400km_h高铁隧道组合型式缓冲结构泄压孔优化.pdf
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1、第 20 卷 第 10 期2023 年 10 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 10October 2023400 km/h高铁隧道组合型式缓冲结构泄压孔优化杨伟超1,2,李国志1,何洪1,刘义康1,邓锷3,罗禄森4(1.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075;2.高速铁路建造技术国家工程研究中心,湖南 长沙 410075;3.香港理工大学 土木与环境工程系,香港 九龙 999077;4.中铁二院工程集团责任有限公司,四川 成都 610031)摘要:国内外已有多条在建高速铁路隧道设
2、计时速达到400 km,随着列车速度不断提高,微气压波产生的负面效应愈发严重。相关研究及工程实践表明,单一型式缓冲结构缓解效果有限,而等截面扩大+帽檐斜切+泄压孔的组合型式缓冲结构对缓解微气压波具有更优良的效果。然而国内外对这种组合型式缓冲结构研究相对较少,为了使其满足更多实际场景的要求,针对其泄压孔几何参数进行优化仍具有一定的工程价值。针对这一问题,基于RNG k-双方程湍流模型,采用数值模拟和现场实测相结合的方法,从首个泄压孔边缘到帽檐的距离、开孔率、开孔数量和环向开孔位置4个方面开展研究,分析在采用不同泄压孔组合型式缓冲结构下的初始压缩波和微气压波的特征,提出组合型式缓冲结构泄压孔的最佳
3、优化参数。结果表明:相对于首个泄压孔到帽檐的距离为8,16和24 m时,当距离为4 m时,组合型式缓冲结构对微气压波的缓解效果最佳;相对于开孔率=24%,40%和48%的组合型式缓冲结构,当开孔率为32%时,缓冲结构对微气压波的缓解最佳;相对于设置2个或8个泄压孔,设置4个4 m(横向)2 m(纵向)的泄压孔时,缓冲结构对微气压波的缓解效果最佳;在缓冲结构的环向位置上,在拱顶设置泄压孔,缓冲结构对微气压波的缓解效果最佳。关键词:泄压孔优化;400 km/h高速铁路;组合型式缓冲结构;微气压波;初始压缩波中图分类号:U25 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672
4、-7029(2023)10-3648-14Optimization of ventilation windows of a combined buffer structure in a 400 km/h high-speed railway tunnelYANG Weichao1,2,LI Guozhi1,HE Hong1,LIU Yikang1,DENG E3,LUO Lusen4(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.National Engineering Resear
5、ch Center of High-speed Railway Construction Technology,Changsha 410075,China;3.Department of Civil and Environmental Engineering,The Hong Kong Polytechnic University,Hongkong 999077,China;4.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031,China)Abstract:Several high-speed railway tunn
6、els with a design speed of over 400 km/h are under construction 收稿日期:2022-10-25基金项目:国家自然科学基金资助项目(51978670);中国中铁股份有限公司科技研发项目重大专项(2021-重大-04-2)通信作者:杨伟超(1978),男,湖南长沙人,副教授,博士,从事隧道空气动力学效应及流固耦合等方面的研究;Email:weic_DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222014第 10 期杨伟超,等:400 km/h高铁隧道组合型式缓冲结构泄压孔优化worldwide.The negative
7、impact of the micro-pressure waves become increasingly severe as the train speed increases.Relevant studies and engineering practices show that a single type of buffer structure has a limited relief effect,whereas the combined buffer structure with an enlarged cross-section,oblique cut hat and venti
8、lation windows has a better effect on alleviating micro-pressure wave.However,there has been limited study on this type of combined buffer structure.It is still of engineering value to optimize its geometric parameters to meet the requirements of more actual situations.In this research,numerical mod
