高速列車隧道空氣動力學(xué)數(shù)值仿真系統(tǒng)的開發(fā)-圖文解析

張兆杰等：高速列車隧道空氣動力學(xué)數(shù)值仿真系統(tǒng)的開發(fā)高速列車隧道空氣動力學(xué)數(shù)值仿真系統(tǒng)的開發(fā)木張兆杰高波王英學(xué)（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院四川成都６１００３１）摘要介紹高速列車隧道空氣動力學(xué)數(shù)值仿真系統(tǒng)的原理與應(yīng)用。該系統(tǒng)對高速列車通過隧道時誘發(fā)的空氣動力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行模擬，計算結(jié)果有利于隧道的優(yōu)化設(shè)計。關(guān)鍵詞隧道高速列車空氣動力學(xué)數(shù)值仿真系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用隨著列車速度的提高，高速列車進(jìn)入隧道時誘發(fā)的空氣動力學(xué)效應(yīng)也愈發(fā)突出。這種空氣動力學(xué)效應(yīng)將誘發(fā)高速鐵路運營中的一系列問題：①高速列車進(jìn)入隧道時，會在隧道內(nèi)產(chǎn)生壓縮波，沿隧道向前傳播并產(chǎn)生變形，當(dāng)其到達(dá)隧道出口時，大部分能量向隧道內(nèi)以膨脹波的形式反射回去，造成隧道內(nèi)壓力波動，影響乘車舒適度；②高速列車進(jìn)入隧道時，會在隧道出口產(chǎn)生微氣壓波，引起爆破噪聲并危及洞口建筑物；③列車行車空氣阻力增加，引起對列車動力和總能量消耗的特殊要求；④列車風(fēng)加劇影響隧道內(nèi)人員作業(yè)。這些問題涉及到隧道建筑限界，洞口段形狀，洞內(nèi)設(shè)施、軌道結(jié)構(gòu)及車頭和車尾形狀等技術(shù)措施的改進(jìn)。因此，準(zhǔn)確地了解隧道內(nèi)瞬變壓力變化幅度、列車內(nèi)部壓力變化幅度、隧道出口微壓波變化幅度與行車阻力等已經(jīng)成為高速列車隧道空氣動力學(xué)設(shè)計的關(guān)鍵問題。日、法、德、英等國家相繼從２０世紀(jì)６０年代起就開展了這些方面的研究¨Ｊ，但大多是將其視為一維非定常、可壓縮的不等熵流動，并采用特征線法來求解方程。這種方法的缺點是無法考慮隧道底板方向的邊界條件以及隧道形狀、車頭形狀對空氣動力學(xué)效應(yīng)的影響，而且不能反映同一隧道截面上不同位置速度、壓力的差異。為此，本文采用三維粘性、可壓縮、不等熵、非定常流的數(shù)學(xué)模型，在多年研究的基礎(chǔ)上開發(fā)了高速列車隧道空氣動力學(xué)三維仿真系統(tǒng)。１模型建立１．１控制方程列車進(jìn)入隧道時引起的空氣流動，是可壓縮、存在邊界層分離的三維不定常紊流流動，遵守質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律。在笛卡爾坐標(biāo)系下，對空間任意控制體ｙ，采用有限體積法進(jìn)行離散后，其積分形式的三維可壓縮性Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程可寫為（１）式。ｍ國家自然科學(xué)基金資助項目（課題編號：５０１７８０６０）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（８６３計劃）資助項目（課題編號：２００４ＡＡ５０５４３０）；鐵道部科技發(fā)展計劃項目（課題編號：２００３Ｃ００１）。