高速列车隧道空气动力学数值仿真系统的开发-图文解析

张兆杰等：高速列车隧道空气动力学数值仿真系统的开发高速列车隧道空气动力学数值仿真系统的开发木张兆杰高波王英学（西南交通大学土木工程学院四川成都６１００３１）摘要介绍高速列车隧道空气动力学数值仿真系统的原理与应用。该系统对高速列车通过隧道时诱发的空气动力学效应进行模拟，计算结果有利于隧道的优化设计。关键词隧道高速列车空气动力学数值仿真系统开发应用随着列车速度的提高，高速列车进入隧道时诱发的空气动力学效应也愈发突出。这种空气动力学效应将诱发高速铁路运营中的一系列问题：①高速列车进入隧道时，会在隧道内产生压缩波，沿隧道向前传播并产生变形，当其到达隧道出口时，大部分能量向隧道内以膨胀波的形式反射回去，造成隧道内压力波动，影响乘车舒适度；②高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微气压波，引起爆破噪声并危及洞口建筑物；③列车行车空气阻力增加，引起对列车动力和总能量消耗的特殊要求；④列车风加剧影响隧道内人员作业。这些问题涉及到隧道建筑限界，洞口段形状，洞内设施、轨道结构及车头和车尾形状等技术措施的改进。因此，准确地了解隧道内瞬变压力变化幅度、列车内部压力变化幅度、隧道出口微压波变化幅度与行车阻力等已经成为高速列车隧道空气动力学设计的关键问题。日、法、德、英等国家相继从２０世纪６０年代起就开展了这些方面的研究¨Ｊ，但大多是将其视为一维非定常、可压缩的不等熵流动，并采用特征线法来求解方程。这种方法的缺点是无法考虑隧道底板方向的边界条件以及隧道形状、车头形状对空气动力学效应的影响，而且不能反映同一隧道截面上不同位置速度、压力的差异。为此，本文采用三维粘性、可压缩、不等熵、非定常流的数学模型，在多年研究的基础上开发了高速列车隧道空气动力学三维仿真系统。１模型建立１．１控制方程列车进入隧道时引起的空气流动，是可压缩、存在边界层分离的三维不定常紊流流动，遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒定律。在笛卡尔坐标系下，对空间任意控制体ｙ，采用有限体积法进行离散后，其积分形式的三维可压缩性Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程可写为（１）式。ｍ国家自然科学基金资助项目（课题编号：５０１７８０６０）；国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（课题编号：２００４ＡＡ５０５４３０）；铁道部科技发展计划项目（课题编号：２００３Ｃ００１）。张兆杰，男，助理工程师，硕士。训ｐｙ＋妒耥２驴耥式中亩＝［ｐｐＭ∥ＪＤ埘栌］７Ｆ＝Ｇ＝Ｐ“ｐｖｐｕ‘＋ｐｐｕｖｐｖｕｐｖ‘＋ｐｐｗｕｐｗｖｐｕｌｌｐｖＨ０００－３７－ｘｘ７－。ｙ丁ｘ：Ｊｒｙｌ丁ｙｙｒｙｚｒｚ。丁：ｙ７－ｚｚｚｍｎＪｐ埘ＰｌＺＷｐｖｗｐｗ。＋ＰｐｗＨ２＝Ｍ丁。。＋扩７－，，＋埘７－。：一ｇ，，ｎ＝ｕｒｙｘ＋秽丁ｙｙ＋加丁ｙｚ—ｑｙ凡＝ｕ丁ｚｘ＋口丁：ｖ＋。Ｄ丁ｚ。一ｑｚ其中ｐ——气体的密度；ｌＺ，秽，Ｗ—戈、Ｙ、ｚ方向的速度；ｐ——压力；Ｅ——单位体积的总能量；丁——粘性应力张量；ｑ。，ｇ，，９：——热流通量的分量；丁ｘｘ、ｒｘｖ、…、丁：：——Ｓｔｏｋｅｓ给出的剪应力分量。为了封闭上述方程组，引进气体的状态方程以及流体的运输方程：Ｐ＝ＪｐＲｒ（２）Ｐ＝（ｙ一１）［Ｅ—Ｐ（Ｍ２＋秽２）］／２Ｈ＝Ｅ＋ｐ／ｐ式中尺——气体常数；卜气体温度；卜总焓。１．２网格划分当列车高速向前运动时，计算区域边界不断发生变化。对于这种情况可以采用滑动网格技术来实现心Ｊ。