风井缓冲结构参数对地铁列车气动性能的影响.pdf
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1、第 54 卷第 7 期2023 年 7 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University(Science and Technology)Vol.54 No.7Jul.2023风井缓冲结构参数对地铁列车气动性能的影响孟石1,2,3,吴再新4,唐明赞1,2,3,熊小慧1,2,3,孟爽1,2,3,周丹1,2,3(1.中南大学 交通运输工程学院 轨道交通安全教育部重点实验室,湖南 长沙,410075;2.中南大学 轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室,湖南 长沙,410075;3.中南大学 轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心,湖南 长沙
2、,410075;4.四川省铁路产业投资集团有限责任公司,四川 成都,610081)摘要:随着地铁列车速度不断提升,列车高速通过隧道风井(缓冲结构)时隧道内交变压力显著增加,会对列车内乘客造成严重影响。本文采用滑移网格方法,通过模拟地铁列车由车站开始加速并以最大速度通过隧道风井缓冲结构过程的气动性能,分析风井缓冲结构的参数对隧道内交变压力的影响规律。研究结果表明:列车表面压力数值计算结果与实车试验结果较吻合。风井缓冲结构可以有效减小列车通过风井时的压力变化幅值,风井前缓冲结构对列车通过时的压力变化率影响较大,而对列车压力变化幅值影响较小,风井后缓冲结构可以有效减缓列车通过风井过程的压力突变。随着
3、缓冲结构横截面积增大,列车通过风井时的压力变化幅值呈减小趋势,但不同缓冲结构下列车表面压力差异较小。当缓冲结构总长度一定时,随着风井后缓冲结构长度增加,列车表面压力变化幅值呈减小趋势;当风井后缓冲结构的长度由0 m增加至 50 m时,头车表面压力幅值减小21.5%。关键词:地铁列车;风井;缓冲结构;横截面积;交变压力中图分类号:U270.4 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7207(2023)07-2919-10Influence of airshaft hood parameters on the aerodynamic performance of
4、 subway trainsMENG Shi1,2,3,WU Zaixing4,TANG Mingzan1,2,3,XIONG Xiaohui1,2,3,MENG Shuang1,2,3,ZHOU Dan1,2,3(1.Key Laboratory of Traffic Safety on the Track of Ministry of Education,School of Traffic&Transportation Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;收稿日期:2022 08 09;修回日期:2022 1
5、0 09基金项目(Foundation item):国家数值风洞工程项目(NNW2018-ZT1A02);四川省重点研发项目(2019YFG0040);湖南省研究生创新项目(CX20200196,CX20220111);中南大学研究生自主创新项目(2020zzts111,2020zzts117)(Project(NNW2018-ZT1A02)supported by the National Numerical Wind Tunnel Project;Project(2019YFG0040)supported by the Key R&D Project in Sichuan Province
6、;Projects(CX20200196,CX20220111)supported by the Postgraduate Scientific Research Innovation Project of Hunan Province;Projects(2020zzts111,2020zzts117)supported by the Graduate Student Independent Innovation Project of Central South University)通信作者:周丹,博士,教授,从事列车空气动力学研究;E-mail:zd_DOI:10.11817/j.issn
7、.1672-7207.2023.07.034引用格式:孟石,吴再新,唐明赞,等.风井缓冲结构参数对地铁列车气动性能的影响J.中南大学学报(自然科学版),2023,54(7):29192928.Citation:MENG Shi,WU Zaixing,TANG Mingzan,et al.Influence of airshaft hood parameters on the aerodynamic performance of subway trainsJ.Journal of Central South University(Science and Technology),2023,54(7
8、):29192928.第 54 卷中南大学学报(自然科学版)2.Joint International Research Laboratory of Key Technology for Rail Traffic Safety,Central South University,Changsha 410075,China;3.National&Local Joint Engineering Research Center of Safety Technology for Rail Vehicle,Central South University,Changsha 410075,China;4.S