9、els were established based on the RNG k-turbulence model and verified by field measurement.Four parameters related to ventilation windows were studied in this research:the distance between the first ventilation window and the hat,the ventilation ratio,the quantity of ventilation windows,and the posi
10、tion of the circumferential ventilation windows.The characteristics of the initial compression wave and micro-pressure wave were analyzed using different ventilation windows,and the optimum parameters of the combined buffer structure were proposed.The results show that the combined buffer structure
11、has the best buffer effect on the micro pressure wave when the distance between the first ventilation window and the hat is 4 m compared with 8 m,16 m,and 24 m.When the ventilation ratio is 32%,the combined buffer structure has the best buffer effect on the micro-pressure wave compared with that wit
12、h ventilation ratios of 24%,40%,and 48%.When four ventilation windows,with a transverse and longitudinal size of 4 m and 2 m,respectively,are adopted,the combined buffer structure has the best buffer effect on the micro-pressure wave compared with two or eight ventilation windows.The best effect on
13、alleviating the micro-pressure wave is obtained when ventilation windows are set on the vault.Key words:optimization of ventilation windows;400 km/h high-speed railway;combined buffer structure;micro-pressure wave;initial compression wave 隧道洞口的微气压波严重影响附近居民生活质量,甚至导致洞口周围建筑振动,损坏洞口附近建筑结构12。目前,我国已有多条在建或建
14、成高速铁路设计时速达到400 km。随着列车速度的提高,微气压波产生的负面效应愈发严重3。相关研究及工程实践证明4,单一型式缓冲结构的缓冲效果有限,等截面扩大+斜切+泄压孔的组合型式缓冲结构具有优良的缓冲性能。此前,刘堂红等58通过采用理论计算、数值模拟和动模型试验等手段,对不同缓冲结构型式展开研究,例如断面扩大无开口型和线性喇叭型缓冲结构、隧道洞门倾斜入口和帽檐斜切式洞门,研究表明缓冲结构型式对缓解效果有着显著的影响。同时,有部分学者针对缓冲结构的泄压孔也做了相关研究。例如,WANG等9采用理论计算方法分析了泄压孔数量、尺寸和位置分布等因素对微气压波的影响规律,发现泄压孔面积对微气压波的影响
15、效果最显著。TOKUZO等10基于动模型试验和理论公式,以隧道内压力梯度峰值为优化目标,对缓冲结构的泄压孔进行了优化,发现压力梯度峰值与开孔面积呈线性关系。但以上学者仅针对单一型式的缓冲结构展开研究,且列车时速绝大多数为350 km以下,在面对车速为400 km/h时产生的微气压波,单一型式的缓冲结构难以满足规范要求11。一些学者注意到该问题并针对缓冲结构做了初步优化,提出了一些新型缓冲结构。例如,KIM等12基于动模型试验和生物仿真,提出类似于鲨鱼鳃的缓冲结构,发现采用新型缓冲结构时,隧道内初始压缩波和微气压波的峰值分别降低了56.3%和78.7%。ZHANG等13通过1 20动模型试验,分
16、析不同缓冲结构条件下隧道内瞬变压力和微气压波的变化特性,发现帽檐斜切式与泄压孔相结合的缓冲结构型式对微气压波的缓解效果最好。王英学等14通过数值模拟、模型试验和现场实测结合的方法,对比了采用间缝式开口和顶部开口缓冲结构的气动特性,发现间缝式缓冲结构缓解微气压波的效率及经济性更好。尽管国内外学者对各种型式的缓冲结构进行了积极的探索,但对等截面扩大+斜切+泄压孔的组合型式缓冲结构研究相对较少。考虑到列车编组、列车速度、地形地势、3649铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 10月周围环境等因素的影响,不同场景下微气压波的实际控制标准不尽相同。为了使等截面扩大+斜切+泄压孔的组合型式缓冲结
17、构满足更多实际场景的要求,有必要针对其几何参数进行进一步优化。本研究基于FLUENT软件的RNG k-双方程湍流模型,建立隧道列车空气气动仿真计算模型,通过现场实测验证数值模拟的正确性,从组合型式缓冲结构的泄压孔边缘到帽檐距离、开孔率、开孔数量及环向开孔位置4个方面展开研究,分析隧道内的初始压缩波和隧道洞口的微气压波,并提出等截面扩大+帽檐斜切+泄压孔的组合型式缓冲结构的最佳优化参数,为后续相关研究提供方向。1 模型概述1.1几何模型以设计时速为400 km的双线隧道为研究对象,建立隧道列车空气气动仿真计算模型,如图1所示。隧道如图1(a)所示,其断面面积为100 m2,长度为1 000 m。
