CN102043871A - 求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法 - Google Patents

Abstract

一种求解长大隧道、隧道群空气动力效应的方法，所述方法包括：对隧道内的空气动力效应采用一维特征线法模拟，隧道出口及隧道群两相邻隧道间的流场计算采用三维可压缩SIMPLE算法模拟；对上述两种算法所得结果，在远离隧道口、三维效应可以忽略的位置进行数据交换，模拟并得到隧道内流场的空气压力变化和隧道出口的微气压波。本发明兼顾计算长大隧道、隧道群空气动力效应的效率和精度，实现了高速列车通过隧道及两车在隧道内交会时，隧道内空气压力变化幅值、微气压波、列车风的求解。

Description

求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法

技术领域

本发明属于列车隧道空气动力效应及缓解措施技术，具体的涉及一种尤其适用于长大隧道、隧道群空气动力效应及缓解措施方面的三维/一维耦合求解隧道空气动力效应的计算方法。

背景技术

高速铁路是世界铁路客运发展的方向。但随着列车速度的提高，不仅列车空气阻力急剧增大、能耗增加，还因列车高速交会、通过隧道等，出现了一系列危及行车安全、降低旅客舒适度和影响周围环境的列车空气动力问题。

列车在隧道内运行的空气动力特性与明线运行空气动力特性显著不同。列车高速通过隧道，类似于活塞在气缸内运动，当列车头、尾部进、出隧道瞬间，绕列车运动的气流受到隧道壁面制约形成压缩波、膨胀波，这两种波在隧道内以音速向前传播并在另一端隧道口反射，导致隧道内不同空气压力波的相互叠加，使隧道内空气压力发生剧烈变化，同时由于压缩波在隧道出口的突然膨胀还会产生影响环境的微气压波，这一现象随着列车运行速度的提高进一步加剧；而明线上绕列车流动的空气可以向四周自由扩散，不会引起大的压力变化。列车在隧道内引起的上述空气动力效应对列车运行安全性、经济性、旅客舒适性及隧道周围的环境均有不良影响，具体表现在以下5个方面：

(1)影响旅客舒适性。在隧道内交替出现的压缩波和膨胀波，除向前运动外，还在隧道口形成反射波，使隧道内的空气压力不断发生剧烈变化，如果车厢气密性不良，空气压力变化传入车内，会导致乘员耳感严重不适，甚至头晕、呕吐等。

(2)微气压波噪声污染环境。列车高速进入隧道产生的以音速向前传播的压缩波，至隧道出口，压缩波突然膨胀向四周扩散，形成称之为“微气压波”的冲击波，并在一定频率范围产生强烈的爆破声，使隧道出口附近的居民受到噪声干扰、建筑物受到冲击。这种微气压波问题对于采用板式道床的长大隧道及隧道群，尤为突出。

(3)空气阻力增大，能耗增加，隧道内热量积聚和温升加大。在隧道中高速运行的列车，其空气阻力无论是压差阻力还是摩擦阻力均大于明线运行，既增加列车能耗，同时又导致隧道内热量积聚和温度升高。

(4)损坏隧道结构及其内部设施。隧道内剧烈变化的空气交变压力，可能震坏隧道内的混凝土衬砌结构并损坏隧道内部照明灯具等设施。

(5)破坏车体结构。在隧道中列车交会，其压力冲击波幅值大于明线交会，使车辆结构受到很大的瞬态冲击力，可能损坏车辆结构。

上述影响是既有线隧道能否进行列车提速和新建高速客运专线隧道设计时必须考虑并予以妥善解决的重要问题，涉及隧道洞口形式、列车及隧道断面积、列车头部外形、轨道类型、车辆密封性、隧道结构及洞内设施的耐久性等一系列问题。尽管世界高速铁路发达国家对隧道空气动力学的研究在前期做了大量的工作，但面临我国铁路新的发展形势，仍有许多隧道空气动力学问题亟待解决。

列车在隧道内高速运行，绕列车流动的空气，严格来说应是三维、可压缩、非定常湍流流动，鉴于隧道长度远大于隧道的等效直径，可将其简化为一维流动，采用特征线法分析列车进入隧道形成的压力波，得到隧道轴线方向的压力、速度等参数。这种求解方法经由Pope对现有各种方案进行的比较，认为一维气流理论加上用摩擦系数模拟隧道壁面、列车表面与周围空气介质之间的摩擦，能适用于隧道内的流场数值计算，但不能反映隧道口、主隧道与通风井接合处以及列车头、尾部的三维效应，目前的解决办法是采用压力损失系数来近似模拟。

