公铁合建越江隧道列车运动压力波数值模拟

桑东升 张旭

公铁合建越江隧道列车运动压力波数值模拟

桑东升 张旭

同济大学机械与能源工程学院

本文采用CFD方法对地铁通过公铁合建越江隧道产生的压力波进行了数值模拟分析。基于国内某公铁合建越江隧道相关尺寸建立其下部地铁隧道三维几何模型，采用动网格方法模拟列车从驶入到驶出隧道的全过程。利用国外模型实验数据验证了本文数值模拟方法的可靠性，根据隧道内压力变化曲线，分析了由于列车通过隧道引起的压力变化规律。计算得到进入疏散通道防火门处的压力峰值，最大值1910Pa，最小值-1060Pa，与疏散通道内30～50Pa的正压有较大的压力差。

公铁合建越江隧道压力波数值模拟动网格

0引言

列车以某一速度进入隧道，由于其对空气的挤压和隧道壁面对气流流动的限制，会在隧道内形成系列的压缩波和膨胀波，这些波在隧道内的传播和反射导致隧道内的压力随时间不断变化[1]。列车通过隧道引起的空气流动通常是复杂的三维非定常、可压缩、紊态流动[2]，国内外学者采用在线实车试验、模型模拟试验、数值模拟计算等方法对列车通过隧道产生的压力波进行了大量的研究[3～5]。利用数值模拟计算的研究包括利用一维模型对隧道内的压力波进行数值分析[2，6]，以及对隧道内的压力波进行三维数值模拟[7～8]。

公铁合建越江隧道盾构段为双层隧道，上层为公路隧道，下层为地铁隧道，两隧道共用同一疏散通道，地铁隧道的阻塞比远大于铁路山岭隧道。当上部公路隧道发生火灾时，疏散通道开启，此时下部地铁隧道正常运行，当列车通过隧道时，地铁隧道内压力不断变化，而疏散通道内维持30～50Pa正压，因此，地铁隧道进入疏散通道的防火门两侧的压力差也将不断变化。

本文根据国内某公铁合建越江隧道相关尺寸建立了其下部地铁隧道的三维几何模型，利用动网格技术进行数值模拟，得到列车从驶入到驶出隧道即通过越江隧道全过程的压力变化曲线。本文根据国外缩尺模型实验进行验证，模拟结果与实验结果比对吻合较好，确认计算方法准确可靠后，分析列车通过隧道引起隧道内的压力变化规律，以及压力峰值随隧道长度的变化。

1研究方法

1.1模拟场景设置

公铁合建越江隧道上部公路隧道发生火灾时，此时公路隧道和地铁隧道共用的疏散通道开启，地铁隧道侧的防火门关闭，下部地铁隧道正常运行，假设列车从大气驶入隧道，通过隧道后驶入大气，模拟列车通过下部地铁隧道过程中，地铁隧道内的压力变化。

1.2几何模型

根据国内某在建公铁合建越江隧道相关尺寸建立其下部地铁隧道的几何模型，如图1所示，隧道截面为4.5m×4.5m；列车长120m，宽3m，高3.8m，隧道阻塞比约为0.56，时速80km/h，设定隧道内线路为直线，忽略隧道坡度，列车的头尾部均为钝体，车头与车体夹角为90°，假设列车匀速通过隧道。

图1几何模型示意图

隧道达到一定长度后，压力波动绝对值不再随着隧道长度的增加而增大[1]，故不考虑隧道长度对于压缩波的非线性效应，取隧道长度1000m。为保证计算结果的精确性，车头前端点初始位置距离隧道入口100m，外场大气高度为50m，宽度100m，长度300m。

忽略横向风作用，流场沿列车的对称面对称，为有效地缩短模拟的时间，模型只按照对称面建立左半部分。

1.3数值方法

列车通过隧道引起的空气流动流场雷诺数Re大于1×106，流动处于紊流状态，三维非稳态流场的模拟采用CFD软件FLUENT完成，并采用连续性方程、雷诺时均N-S方程和RNG k-ε模型进行求解，压力与速度的耦合运用PISO算法，压力离散格式为PRESTO，3个坐标方向的速度方程和k、ε方程的对流项离散采用二阶迎风差分格式。