整个网格区域划分成不同的子区域并形成子区域边界，如图１所示，（１＿２＿３叫）、（５—６＿７＿８＿９）为两个不同的子区域，Ａ—Ｂ—Ｃ—Ｄ万方数据・１８・全国中文核心期刊路基工程２００６年第６期（总第１２９期）和Ｅ—Ｆ—Ｇ—Ｈ为各个子区域的非常规边界。在计算过程中，面Ａ—Ｂ、Ｂ—Ｃ、Ｃ—Ｄ和面Ｅ—Ｆ、Ｆ—Ｇ、Ｇ—Ｈ形成交接面并沿着交接面相互滑动。整个区域流场的信息通过交接面得到交换：面Ａ—Ｂ、Ｂ—Ｃ、Ｃ—Ｄ和面Ｅ—Ｆ、Ｆ—Ｇ、Ｇ～Ｈ相互切割形成两个子区域共同的面ａ—ｂ、ｂ～ｃ、ｃ—ｄ、ｄ—ｅ、ｅ—ｆ、卜ｇ、ｇ—ｈ，同时流场信息从单元５传递到单元１和单元２是通过面ｂ—ｃ和面ｃ—ｄ，而面Ｅ—Ｆ被忽略掉了。活塞风速；③隧道出Ｅｌ外的微气压波；④列车头部的压力及其梯度；⑤列车尾部的压力及其梯度；⑥列车内部的压力及其梯度；⑦列车在隧道中的行车阻力等。４应用举例一个单线圆形断面隧道利用该系统，经输入相关数据、求解，计算结束后，进入后处理菜单，单击其中相应子菜单即可自动得到相应曲线，如图３一图７所示。２方程求解三维数值模拟采用耦合法来求解三维Ｎａｖｉｅｒ一星Ｓｔ。ｃｋ。方程。空气介质按粘性、可压缩理想气体计奋算，紊流方程采用ｋ—ｓ模型。耦合法即同时求解美一连续方程、动量方程和能量方程，其过程如图２。一ｌ输入初始变量ｌｌ及边界条件ｌｆ————一求解紊流方程及其他方程廷萝莲停止ｌ图１网格交接面图图２流体方程求解过程示意图３软件功能３．１软件特点（１）该系统分为前处理、求解、后处理三个独立的模块，建立了良好的人机交互式用户图形界面。（２）该系统是基于ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ系统平台编制的程序，具有ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ系统平台应用程序所具有的特点。（３）使用人员只需输入相关参数即可得到各种曲线，操作比较简单。３．２软件功能该系统适用广泛，功能强大，可用于以下工况相互组合时的各种空气动力学效应：①按线路类型分，双孔单线隧道或单孔双线隧道；②按轨道类型分，磁浮铁路或普通轮轨铁路；③按道床类型分，道碴式道床或轨枕板道床；④按隧道断面类型分，矩形断面、单心圆形断面、三心圆形断面以及其它复杂断面；⑤按列车类型分，ＴＧＶ、ＩＣＥ／Ｖ、中华之星等国内外各种型号列车；⑥按有无辅助设施分，隧道人口缓冲结构或出口膨胀室等；⑦按缓冲结构类型分，拱形封闭式缓冲结构、拱形开口式缓冲结构、喇叭型缓冲结构等。该系统可以计算高速列车进入隧道诱发的下列问题。①隧道内的瞬变压力及其梯度；②隧道内的图３隧道内距洞口５０ｍ处瞬变压力变化图４蛊３赛２出１釜０＊一１－２０１２３４５６７８９１０ｔ／ｓ图５列车头部压力变化图６０互５０杂４０圜３０＊２０最１００１∞１色燃出题一一１ｔ／ｓ图４距隧道出口２０ｍ处微压波压力变化图时；室０奋：！去一３舞：；图７列车行车阻力变化图５结束语本文在已有研究成果的基础上，针对高速列车进出隧道时诱发的空气动力学效应进行了深入研究，以软件工程理论为指导，运用面向对象的程序设计方法和多种软件协作技术，通过编程设计并实现了高速列车隧道空气动力学三维数值仿真系统，这在国内尚属首次，有利于隧道纵、横断面以及洞口结构形式的优化设计。参考文献［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—０７万方数据高速列车隧道空气动力学数值仿真系统的开发作者：张兆杰，高波，王英学，ZhangZhaojie，Gaobo，WangYingxue作者单位：西南交通大学土木工程学院,四川,成都,610031刊名：路基工程英文刊名：SUBGRADEENGINEERING年，卷(期：2006(6参考文献(2条1.AhmeSR.Ga