世界各国学者为提高按一维流动计算隧道空气动力效应的精度，研究了多种预测方法，具体如下：

1.准定常不可压缩流动模型；

2.非定常不可压缩流动模型；

3.等密度有限声速非定常模型；

4.可压缩等熵非定常流动模型；

5.考虑摩擦的可压缩非定常等熵流动模型；

6.可压缩不等熵非定常流动模型。

随着现代计算机技术和数值计算方法的不断发展完善，各国学者对高速列车/隧道耦合空气动力问题的研究已经从一维上升到二维和三维数值模拟。按三维流动计算，目前常用的方法为三维可压缩非定常雷诺平均N-S方程结合k-ε双方程湍流模型，并采用滑移网格(sliding mesh)技术实现列车与隧道、列车与列车之间的相对运动，对隧道空气动力效应进行数值计算。另一种方法是采用三维非定常势流理论(面元法)加上边界层修正及Karmen-Tsien修正，计算隧道中的压力变化等问题，均取得了较符合实际情况的结果。

在上述对列车/隧道耦合空气动力学的数值计算研究中，计算流体动力学的大部分方法都被采用。其中采用非定常三维可压缩的数值模拟方法能对高速列车及隧道内的细部结构，如列车流线型头部外形、车体转向架部分的绕流、受电弓、隧道内的辅助设施及缓冲结构对隧道出口微气压波的影响等问题进行较好的模拟，但对长大隧道、隧道群及较长列车编组的模拟还存在相当大的困难：计算周期长、网格规模大、在一般中等容量计算工作站上难于求解。因此到目前为止，长大隧道的空气动力问题基本上仍是采用一维算法求解。根据隧道长度远大于隧道截面直径的特征，采用一维特征线的方法能对长大隧道、较长的列车编组进行求解，降低了问题的复杂程度。但由于列车突入隧道引起的压缩波在隧道出口处反射为膨胀波，并形成复杂的三维效应，这种三维效应使得隧道出口处的压力并不等于隧道外界环境的大气压，因此仅用一维方法不能对隧道出口微气压波尤其是隧道群空气动力问题进行求解。

通过对国内外研究现状的分析可以看出，高速铁路隧道空气动力学问题的研究无论在理论研究、数值计算以及试验测试等方面均有很大进展，对长大隧道的空气动力学问题也进行一些研究，但是由于该问题的复杂性，当前的研究现状仍不能满足我国客运专线修建及既有线改造的需要，主要表现在以下几个方面：首先，我国高速铁路隧道数量多，长大隧道所占比重大，并且隧道内行车速度目标值高，且多为板式道床隧道。虽然我国在新建这些客运专线时吸取日本和西欧的经验，采用大断面隧道以降低空气动力效应的危害，但并不能全面解决隧道空气动力问题。其次，对于隧道/列车耦合空气动力问题，我国在“九五”期间曾做过一些探索，但直到2005年，由于既有干线列车准备提速到200km/h及新建高速客运专线的需要，才系统开展研究，因此缺乏大量相关试验数据；虽然国外高速列车发达国家对隧道空气动力学问题开展了大量的理论和试验研究，但一方面国外的实质性技术无法得到，另一方面关于隧道群的空气动力问题至今未见文献报道。因此，必须针对我国国情开展相关领域的研究。最后，对长大隧道、隧道群空气动力效应的研究，采用实车试验，则代价太大，且要在列车造好、隧道建好后才能进行；动模型实验装置的规模无法满足直接研究长大隧道空气动力的要求。现有的数值计算方法，如按一维流动进行数值模拟计算，不能对隧道口微气压波和隧道群空气动力问题进行求解；按三维流动求解，计算机容量又难以满足要求，因此需要寻求一种经济有效的数值计算方法对其进行求解。

发明内容

本发明提供了一种兼顾效率和精度的求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法，其将三维可压缩流场的SIMPLE算法和一维特征线法进行有机结合采用一维特征线法求解隧道内空气动力效应，对隧道出口周围的流场采用三维可压缩流场的SIMPLE算法进行模拟，在隧道内三维效应可以忽略的位置进行三维、一维数据交换；实现了对长大隧道、隧道群空气动力效应的求解。