通常由于列车的运行速度较低，马赫数小于0.3，可以按照不可压缩粘性流体处理，但是列车通过隧道过程中，空气受到强烈挤压，不可以忽略空气的压缩性，故空气按可压缩气体计算。

1.4动网格模型和边界条件

采用动网格技术模拟列车通过隧道的过程。在FLUENT中有三种方法可以定义动边界：弹性光顺、铺层和局部重构法。考虑到列车通过隧道的特征，本文选取铺层方法进行模拟[9]。计算区域划分如图2所示，计算流场分为固定区域和移动区域，两区域通过滑动交界面连接，在流体移动区域，将列车以及列车相连的前后流场区域设置为移动刚体，即列车周围的网格不发生变化，随着列车一起运动；流场区域两端的网格被拉伸和压缩，从而根据网格的尺寸大小不断的消失和生成。随着列车运行，在每个时间步长内模拟软件自动调整网格计算得到动态结果。

图2动网格计算区域划分

在本文计算流场中，隧道入口的流场区域边界设定为压力入口边界条件，隧道出口的流场区域边界设定为压力出口边界条件，对称面设为对称边界条件。列车壁面、隧道壁面和地面均采用无滑移壁面边界条件，采用标准壁面函数计算壁面附近流场。

图3网格独立性检验测试结果对比图

网格划分采用结构化六面体网格，分别取总数为100万、200万和300万的3组网格进行模拟比较。图3对比了隧道内距离隧道入口200m处的前8秒内压力随时间变化的曲线。由图3可知，三组网格的模拟得到的压力变化趋势基本一致，100万网格计算得到的压力与其他两组网格计算结果的误差值在10%以内，在工程可接受的范围内。考虑动网格计算时间较长，为节省计算时间，选用100万网格模型进行计算。

非稳态计算最大时间步长由最小网格尺度和列车的运行速度决定，为保证动网格更新后的网格质量，同时考虑计算时间，时间步长取为0.005s。

1.5计算方法验证

Ricco P等人[3]开展了一系列模型实验研究列车通过隧道产生的压力波，本文选用其中一组实验进行验证。图4为模型实验原理图（Ricco P等[3]），隧道模型为圆柱体，长6m，直径99mm；列车模型断面形状为正方形，长600mm，边长33.7mm；隧道阻塞比约为0.1475。列车在沿着隧道轴线两根平行的钢丝绳上运行，最大速度为150km/h（42m/s），本组实验列车通过隧道的速度为110km/h（30.6m/s）。压力传感器安装在距离隧道入口17mm，300mm，600mm和900mm处，测试频率最高为40kHz。

图4模型实验原理图

图5给出了Ricco P等人由实验测得的在距离隧道入口900mm处的压力随时间变化的曲线与本文数值模拟所得结果的对比。可以看出，模拟得到的压力随时间变化趋势与实验结果基本一致，并且压力的最大值和最小值都与实验结果吻合较好，相对误差在2%以内。可以认为本文中模拟列车通过隧道产生压力波的方法可靠。

图5模拟结果与实验结果对比

2模拟结果与分析

根据地铁隧道内进入疏散通道防火门的位置，沿隧道长度方向每隔150m布置一处压力测点。图6所示为距离隧道入口300m、600m和900m三处测点地铁驶入隧道压力变化曲线。可以看出三个测点压力变化的最大值和最小值比较接近，到达最大值的时刻分别为0.97s、1.87s、2.75s，各时刻之间的间隔大致为0.9s，各测点之间的距离为300m，可以计算得到压力波传播的速度为300m/0.9s≈333m/s，近似等于声速。