18、列车采用2编组,全长51.42 m,车头长6.12 m,外形光滑,建模时保持其基本流线特征。缓冲结构的断面面积为 Sh=180 cm2,长度为60 m,宽度为18.5 m,厚度为0.5 m,其中帽檐斜切段长度为20 m,坡度i=1 1.75,等截面扩大段长度为 40 m。泄压孔间距取 4 m1516,宽度为 4 m,泄压孔个数、长度和位置随工况的不同而变化。图1(a)给出了数值模型测点布置方案。由于初始压缩波在隧道内的传播规律具有一维特性17,故本文在距离隧道入口50,100,300,500和950 m的拱顶处分别设置5个测点1号5号,以监测隧道内瞬变压力的变化;高速铁路设计规范对隧道出口20
19、 m和50 m处微气压波峰值做了相关规定11,故在距离隧道出口20 m和50 m,距轨顶面1.5 m处,分别设置2个测点6号和7号,以监测微气压波的变化。单位:m(a)隧道断面及测点布置图;(b)数值模型计算区域及边界条件图1几何模型Fig.1Geometric model3650第 10 期杨伟超,等:400 km/h高铁隧道组合型式缓冲结构泄压孔优化如图1(b)所示,数值模拟采用11全尺模型,隧道两端的大气采用长方体进行模拟。入口端长方体的长宽高分别为250,200和100 m,出口端长方体的长宽高分别为210,200和100 m。模型主要边界条件有3种类型:Pressure-inlet边
20、界条件被用于隧道入口端的大气域的两侧、顶部及后端;Pressure-far-field边界条件被用于隧道出口端大气域的两端、顶部及后端;隧道壁面、缓冲结构壁面、地面及隧道两端大气域靠近山体的壁面则采用No-slip wall,缓冲结构壁面粗糙度Ks=0.005 m,粗糙长度Cs=0.08。初始条件下设置车头鼻尖离隧道入口的距离为 130 m,使列车在大气中运行 1 s左右,保证列车周围流场稳定。1.2网格策略及求解设置采用滑移网格技术结合RNG k-双方程湍流模型1819,通过结构网格和非结构网格结合的技术对计算域进行划分,如图2所示。整体网格区域被划分为静网格(A)和动网格(B)这2个部分,
21、各区域之间通过 Interface 实现流场信息交换,如图 2(b)所示。其中,静网格(A)又进一步被划分成大气区域(A1)和缓冲结构区域(A2)这2个部分,大气区域(A1)为隧道两端和隧道内空气部分,采用六面体结构化网格,缓冲结构区域(A2)为包含缓冲结构的一个长方体区域,采用四面体非结构化网格。动网格(B)为包含列车附近区域(B1)和前、后端(B2,B3)铺层区域,均采用六面体结构化网格。车体表面网格尺寸为0.1 m,在列车表面设置8层附面层,附面层的初始厚度为1 mm,对应的y+3020,附面层网格按1.1的比率向外扩展。前、后铺层区域(B2,B3)的纵向网格尺寸为1 m。为验证本文模型
22、网格独立性,通过调整模型核心加密区,建立粗(800 万)、中(1 500 万)和细(2 500万)3种不同网格数量的模型,均采用相同的模型工况和计算设置。图3为测点2号的初始压缩波时程曲线对比,由图可知1 500万个网格单元模型的计算结果和2 500万个网格单元模型的计算结果比较吻合,而800万个网格单元模型的计算结果差异较大。为平衡计算精度和计算效率,采用1 500万网格模型,最小网格质量为0.2,集中于帽檐斜切段的狭缝处,但数量小于整体网格数的0.002%。FLUENT 软件以网格正交质量为检查标准,通常在前处理中保持正交质量在 0.15 以上,方可满足求解器的要求,故本网格模型满足FLU
23、ENT的计算要求。基于FLUENT软件,对隧道内流场采用Pressure-based求解器进行求解,控制方程的离散方式为有限体积法(FNM),采用半隐式算法(SIMPPLE)对压力与速度耦合方程进行求解21,单位:m(a)模型整体网格示意图;(b)模型断面网格局部示意图图2模型网格示意图Fig.2Model grid diagram图3不同网格数量条件下初始压缩波对比Fig.3Pressure curves of initial compression wave under different grid numbers3651铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 10月采用2阶迎风格
24、式(Second Order Upwind)对时间积分和动量方程进行求解。物理时间步长均设置为103 s22,残差的最小收敛值为10423,每个时间步的迭代次数为30次。1.3工况方案及研究思路图 4 给出了本研究的工况拟定方案及研究思路。相关研究及工程实践表明24,一般首个开孔到缓冲结构边缘的距离为30 m以下,本研究分别选取了4,8,16和24 m进行研究,确定首个开孔到帽檐的最优距离。基于首个开孔到帽檐的最优距离,对开孔率展开研究(=Sk/St,式中Sk和St分别为开孔面积和隧道断面面积)10,24,对比开孔率(24%,32%,40%和48%)的泄压效果,确定最优开孔率。再基于首个开孔到
25、帽檐的最优距离和最优开孔率,对比不同开孔数量(2个、4个和8个)的泄压效果,确定最优开孔数量。然后基于上述最优工况,分析不同环向位置(拱顶、拱腰单侧和拱腰双侧)的泄压效果,最后提出等截面扩大+帽檐斜切+泄压孔的组合型式缓冲结构的最佳优化参数。2 模型验证通过现场实测数据与数值模拟进行对比,分别对隧道内瞬变压力和隧道洞口微气压波进行验证。本次现场实测试验以某高速铁路隧道为测试对象,其设计时速为 350 km,隧道全长 5 934 m,净空面积为100 m2。采用微压差传感器输出压力信号,再分别使用A/D板和2801采集系统采集压力波和微气压波数据,最后通过USB数据线实现数据与计算机联通。图5为
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