本发明所采用的技术方案如下：

一种求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法，其特征在于所述方法包括：

对隧道内的空气动力效应采用一维特征线法模拟，隧道出口及隧道群两相邻隧道间的流场计算采用三维可压缩SIMPLE算法模拟；

对上述两种算法所得结果，在远离隧道口、三维效应可以忽略的位置进行数据交换，模拟并得到隧道内流场的空气压力变化和隧道出口的微气压波。

具体地讲，所述一维特征线法模拟的方法包括：

将列车/隧道耦合空气动力问题简化为可压缩、非定常、不等熵的一维流动来处理；在控制方程中将隧道内空气流动有效截面积作为时间和距离的二元函数。

所述一维特征线法模拟的方法包括采用非定常可压缩不等熵模型并对该模型进行如下简化：

列车在隧道内的运行过程简化为圆柱形列车在圆柱形隧道内的运行过程，并将隧道内空气流动有效截面积看作是时间和距离的二元函数；

对实际列车三维流线型头部外形截取多个截面得到实际面积，将各截面面积及其距列车鼻尖距离作为计算参数输入，然后采用拉格朗日插值得到计算所需的列车流线型头部任意截面的面积参数；

所述对非定常可压缩不等熵模型进行的简化还包括：

对碎石道床隧道的计算，添加了线性阻抗+孔隙模型。

所述隧道出口及隧道群两相邻隧道间的流场计算的方法包括：

采用k-ε两方程湍流模型中的标准k-ε湍流模型建立三维数学模型，并对该三维数学模型进行物理空间与计算空间的转换，最后基于非正交曲线坐标系下求解可压缩SIMPLE算法。

所述隧道出口及隧道群两相邻隧道间的流场计算的方法进一步包括：

在该三维数学模型中的对流一扩散方程中的扩散项采用具有二阶精度的中心差分格式，对流项离散的差分格式采用具有二阶精度的QUICK格式。

三维数学模型中的三维分区算法采用块结构化网格中的对接网格，该对接网格包括先划分无重叠的子区域，然后各子区域根据格式精度的要求向外延拓，其中延拓部分为内边界。

所述求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法进一步包括：

在对隧道出口三维流场进行计算时，建立三维任意曲线坐标系下基于有限体积法的离散控制方程，采用可压缩流体的SIMPLE算法对隧道出口流场进行求解，并在边界处给出基于黎曼不变量的无反射边界条件。

所述数据交换包括：

在隧道内三维效应可以忽略的位置建立所述两种算法的数据交换面，将一维流场计算结果在远离隧道出口位置做三维延拓，即增加另两维方向的速度，并均设定为零，作为入口边界条件赋给三维流场；三维流场的计算结果中仅将其中的沿隧道轴向的空气流动速度、流体压力和空气密度三个变量值赋给一维流场的相应节点，实现一维特征线法和三维可压缩SIMPLE算法的数据交换。该求解隧道空气动力效应的方法进一步包括：

运用计算机和FORTRAN语言求解列车/隧道耦合空气动力学，读入包括列车编组长度、车体截面积、运行速度、流线型头部参数、隧道长度、隧道截面积、轨道类型、缓冲结构相关参数，以及隧道口三维模型的网格文件、边界条件、控制参数的列车、隧道的基本参数，输出隧道壁面和车体表面测点压力变化曲线，以及隧道口微气压波变化曲线。

目前两种基本成熟的求解隧道空气动力效应问题的计算方法，其中按一维流动计算，可以用较少的计算机资源得到基本符合隧道内空气压力波传播的规律和近似于实际情况的空气压力变化结果，保持这一优势，设法解决能较真实地反映隧道出口的三维效应问题，就能在一般中等容量计算工作站上完成长大隧道及隧道群空气动力效应问题的计算工作。基于该思路，本发明将三维可压缩流场的SIMPLE算法和一维特征线法进行有机结合，首先通过对6种求解隧道内空气动力效应的一维算法进行比较分析，选用了非定常可压缩不等熵模型并将各种改进措施予以综合：假定隧道内空气流通截面是时间和流动距离的二元函数，从而建立起能反映隧道壁面摩擦、传热及截面变化等因素的隧道内空气流动模型。在一维计算中，采用线性阻抗+孔隙模型模拟有碴道床，建立了隧道内有碴、无碴道床效应的压缩波传播基本方程，将其代入特征线方程中的质量添加项进行求解，从而得到有碴、无碴隧道不同的空气动力效应结果。另外，对隧道出口处的三维效应，按可压缩流场的SIMPLE算法进行求解。建立了三维任意曲线坐标系下基于有限体积法的离散控制方程，所采用的具有迎风性质的QUICK高阶格式通过延迟修正技术加入，既能保证格式的精度，又能保持求解的稳定性；对密度的处理，采用密度延迟修正方法进行求解，并在边界处给出基于黎曼不变量的无反射边界条件。最后，本发明在隧道出口三维效应可以忽略的位置建立两种算法的数据交换面，进行三维、一维算法的数据交换。