張兆杰，男，助理工程師，碩士。訓(xùn)ｐｙ＋妒耥２驢耥式中畝＝［ｐｐＭ∥ＪＤ塒櫨］７Ｆ＝Ｇ＝Ｐ“ｐｖｐｕ‘＋ｐｐｕｖｐｖｕｐｖ‘＋ｐｐｗｕｐｗｖｐｕｌｌｐｖＨ０００－３７－ｘｘ７－。ｙ?。海剩颍於。颍颍６。海罚恚睿剩饓PＰｌＺＷｐｖｗｐｗ。＋ＰｐｗＨ２＝Ｍ丁。。＋擴(kuò)７－，，＋塒７－。：一ｇ，，ｎ＝ｕｒｙｘ＋穢?。佣。瘢玻剑醵。诙。海觯?。Ｄ?。?。一ｑｚ其中ｐ——氣體的密度；ｌＺ，穢，Ｗ—戈、Ｙ、ｚ方向的速度；ｐ——壓力；Ｅ——單位體積的總能量；丁——粘性應(yīng)力張量；ｑ。，ｇ，，９：——熱流通量的分量；?。?、ｒｘｖ、…、丁：：——Ｓｔｏｋｅｓ給出的剪應(yīng)力分量。為了封閉上述方程組，引進(jìn)氣體的狀態(tài)方程以及流體的運輸方程：Ｐ＝ＪｐＲｒ（２）Ｐ＝（ｙ一１）［Ｅ—Ｐ（Ｍ２＋穢２）］／２Ｈ＝Ｅ＋ｐ／ｐ式中尺——氣體常數(shù)；卜氣體溫度；卜總焓。１．２網(wǎng)格劃分當(dāng)列車高速向前運動時，計算區(qū)域邊界不斷發(fā)生變化。對于這種情況可以采用滑動網(wǎng)格技術(shù)來實現(xiàn)心Ｊ。整個網(wǎng)格區(qū)域劃分成不同的子區(qū)域并形成子區(qū)域邊界，如圖１所示，（１＿２＿３叫）、（５—６＿７＿８＿９）為兩個不同的子區(qū)域，Ａ—Ｂ—Ｃ—Ｄ萬方數(shù)據(jù)?１８?全國中文核心期刊路基工程２００６年第６期（總第１２９期）和Ｅ—Ｆ—Ｇ—Ｈ為各個子區(qū)域的非常規(guī)邊界。在計算過程中，面Ａ—Ｂ、Ｂ—Ｃ、Ｃ—Ｄ和面Ｅ—Ｆ、Ｆ—Ｇ、Ｇ—Ｈ形成交接面并沿著交接面相互滑動。整個區(qū)域流場的信息通過交接面得到交換：面Ａ—Ｂ、Ｂ—Ｃ、Ｃ—Ｄ和面Ｅ—Ｆ、Ｆ—Ｇ、Ｇ～Ｈ相互切割形成兩個子區(qū)域共同的面ａ—ｂ、ｂ～ｃ、ｃ—ｄ、ｄ—ｅ、ｅ—ｆ、卜ｇ、ｇ—ｈ，同時流場信息從單元５傳遞到單元１和單元２是通過面ｂ—ｃ和面ｃ—ｄ，而面Ｅ—Ｆ被忽略掉了?；钊L(fēng)速；③隧道出Ｅｌ外的微氣壓波；④列車頭部的壓力及其梯度；⑤列車尾部的壓力及其梯度；⑥列車內(nèi)部的壓力及其梯度；⑦列車在隧道中的行車阻力等。４應(yīng)用舉例一個單線圓形斷面隧道利用該系統(tǒng)，經(jīng)輸入相關(guān)數(shù)據(jù)、求解，計算結(jié)束后，進(jìn)入后處理菜單，單擊其中相應(yīng)子菜單即可自動得到相應(yīng)曲線，如圖３一圖７所示。２方程求解三維數(shù)值模擬采用耦合法來求解三維Ｎａｖｉｅｒ一星Ｓｔ。ｃｋ。方程?？諝饨橘|(zhì)按粘性、可壓縮理想氣體計奮算，紊流方程采用ｋ—ｓ模型。耦合法即同時求解美一連續(xù)方程、動量方程和能量方程，其過程如圖２。一ｌ輸入初始變量ｌｌ及邊界條件ｌｆ————一求解紊流方程及其他方程廷蘿蓮?fù)Ｖ梗靾D１網(wǎng)格交接面圖圖２流體方程求解過程示意圖３軟件功能３．１軟件特點（１）該系統(tǒng)分為前處理、求解、后處理三個獨立的模塊，建立了良好的人機(jī)交互式用戶圖形界面。（２）該系統(tǒng)是基于ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ系統(tǒng)平臺編制的程序，具有ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ系統(tǒng)平臺應(yīng)用程序所具有的特點。（３）使用人員只需輸入相關(guān)參數(shù)即可得到各種曲線，操作比較簡單。３．