高速鐵路隧道入口緩沖結構的仿真分析

高速鐵路隧道入口的緩沖結構最早起源于日本高速鐵路。由于鐵路隧道的初路段非常小，隧道入口列車的影響壓力波和隧道出口處的微氣波對船體結構、隧道結構和環境都有一定的影響。為了緩解隧道內氣體壓力波的影響，日本工程師在隧道內設計了一種緩沖結構。緩沖結構通常適用于隧道內適當連接部分混凝土（或其他材料）的結構。圖1顯示了緩沖區結構的示意圖。法國、德國、韓國和其他國家也在修建高速鐵路隧道。緩沖結構有多種類型，如喇嘛口、矩形截面、橢圓形截面等。有些沖浪板切割或槽體彎曲部分，或在沖浪板結構的入口處打開孔或槽體，以承受部分氣體的負荷。緩沖區的入口有垂直或傾斜段，有些沖浪板結構的入口設計有“宣傳屋檐”的結構。我國修建的高速鐵路隧道有些也采用了緩沖結構,例如鄭西客運專線上秦東隧道采用了圖2所示(縱斷面)的緩沖結構.入口采用斜切帶上揚帽檐結構,入口橫截面面積150m2,由于隧道橫截面面積為100m2,中間有一過渡段.緩沖結構總長58m,其中過渡段長8m,兩側對稱開有矩形減壓孔.從氣動設計角度看,關于緩沖結構長度多大合適,是否越長越好,過渡段多長合適,減壓孔的開孔率(減壓孔面積與隧道截面積之比)為多少是合適的,緩沖結構是直立斷面還是斜切斷面好,上揚帽檐結構對減輕氣動效應有什么作用,已有文獻對上述問題進行了討論,但存在較大差別[6,7,8,9,10,11,12,13,14],例如日本Shinkansen線路上一條隧道的緩沖結構長15m,秦東隧道緩沖結構長58m.文獻中認為緩沖結構的最優長度約為3倍隧道水利直徑.文獻中通過模型仿真分析,認為喇叭口隧道緩沖結構長度越長越好,在阻塞比為1.30時隧道緩沖結構的最優長度達181m.文獻中認為無開孔的緩沖結構長度取為一倍隧道斷面等效直徑較好.文獻中推導了開口型緩沖結構最小長度計算式.不同隧道緩沖結構的開孔率和入口斷面的形狀也有很大不同.早期的隧道緩沖棚多采用直立入口斷面且壁面不開孔,隨著建造技術的進步,采用各種入口斷面形式和各種開孔率的緩沖結構不斷出現.本文擬采用計算流體力學的三維數值分析方法,進一步探討上述問題.1織物t模型利用下列方程描述隧道外空間和緩沖結構及隧道內流場.由于高速列車車速較高,列車附近空氣流速超過了0.3倍馬赫數,方程為可壓縮流體連續性方程和動量守恒方程(式(1)、(2));由于空氣密度的變化與溫度相關,還需求解能量守恒方程(式(3));由于空氣流速高,以車寬作為特征長度計算,流場雷諾數Re>106,氣流處于紊流狀態,計算中采用k-ε兩方程紊流模型(方程(4)、(5))模擬列車周圍紊態流場.ρ,t+(ρu)j,j=0,(1)(ρuj),t+(ρu)jui,j=-p,i+(μ+μt)(ui,jj+uj,ij),(2)(ρi),t+(ρiu)jui,j=κcp+μtσΤκcp+μtσTTjj+μGk,(3)(ρk),t+(ρu)jk,j=μ+μtσkμ+μtσkk,jj+μtGk-ρε,(4)(ρε),t+(ρu)jε,j=μ+μtσεμ+μtσεε,jj+c1εkμtGk-ρc2ε2k?(5)ε,jj+c1εkμtGk?ρc2ε2k?(5)式中:Gk=(ui,j)2+ui,juj,i;μt=ρcμk2εμt=ρcμk2ε;t——時間,s;uj——氣體速度分量,m/s;p——空氣壓力,Pa;μ——空氣動力黏度系數,N·s/m2;ρ——空氣密度,kg/m3;μt——紊流粘性系數,N·s/m2;k——紊流動能,J/kg;ε——紊流動能耗散率,m2/s3;T——空氣溫度,K;κ——空氣導熱系數,W/(m·K);cp——空氣比熱容,J/(kg·K);c1、c2、cμ、σk、σε——經驗常數,分別取1.44、1.92、0.09、1.0、1.3.方程組的數值求解采用有限體積法.流場空間分成靜止和移動兩部分:列車及其周圍流場為移動部分,按照給定車速運動;地面、緩沖結構和隧道壁面附近流場為固定部分,計算過程中保持靜止.數值計算時,利用移動網格技術實現列車與地面、緩沖結構和隧道壁面之間的相對運動.流場中部分固體壁面網格劃分如圖3所示.計算模型中,列車外形以CRH2型高速列車尺寸建立,隧道和緩沖結構斷面形狀按照秦東隧道結構尺寸構造.