本发明的有益效果在于，该求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法兼顾效率和精度，其将三维可压缩流场的SIMPLE算法和一维特征线法进行有机结合采用一维特征线法求解隧道内空气动力效应，对隧道出口周围的流场采用三维可压缩流场的SIMPLE算法进行模拟，在隧道内三维效应可以忽略的位置进行三维、一维数据交换；本发明可兼顾计算长大隧道、隧道群空气动力效应的效率和精度，实现了高速列车通过隧道及两车在隧道内交会时，隧道内空气压力变化幅值、微气压波、列车风的求解。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。

附图说明

图1A为本发明具体实施方式中单个隧道的三维流场计算区域及边界条件示意图；

图1B为本发明具体实施方式中隧道群的三维流场计算区域及边界条件示意图；

图2为本发明具体实施方式中一维特征线法和三维可压缩SIMPLE算法之间数据交换方案示意图；

具体实施方式

在一维计算中，采用线性阻抗+孔隙模型模拟有碴道床，建立了隧道内有碴、无碴道床效应的压缩波传播基本方程，将其代入特征线方程中的质量添加项进行求解，从而得到有碴、无碴隧道不同的隧道内空气动力效应结果。

对隧道出口处的三维效应，按可压缩流场的SIMPLE算法进行求解。建立了三维任意曲线坐标系下基于有限体积法的离散控制方程，所采用的具有迎风性质的QUICK高阶格式通过延迟修正技术加入，既能保证格式的精度，又能保持求解的稳定性；对密度的处理，采用密度延迟修正方法进行求解，并在边界处给出基于黎曼不变量的无反射边界条件，如图1A和图1B所示。图中变量D为隧道等效直径，L为两隧道间距离，11为隧道，12为固壁边界，13为远场边界，14为对称边界，15和16分别为第一隧道和第二隧道。

根据实车试验及大量动模型试验结果得到的规律，隧道内三维效应离洞口越近越明显，当在隧道内距隧道口5～8倍隧道等效直径长度时，三维效应可以忽略。据此，按计算对象的具体情况(隧道断面、列车运行速度)进行分析后，即可定出一维算法与三维算法进行数据交换的位置。图2为一维特征线法21和三维可压缩SIMPLE算法22之间数据交换方案示意图，其具体方法是在隧道内三维效应可以忽略的位置建立两种算法的数据交换面，将一维流场计算结果在远离隧道出口位置(图中A点)做一个三维延拓，即增加y、z方向的速度υ、ω，并设定υ＝0，ω＝0，作为入口边界条件赋给三维流场23；而三维流场的计算结果，则仅将其中的u、p、ρ三个变量值赋给一维流场的相应节点(图中B点，在三维效应可以忽略的位置)，从而实现一维、三维两种算法的数据交换。

对于列车车体表面压力压力变化的求解方法，本发明提出了局部网格移动加密、多次修正的方法，能以较少的计算量得到较高精度的车体表面测点压力。

在车体测点P之前，按前述预先确定的隧道一维网格空间距离Δx，等间隔增加n个随着列车向前移动的辅助网格点，每一辅助网格点之间的距离Δx_t为每一时间步长列车运行的距离，即Δx_t＝V□Δt(Δx为计算时采用的时间步长)，则每经过一个时间步长，后一辅助点P_i就移动到前一个辅助点P_i-1前一时刻所在位置。设置这些辅助网格点不会影响隧道内空气压力变化的求解，因为在任意t时刻，首先求出的是所有隧道上网格点当前时刻的参数，这些参数与车体测点及其辅助点移动到哪个位置无关。

假定在该任意t时刻，第一个辅助点P₁进入隧道，与隧道入口的距离为x，则P₁点在该时刻的参数可以通过紧邻该辅助点的两个隧道上的网格点当前时刻的参数插值得到。下一时刻(t+Δt)，第二个辅助点P₂移动到第一个网格点t时刻所在的位置，依次类推，车体测点P移动到最后一个辅助点P_n前一时刻(t时刻)所在的位置，将P_n点在t时刻的参数赋给车体测点P作为前一时刻的参数，将辅助点P_n-1在t时刻的参数赋给P_n点作为前一时刻的参数，依次类推，将P₁点在t时刻的参数赋给P₂点作为前一时刻的参数。如此，除了P₁点在新的位置x+Δx₁处没有前一时刻的参数外，其它各点都有特征线法求解所需的前一时刻的参数，因此除第一个辅助点以外的所有各点当前时刻的参数都可以结合两隧道网格点的参数而采用特征线法直接求得。

