乘坐舒适性和列车CFD计算提供信息，使用滑移网格来适应列车运动的运行安全受到影响。不同

4、速度等级、隧道长度、缓冲结物面。因此将计算域分为5部分，分别为车体、车前部构等因素对隧道空气动力学效应的影响已有大量研分、车后部分、隧道部分、隧道外延部分。究，但是目前尚缺乏隧道增设套衬后的空气动力计算介质选用可压缩空气，其常态下的密度取为学效应的研究。本文基于有限体积法，采用计算流体1．185kg／m，热膨胀系数取为0。003356m／K，比热容动力学(CFD)软件，建立了高速列车通过隧道的空气取为1．0044kJ／(kg·K)。动力学模型，运用滑移网格技术数值模拟了高速列车1．1计算模型通过套衬后隧道内的三维外流场，并结合实车试验，获建模选用CRH2型动车组，采用8

5、辆编组，总长得了隧道增设套衬对其空气动力学效应的影响，研究度、宽度、高度分别为201，3．38和3．70in。在不改变了高速列车空气动力学效应随套衬位置、套衬厚度等列车横截面面积、车头纵向长度的情况下，对车头形因素的变化规律。状、受电弓等进行了简化。隧道长度为1907m，进口为普通结构，出口为斜1计算模型切帽檐式结构，进出口均设置封闭开孔段(长度为采用流体动力学计算软件FLUENT进行数值模31TI，距端头15Il1)，出口设置长度为10m的斜切段缓拟。FLUENT基于有限体积法，有限体积法将计算区冲结构。隧道内轮廓均采用单洞双线断面，净空有效域划分为一系列不重复的控制

6、体积，并使每个网格点面积1001TI，双线隧道左右线间距5．0m。套衬段增周围有一个控制体积，将待解的微分方程对每一个控设钢筋混凝土套拱，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，厚收稿日期：2015—06—17；修回日期：2015—11—02度30cm，长度89m，距离隧道进口675In。增设套衬基金项目：中国铁路总公司科研试验专项(Z2013—040)；国家铁路局科段隧道有效净空面积由原来的100113变为92．87m。技研究计划项目(KF2014—042)作者简介：李红梅(1984一)，女，助理研究员，博士。隧道进出口模型如图1所示

7、。68铁道建筑表4动车组鼻尖表面压力变化最大值随套衬厚度的变化＼K嚼R43333322222O864208642O图3隧道壁面压力变化最大值由表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7．90％。由图3可知：隧道壁面压力变化最大值均出现在套衬厚度分别为200，300，400，500mm时，隧道距进口1492m附近；套衬位置并没有影响隧道内压力壁面监控点压力变化最大值计算结果如图5所示。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1492m处隧道