9、ichuan Provincial Railway Industry Investment Group Co.Ltd.,Chengdu 610081,China)Abstract:With the increasing speed of the subway train,the alternating pressure significantly increases when the train passes through the tunnel airshaft(hood)at high speed and it will have a serious impact on the passe
10、ngers in the train.In this paper,the sliding grid method was used to simulate the aerodynamic performance of the subway train in the process of accelerating from the station and passing through the tunnel airshaft hood at the maximum speed.The influence of the hood parameters of the tunnel airshaft
11、on the alternating pressure in the tunnel was analyzed.The results show that the numerical results of train surface pressure are in good agreement with that of the full-scale test results.The hood of the airshaft can effectively reduce the pressure amplitude when the train passes through the airshaf
12、t.The hood in front of the airshaft has a great influence on the pressure change rate of the train passing through,but a small influence on the amplitude of the train pressure.The hood behind the airshaft can effectively reduce the pressure mutation of the train passing through the airshaft.With the
13、 increase of the cross-sectional area of the buffer structure,the change amplitude of the pressure of the train passing through the airshaft tends to decrease,but the difference in the surface pressure of the train with different hoods is small.When the total length of the hood is constant,the surfa
14、ce pressure change amplitude of the train decreases with the increase of the length of the hood behind the airshaft.When the length of the hood behind the airshaft increases from 0 m to 50 m,the surface pressure change amplitude of the head car decreases by 21.5%.Key words:subway train;airshaft;hood
15、;cross-sectional area;alternating pressure地铁列车作为目前城市出行的主要交通工具,具有节省土地、节约资源、减少污染等特点。随着社会的不断发展,城市客运的压力越来越增大,地铁的运营速度也不断提高12,香港地铁、广州地铁三号线、深圳地铁和旧金山BART地铁设计最大速度均超过了120 km/h34。随着列车速度不断提高,列车在隧道内运行引起的隧道空气动力学效应日益显著56,尤其当地铁列车通过隧道风井时(与列车突入隧道的情况类似),会引起隧道内交变压力剧增,同时车内压力也发生剧烈变化,影响地铁乘客耳部舒适度7。因此,亟需对地铁列车通过隧道风井的空气动力学问题进
16、行研究,确定地铁隧道风井缓冲结构合理参数,缓解地铁列车通过隧道风井时的压力突变。缓冲结构多置于高速铁路隧道入口位置,用来缓解隧道出口的微气压波8。XIANG等910对比了开口缓冲结构对高速列车进入隧道产生的初始压缩波的影响,得到缓冲结构参数与初始压缩波对应关系的经验公式。不同缓冲结构形式与参数对列车突入隧道首波压力波和微气压波缓解有不同效果1112。陶伟明13对不同洞口缓冲结构形式对高速铁路隧道洞口微气压波的缓解效果进行了研究。骆建军等14对比分析了不同形式洞内缓冲结构下隧道内外气动效应。ZHANG等1516采用数值模拟方法研究了列车进入隧道产生的压力梯度和微气压波,对比分析了不同参数斜切式缓
17、冲结构对压力梯度和微气压波的缓解效果。对于地铁系统,列车由车站开始做匀加速运动,此过程中隧道内压力波缓慢增加,匀加速过程引起的隧道内交变压力变化不大17。YANG等1819采用数值模拟方法对地铁列车在相邻车站之间的隧道内运行的气动性能进行了研究,对比分析了列车气动阻力、隧道内交变压力以及列车风的影响。XIONG等20采用实车试验方法测量隧道风井对地铁列车内部和外部压力变化的影响,详细分析了压力变化对乘客耳朵舒适度的影响。杨波等21针对地铁列车变速通过中间风井时的气动性能进行模拟,对比不同参数下列车表面压力差异,并对车内乘客舒适性进行评估。综上所述,地铁列车通过隧道风井过程中活2920第 7 期