基于上述三维/一维耦合算法，包括控制方程的离散和求解、边界条件的设置，有碴轨道效应、车体表面压力的求解。可以利用计算机和FORTRAN语言求解列车/隧道耦合空气动力学，通过读入包括列车编组长度、车体截面积、运行速度、流线型头部参数、隧道长度、隧道截面积、轨道类型、缓冲结构相关参数，以及隧道口三维模型的网格文件、边界条件、控制参数等，输出隧道壁面和车体表面测点压力变化曲线，以及隧道口微气压波变化曲线，更加精准和高效地对隧道的设计及安全防护进行评价。

Claims (10)

1.一种求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法，其特征在于所述方法包括：

对隧道内的空气动力效应采用一维特征线法模拟，隧道出口及隧道群两相邻隧道间的流场计算采用三维可压缩SIMPLE算法模拟；

对上述两种算法所得结果，在远离隧道口、三维效应可以忽略的位置进行数据交换，模拟并得到隧道内流场的空气压力变化和隧道出口的微气压波。

2.根据权利要求1所述的求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法，其特征在于所述一维特征线法模拟的方法包括：

将列车/隧道耦合空气动力问题简化为可压缩、非定常、不等熵的一维流动来处理；在控制方程中将隧道内空气流动有效截面积作为时间和距离的二元函数。

3.根据权利要求1所述的求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法，其特征在于所述一维特征线法模拟的方法包括采用非定常可压缩不等熵模型并对该模型进行如下简化：

列车在隧道内的运行过程简化为圆柱形列车在圆柱形隧道内的运行过程，并将隧道内空气流动有效截面积看作是时间和距离的二元函数；

对实际列车三维流线型头部外形截取多个截面得到实际面积，将各截面面积及其距列车鼻尖距离作为计算参数输入，然后采用拉格朗日插值得到计算所需的列车流线型头部任意截面的面积参数。

4.根据权利要求3所述的求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法，其特征在于所述对非定常可压缩不等熵模型进行的简化还包括：

对碎石道床隧道的计算，添加了线性阻抗+孔隙模型。

5.根据权利要求1所述的求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法，其特征在于所述隧道出口及隧道群两相邻隧道间的流场计算的方法包括：

采用k-ε两方程湍流模型中的标准k-ε湍流模型建立三维数学模型，并对该三维数学模型进行物理空间与计算空间的转换，最后基于非正交曲线坐标系下求解可压缩SIMPLE算法。

6.根据权利要求5所述的求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法，

其特征在于所述隧道出口及隧道群两相邻隧道间的流场计算的方法进一步包括：

在该三维数学模型中的对流-扩散方程中的扩散项采用具有二阶精度的中心差分格式，对流项离散的差分格式采用具有二阶精度的QUICK格式。

7.根据权利要求5所述的求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法，其特征在于三维数学模型中的三维分区算法采用块结构化网格中的对接网格，该对接网格包括先划分无重叠的子区域，然后各子区域根据格式精度的要求向外延拓，其中延拓部分为内边界。

8.根据权利要求1所述的求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法，其特征在于所述方法进一步包括：

在对隧道出口三维流场进行计算时，建立三维任意曲线坐标系下基于有限体积法的离散控制方程，采用可压缩流体的SIMPLE算法对隧道出口流场进行求解，并在边界处给出基于黎曼不变量的无反射边界条件。

9.根据权利要求1所述的求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法，其特征在于所述数据交换包括：

在隧道内三维效应可以忽略的位置建立所述两种算法的数据交换面，将一维流场计算结果在远离隧道出口位置做三维延拓，即增加另两维方向的速度，并均设定为零，作为入口边界条件赋给三维流场；三维流场的计算结果中仅将其中的沿隧道轴向的空气流动速度、流体压力和空气密度三个变量值赋给一维流场的相应节点，实现一维特征线法和三维可压缩SIMPLE算法的数据交换。

10.根据权利要求1所述的求解长大隧道、隧道群隧道空气动力效应的方法，其特征在于所述方法进一步包括：

运用计算机和FORTRAN语言求解列车/隧道耦合空气动力学，读入包括列车编组长度、车体截面积、运行速度、流线型头部参数、隧道长度、隧道截面积、轨道类型、缓冲结构相关参数，以及隧道口三维模型的网格文件、边界条件、控制参数的列车、隧道的基本参数，输出隧道壁面和车体表面测点压力变化曲线，以及隧道口微气压波变化曲线。

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