宋军浩 柳宁 郭迪龙
摘 要：隧道洞口微气压波随着列车通过速度的提高对洞口周围环境的影响恶劣。高速磁浮列车设计需要对隧道洞口的微气压波幅值进行估计。该文首先通过数值模拟和实验验证，比较了时间离散格式对车体表面压力波动和微气压波幅值仿真精度的影响，结果表明，采用二阶精度的离散格式能够较为准确地模拟洞口微气压波噪声现象。最后评估了高速磁浮列车550km/h单车通过隧道的微气压波幅值，为工程设计提供有效指导。
关键词：隧道 微气压波 动模型试验 高速磁浮列车
高速列车进入隧道入口时产生的压缩波以当地声速传播至隧道出口时向外辐射会产生微气压波，如图1所示，对周围的环境和居民会产生不利影响[1]。当列车速度较低时，列车设计主要关注隧道内压力波叠加到列车车体，对车体结构疲劳强度和车体气密性的影响。随着列车速度越来越高，特别是高速磁浮列车最高速度将达到600km/h，列车进入隧道产生的微气压波现象将更为明显，隧道洞口微气压波幅值大小成为列车气动设计中不可忽视的重要指标，精确地预测微气压波幅值成为实际工程中急需解决的问题。
该文基于三维、非稳态、可压缩流体控制方程，结合k-e两方程湍流模型，采用有限体积法，分别在一阶和二阶时间离散格式条件下，对列车通过隧道产生的压力波和洞口微气压波进行了仿真分析，结合动模型试验比较了两种方法的仿真精度，最后评估了高速磁浮列车通过单线隧道的微气压波幅值，对工程设计有指导意义。
1 洞口微气压波仿真评估方法
1.1 控制方程
基于有限体积法和滑移网格技术求解列车通过隧道流场需要考虑空气的可压缩性，求解理想气体流场的Navier-Stokes方程为[2]：
其中，ρ为密度;t为时间;div（·）为散度算子;grad（·）为梯度算子;u为速度;在3个方向上的分量分别为u、v、w，p为压力;e为内能;k为热传导系数;T为温度;μ为动力黏性系数。湍流模型选择工程上应用广泛的k-ε两方程湍流模型。
1.2 几何模型
列车模型采用CRH380A三编组车体1∶8缩比三维模型，长度约为10m，标准客运双线隧道长度37.6m，计算域边界条件如图1所示，外场设置为压力远程边界条件，采用滑移网格技术模拟列车通过隧道整个过程，区域1和区域2设置交互面進行数据交换，列车运行速度300km/h。列车表面压力波动监测点P1为中间车中部，出口微气压波测点Pmw设置为距离隧道出口2.5m位置。
2 动模型试验验证
列车动模型试验能够实现列车与隧道的相对运动，是研究隧道压力波的有效方法。试验在中科院力学所动模型试验平台上进行[3]，试验平台原理及安装隧道模型如图3所示。利用压缩空气驱动的方式使模型运动速度达到300km/h，完成试验测试，测点布置与仿真设置相同。
3 结果比较分析
图4给出了一阶时间离散格式、二阶时间离散格式及动模型试验3种条件下列车通过隧道表面压力波动和洞口微气压波幅值，可以看出列车表面压力波仿真和试验结果基本重合，最大负压值在-2186～-2273Pa之间，相差4%，但不同离散精度下的洞口微气压波仿真幅值相差较大，与动模型试验结果比较可以看出，二阶精度下的仿真结果与试验结果较为吻合分别为41.5Pa和40.6Pa，而一阶精度仿真结果为28.2Pa，与试验值相差31%。说明计算列车表面压力波动时，一阶迎风格式离散可以获得较高精度数值解，在工程上满足应用。而洞口微气压波由于本质是低频振动噪声问题，具有明显的声学特性，对插值精度要求更高，需要采用二阶迎风格式才能保证仿真精度。
4 高速磁浮微气压波幅值评估
利用上述验证二阶时间离散精度仿真方法评估了高速磁浮列车以550km/h通过400m长度单线隧道的列车表面压力波动和洞口微气压波幅值，如图5所示。可以看出，磁浮列车通过隧道列车表面压力波动幅值和洞口微气压波幅值分别为-12763Pa和498Pa，和目前运行的动车组相比，微气压波幅值远大于安全范围，需要对列车-隧道耦合设计来减缓隧道洞口微气压波值。
5 结语
该文研究了时间离散精度对车体表面压力和洞口微气压波幅值仿真精度的影响。与试验结果相比较，一阶迎风格式离散可以保证列车通过隧道车体表面压力波动的仿真精度。而当计算洞口微气压波幅值大小时，通过试验验证，二阶离散精度下的仿真方法可以较高精度获得列车通过隧道过程中的洞口微气压波特性，适合以后列车-隧道气动效应工程设计采用方法。
参考文献
[1] 刘金通，李人宪.高速列车进入隧道出口微气压波声学特性计算分析[J].声学与振动，2018，6（2）：62-69.
[2] 杜健，梁建英，田爱琴.高速列车受电弓气动噪声特性分析[J].西南交通大学学报，2015（5）：935-941.
[3] Yang QS，Song JH，Yang GW.A moving model rig with a scale ratio of 1/8 for high speed train aerodynamics[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2016，15（2）：50-58.