２軟件功能該系統(tǒng)適用廣泛，功能強(qiáng)大，可用于以下工況相互組合時的各種空氣動力學(xué)效應(yīng)：①按線路類型分，雙孔單線隧道或單孔雙線隧道；②按軌道類型分，磁浮鐵路或普通輪軌鐵路；③按道床類型分，道碴式道床或軌枕板道床；④按隧道斷面類型分，矩形斷面、單心圓形斷面、三心圓形斷面以及其它復(fù)雜斷面；⑤按列車類型分，ＴＧＶ、ＩＣＥ／Ｖ、中華之星等國內(nèi)外各種型號列車；⑥按有無輔助設(shè)施分，隧道人口緩沖結(jié)構(gòu)或出口膨脹室等；⑦按緩沖結(jié)構(gòu)類型分，拱形封閉式緩沖結(jié)構(gòu)、拱形開口式緩沖結(jié)構(gòu)、喇叭型緩沖結(jié)構(gòu)等。該系統(tǒng)可以計算高速列車進(jìn)入隧道誘發(fā)的下列問題。①隧道內(nèi)的瞬變壓力及其梯度；②隧道內(nèi)的圖３隧道內(nèi)距洞口５０ｍ處瞬變壓力變化圖４蠱３賽２出１釜０＊一１－２０１２３４５６７８９１０ｔ／ｓ圖５列車頭部壓力變化圖６０互５０雜４０圜３０＊２０最１００１∞１色燃出題一一１ｔ／ｓ圖４距隧道出口２０ｍ處微壓波壓力變化圖時；室０奮：！去一３舞：；圖７列車行車阻力變化圖５結(jié)束語本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，針對高速列車進(jìn)出隧道時誘發(fā)的空氣動力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了深入研究，以軟件工程理論為指導(dǎo)，運用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法和多種軟件協(xié)作技術(shù)，通過編程設(shè)計并實現(xiàn)了高速列車隧道空氣動力學(xué)三維數(shù)值仿真系統(tǒng)，這在國內(nèi)尚屬首次，有利于隧道縱、橫斷面以及洞口結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化設(shè)計。參考文獻(xiàn)［１］ＡｈｔｎｅＳＲ，ＧａｗｔｈｏｒｐｅＲＧ，ＭａｃｋｒｏｄｔＰＡ．Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｒｏａｄａｎｄｒａｉｌｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＶｅｈｉｃｌｅｓＳｙｓｔｅｍＤｙｎａｍｉｃｓ，１９８５，１４：３１９～３９２．［２］ＢａｒｔｈＴＪ，ＪｅｓｐｅｒｓｅｎＤ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｕｐ—ｗｉｎｄｓｃｈｅｍｅｓｏｎｕｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｍｅｓｈｅｓ［Ａ］．ＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｐｏｒｔＡＩＡＡ一８９—０３６６，ＡＩＡＡ２７ｔｈＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅｓＭｅｅｔｉｎｇ［Ｃ］．Ｖｅｖａｄａ：ＳｗｅｓａｎｄＺｅｉｔｌｉｎｇｅｒＢＶ，１９８９：１７８～１９０．收稿日期：２００５—０９—０７萬方數(shù)據(jù)高速列車隧道空氣動力學(xué)數(shù)值仿真系統(tǒng)的開發(fā)作者：張兆杰，高波，王英學(xué)，ZhangZhaojie，Gaobo，WangYingxue作者單位：西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川,成都,610031刊名：路基工程英文刊名：SUBGRADEENGINEERING年，卷(期：2006(6參考文獻(xiàn)(2條1.AhmeSR.Ga