18、孟石,等:风井缓冲结构参数对地铁列车气动性能的影响塞效应加剧,隧道内会产生大的压力波动,由于地铁车几乎没有气密性,列车内外压力波动相同,当车厢的内部压力波动超过限值时,可能会导致乘客耳朵不适。而目前对风井缓冲结构的研究多集中在高速列车突入隧道时的微气压波方面,对于地铁隧道风井缓冲结构参数对列车气动性能影响的研究较少,且隧道风井为地铁列车带来的空气动力效应难以忽视。本研究基于滑移网格技术,模拟地铁列车从起始车站出发做匀加速运动并以最大速度通过风井时的空气动力学性能;研究有无缓冲结构、缓冲结构布置方式以及横截面积对列车表面气动压力的影响;通过详细分析隧道风井缓冲结构参数对列车气动效应的影响,可为地
19、铁隧道系统通过风井时的压力突变的缓解提供指导。1 数值计算模型1.1计算模型及计算域为了模拟真实的运行状态,本文数值计算模型采用与实际运营相同的6车编组的地铁列车,如图1(a)所示。地铁列车模型的宽度(W)和高度(H)分别为 3.00 m 和 3.77 m,列车的截面积为 9.47 m2,列车总长为139.28 m,头尾车车长为23.69 m,中间车车长为22.10 m,地铁列车的主要尺寸分别如图1(a)和(b)所示。本文主要考虑隧道风井缓冲结构对列车气动性能的影响,需要保证列车以最大车速匀速通过风井缓冲结构,风井与车站之间的距离为800.0 m,风井横截面积为25.0 m。为了方便分析,将风
20、井前缓冲结构长度定义为L1,风井后缓冲结构长度定义为L2,缓冲结构横截面积定义为Sh,如图1(c)所示。由于地铁在起始车站开始运行时,其屏蔽门处于关闭状态,因此,将车站简化成长方体,其长、宽、高分别为160.0、9.2和6.2 m,车站两端都设置有车站风井,横截面积为16.0 m。隧道横截面积为Stu=27.8 m,风井长度为20.0 m,车站风井与外界大气连通,为了准确模拟外界空气域,将其设置为边长为100.0 m的正方体。为了保证流场充分发展,减小隧道出口对隧道内气动性能的影响,风井后隧道长度为3 000.0 m,具体如图2所示。为了详细分析整个运行过程中列车表面压力随时间的变化规律,在列
21、车表面布置压力测点。由于列车和隧道模型为对称结构,因此,仅在列车的一侧布置压力测点。对于列车表面,每节列车中间表面均匀布置1个测点,测点距轨面高度为2.5 m,共6个测点。1.2网格生成方案由于地铁列车外形结构复杂,尤其是转向架和头尾车流线型部分,因此,列车周围采用四面体网格进行离散;整个计算域的其他部分形状较为规则,采用结构网格进行离散。考虑到头尾车部分列车表面压力变化较大以及风井位置对压力波传播的影响,分别对列车头尾部以及风井缓冲结构附近网格进行局部加密,列车表面网格最小边长为0.01 m,远离列车和风井的部分网格边长约为0.20 m,列车周围网格如图3所示。每个工况计算网格规模总数约3
22、000万个。数据单位:m。图2计算域和边界条件Fig.2Computational domain and boundary conditions(a)地铁列车模型;(b)列车尺寸及测点位置示意图;(c)风井缓冲结构模型图1数值计算模型Fig.1Computational mode2921第 54 卷中南大学学报(自然科学版)1.3边界条件计算域的边界条件见图2。图2中,列车的位置为起始位置,位于车站的中间,为了避免隧道两侧端面和风井顶部计算域对压力波的反射作用,将隧道两端出口和外界大气域边界条件均设置为压力远场,列车表面、隧道、风井以及车站均设置为无滑移壁面边界条件。2 数值方法验证为了验证数
23、值模拟算法的准确性,在深圳地铁11号线车公庙站和福田站之间进行实车试验,2个车站之间的隧道长度约为2 845 m,隧道截面积为19.82 m,隧道内设置风井,风井横截面积为28.52 m,中间风井缓冲结构长度为32 m,横截面积为60.14 m,如图4所示。为了减小试验过程中外界环境对试验列车的影响,在压力测试期间只有试验列车通过该实验区间,试验用列车为8车编组的A型地铁列车,列车宽3.0 m,高3.8 m,列车横截面积为 9.78 m,8 节车厢总长度为 185.6 m,中间车22.8 m,头车与尾车24.4 m,如图5所示。为测试列车表面压力随时间的变化,于每节列车的中间位置布置压力测点,
24、距离轨道顶面的距离为 2.27 m。采用 Kulite LL-250-15A 传感器测量列车表面压力,该传感器的测量范围可达103.24 kPa,灵敏度为0.969 mV/kPa,通过多通道IMC记录系统和IMC FAMOS软件进行数据采集和后处理。在现场测量中,采用200次/s的采样频率和50 Hz的滤波频率,可以充分捕捉列车表面压力峰值,保证瞬时压力变化真实特性的完整性。列车以匀加速匀速匀减速的状态运行,并以最高车速113 km/h通过隧道风井。为了验证数值方法的准确性,按照实车试验的场景建立数值模型。图6所示为地铁列车在隧道中匀速运行并通过风井过程中第7节列车数值模拟与实车试验压力时程对
25、比。从图6可以看出:列车表面压力在通过隧道风井过程中产生突变(t1t2区间)。在列车通过风井过程中,由于压缩波的作用,列车表面压力迅速上升,且在尾车通过风井产生的膨胀波传播至列车表面之前达到最大,由于实车试验线路条件十分复杂,数值模拟结果与实车试验结果难以完全一致,但二者压力变化规律是相同的,证明了本文采用的数值模拟方法的准确性。图3列车周围网格Fig.3Grid around the train图4实车试验段隧道、风井参数Fig.4Parameters of tunnels and airshafts in the full-scale test(a)隧道;(b)列车图5实车试验模型Fig.
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