图6隧道长度方向上测点的压力变化曲线

图7所示为地铁从驶入隧道到驶出隧道整个过程中，距离隧道入口150m和450m两处测点压力随时间的变化过程。当列车驶入隧道时，形成压缩波，导致隧道内压力骤增，随着列车进一步驶入，压缩波强度不断增大；压缩波以声速沿隧道向前传播，到达隧道出口时，以膨胀波的形式反射回来沿隧道向进口方向传播。当列车尾部一进入隧道，由于列车尾部的压力低于隧道口大气压，产生膨胀波，也以声速向隧道出口方向传播，传播到列车头部时，部分膨胀波以压缩波形式反射回去，另一部分仍以膨胀波的形式继续向出口方向传播，传到隧道出口时，又以压缩波形式反射回来。所以压缩波和膨胀波在隧道内多次反射和传播，并且互相叠加，导致隧道内的压力随时间不断变化。

图7地铁通过隧道压力变化过程

由图7也可以看出由于摩擦，压缩波和膨胀波在传播的过程中逐渐衰减。虽然列车通过隧道过程中，隧道内的压力随时间不断变化，但是隧道内不同位置的压力变化规律相同，仅仅作用时间和幅值大小不同。

分析距离隧道入口150m处压力随时间变化曲线，在前1.5s内压力骤增后又下降是由于车头与车体之间夹角超过30°，车头附近出现气流分离的结果[3]。在6.75s时压力骤降，原因是此刻列车通过该测点，导致测点处的压力下降，当列车尾部通过测点时，壁面压力上升。而在47.55s时出现压力上升，是由于当列车头部驶出隧道时，产生的压缩波以音速传播到测点导致隧道壁面的压力迅速上升，随着列车驶出隧道，隧道内压力下降。

图8所示为不同测点处测得的压力最大值和最小值，由于压力波传递过程中的摩擦，造成沿隧道长度方向压力波峰值逐渐减小。模拟计算得到测点处的压力最大值为1910Pa，最小值为-1060Pa。这与疏散通道内由风机维持30～50Pa的正压有较大的压力差。

图8不同测点处压力最大值和最小值

3结论

1）采用动网格技术对列车通过隧道产生的压力波进行数值模拟计算，利用国外模型实验验证，计算结果与实验结果吻合较好，验证计算方法准确可靠；得到了列车从驶入到驶出隧道通过隧道的全过程中，隧道内不同位置处压力随时间变化的曲线。

2）分析了由于列车运动引起的隧道内的压力变化规律，可以计算得出空气动力学效应产生的压缩波和膨胀波在隧道内基本以声速传播；列车通过隧道过程中，隧道内不同位置的压力变化规律相同，仅作用的时间和幅值大小不同。

3）模拟得到进入疏散通道防火门处的压力峰值，沿隧道长度方向逐渐减小；最大值为1910Pa，最小值为-1060Pa，与防火门另一侧疏散通道内30～50Pa的正压有较大的压力差。

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Num e ric a l Sim ula tion on Pre s s ure Wa ve s Induc e d by a Tra in Tra ve lling Through a Roa d a nd Subw a y Com bine d Tunne l

SANG Dong-sheng,ZHANG Xu
School of Mechanical Engineering,Tongji University

A numerical simulation on pressure waves generated by a train travelling through a road and subway combined tunnel was carried out by means of the Computational Fluid Dynamics（CFD）method.The three-dimensional model of subway was establishedbased on an under construction tunnel in China.Dynamic mesh method was applied to simulate the process of a train entering and running through the tunnel.The numerical simulation method was validated against a scaled model experiment.The pressure change induced by a train travelling through the tunnel was analyzed according to the pressure curve.Peak pressure at the fire door where to enter the fire evacuation routes was calculated. The maximum(1910Pa)and the minimum(-1060Pa)pressure could be dozens of times larger than that(30～50Pa)in the evacuation routes.

road and subway combined tunnel,pressure waves,numerical simulation,dynamic mesh

1003-0344（2014）05-023-4

2013-8-18

张旭（1955～），男，博士，教授；上海市同济大学机械与能源工程学院（201804）；E-mail:xuzhang@tongji.edu.cn