計算網格經試算分別取總數為80、90、100萬不等,發現網格總數大于90萬時,計算結果誤差小于5%,因此,后續計算各種模型網格數目控制在接近100萬.2計算與分析2.1不同過渡段長度對隧道氣體壓力的影響為分析緩沖結構中過渡段長度對列車進入時引起的壓力波的影響,建立了3種計算模型.緩沖結構總長為58m,過渡段長度分別為8、12、16m.這里稱緩沖結構的等截面段為緩沖段,因此,3種計算模型的緩沖段長度分別為50、46、42m.其他條件不變的情況下,列車以350km/h速度進入隧道時(下同),在隧道內距隧道口20m處的氣體壓力變化如圖4所示.由圖4可知,過渡段的加長,隧道內峰值壓力略有降低,最大壓力變化率增大,但變化很小.可見過渡段長度對隧道內氣體壓力的影響極小.2.2緩沖段長度對壓力的影響為了解緩沖段長度對隧道內氣體壓力的影響,設計了6種計算模型.緩沖段長度分別為0(無緩沖結構)、10、20、30、40、50m.由于過渡段長度對隧道內氣體壓力的影響很小,模型中過渡段長度按一定比例分別設為2、3、5、6、8m.用6種模型分別計算得到的隧道內距入口20m處的壓力變化曲線如圖5所示,壓力峰值數據和壓力變化率峰值數據如表1所示.由表1中可以看出,隨著緩沖段長度增加,列車進入時,隧道內正壓峰值逐漸降低,但負壓峰值不斷加大.相對于無緩沖結構隧道,緩沖段長度50m時隧道內正壓峰值降低13.8%,但負壓峰絕對值增加10.8%,可見并非緩沖段越長越好.從壓力變化率峰值數據可知,緩沖段長度為20～30m時,壓力變化率峰值最小.由圖5可以看出,當緩沖段長度大于20m后,列車進入時壓力升高(或負壓段壓力降低)過程中有一個平緩變化階段,即壓力升高(或壓力降低)分成兩個階段.緩沖段長度越長,緩和變化的平臺越寬.綜合考慮隧道內氣體壓力峰值和壓力變化率峰值隨緩沖段長度的變化關系,可能20～30m長的緩沖段較好.2.3每側開孔量為了解緩沖結構上開孔率對隧道內氣體壓力的影響,對58m長的緩沖結構,計算了5種開孔方式模型:(1)緩沖結構上不開孔;(2)每側開5個孔(兩側共10個),開孔率約等于30%;(3)每側開10個孔,開孔率約等于60%;(4)緩沖結構前半段(靠近入口)每側開5個孔;(5)緩沖結構后半段每側開5個孔.用5種模型分別計算得到隧道內距入口20m處的壓力變化曲線,結果如圖6所示.前3種模型的氣體壓力峰值和壓力變化率峰值列于表2.由表2和圖6可以看出,緩沖結構上開孔對降低隧道內氣體最高壓力不但沒有貢獻,反而是負的貢獻.開孔的優點是壓力變化變得平緩,使壓力變化率峰值降低.隨著開孔率的增大,由于緩沖段產生的壓力變化平臺逐漸消失,因此,在緩沖結構上開孔時應綜合考慮開孔率對隧道內氣體壓力峰值和壓力變化率的影響.2.4橫斷面為了解緩沖結構入口形式對隧道內氣體壓力的影響,分別設計了5種緩沖結構入口形式模型:(1)直立斷面入口;(2)45°傾斜斷面入口;(3)45°傾斜斷面加上揚帽檐入口(與秦東隧道相同);(4)30°傾斜斷面入口;(5)30°傾斜斷面加上揚帽檐入口.列車以350km/h速度突然進入隧道時,5種模型隧道內距入口20m處的壓力變化如圖7所示.由圖7可以看出,5種入口結構條件下隧道內氣體壓力變化趨勢幾乎一樣,說明直立斷面或斜切斷面入口形式對隧道內氣體壓力的影響沒什么差別,開口頂部加上揚帽檐結構對隧道內氣體壓力的減緩也基本不起作用.2.5不同結構對會車壓力波的影響隧道內會車時有可能在隧道內產生大的壓力波動,對列車車體和隧道難免都會產生負面影響.為研究緩沖結構對會車壓力波的影響,分別計算了無緩沖結構隧道、帶有緩沖結構無減壓孔隧道和有緩沖結構并帶減壓孔隧道中會車情況,列車以350km/h速度在長400m隧道中部等速會車時,車體側窗處氣體壓力變化如圖8所示.從圖8可見,緩沖結構可有效降低會車壓力波峰值,無孔緩沖結構降低壓力波峰值的效果更好.3不同緩沖段長度和開孔率對壓力波的影響(1)高速鐵路隧道口加建緩沖結構可降低列車突入時的壓力波峰值和會車壓力波峰值.(2)緩沖段長度并非越長越好.過長的緩沖段雖可使正壓波峰值降低,但會使壓力波的負壓峰值加大.本文計算模型中緩沖段長度大于20m時,壓力波的升高過程分成兩個階段,中間有一平緩過渡期.綜合考慮壓力波峰值和壓力變化率,在計算工況下緩沖段長度在20～30m最好.(3)過渡段長度對降低隧道內壓力波峰值的貢獻很小.(4)相對于不開孔的緩沖結構,