加盖敞车隧道口交会的空气动力学特性数值仿真
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摘 要：敞车由于其拖车较多，容易在隧道口发生交会，而在隧道口处存在压缩波、膨胀波和交会压力波的混合影响，因此会产生安全隐患。采用三维、非定常、可压缩N-S方程以及两方程湍流模型对两辆速度为100km/h的加盖敞车在隧道口交会流场进行数值仿真。计算结果表明，比较单车运行至隧道口与隧道口交会两种工况，交会面压力相差较大，入隧道车相差1000Pa左右，出隧道车相差300Pa左右，单车隧道口运行工况下车体压力分布均匀，隧道口交会工况下压力分布较集中，高压集中在交会处，对于出隧道车车体压力影响大于入隧道车。在隧道空间内，入隧道车侧隧道内壁的压力大于出隧道车侧，且随着交会过程的进行压力向后传播。入隧道车阻力系数始终高于出隧道车，横力系数和升力系数两车相差较小。
关键词：隧道口交会 带盖敞车 数值仿真 交会面压力
中图分类号：U272.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）07（a）-0062-06
Abstract： Because open wagon has many trailers， it"s easy to cross on tunnel face， it mixes pressure wave， expansion wave and crossing pressure wave in tunnel face， it will lead to potential safety hazard. Two open wagons crossing on tunnel face is analyzed by using the three-dimensional， unsteady， compressible N-S equation and turbulence model. The result shows comparing single open wagon passing tunnel face with crossing on tunnel face， crossing surface pressure difference is big. For the entering one， the pressure difference is approximately 1000Pa， for the exiting one， the pressure difference is approximately 300Pa. The single open wagon"s body pressure distribution passing tunnel face is equally， the crossing on tunnel face pressure distribution is concentrated， and it focus on the crossing par， the influence of exiting open wagon"s body pressure is bigger than entering one"s. For the tunnel inside wall pressure， entering side is bigger than exiting side， with crossing process， pressure spread to tunnel behind. Drag coefficient of entering one is higher than exiting one"s all the time， the lateral force coefficient and lift coefficient of two open wagons"difference is small.
Key Words： Crossing on tunnel face; Open wagon with cover; Numerical simulation; Crossing face pressure
敞車主要用于供运煤炭、矿石、建材物资、木材和钢材等大宗货物，敞车具有很大的通用性，在货车组成中数量最多，约占货车总数59%左右[1]。为了提高国家经济发展建设，煤炭等资源必不可缺，但资源分布并不集中，需要敞车来进行资源的运输，当敞车运送煤炭时，由于长度较长易在隧道口处发生交会，列车在隧道口时会产生压缩波和膨胀波，且两车交会产生交会压力波，因此在隧道口处交会的情况较为复杂，导致敞车安全性降低，为了防止在敞车运行过程中煤炭颗粒飘落对周围环境造成污染，研究在敞车上端加装顶盖。
随着计算流体动力学的发展，CFD技术已成为流体方面研究的重要方法，数值分析方法也渐渐成为解决很多流体方面难题的手段。王瑞丽等[2]对高速列车进入隧道内产生进口波进行了数值模拟研究。许建林等[3]对高速列车在隧道内交会所产生的压力波进行了数值研究。郗艳红等[4]对高速列车明线交会压力波波幅进行了研究。马伟斌等[5]对高速铁路隧道洞口的微气压波的影响因素进行了研究。何德华等[6]对空气动力学临界隧道交会进行了仿真研究。张志彬等[7]对C_（80E（H、F））型敞车的研制进行了介绍。目前国内外对于高速列车的空气动力学方面研究较多，高速列车因节数较少，主要研究其在隧道内和明线运行的工况，在隧道口交会的几率较低，因此对高速列车隧道口交会研究较少，敞车由于拖车较多，长度较长，容易在隧道口处发生交会，因此对敞车在隧道口交会的空气动力学问题的研究是很有必要的。
1 计算模型
1.1 算法原理
该文应用计算流体动力学软件Fluent，基于三维、非定常、可压缩N-S方程以及两方程湍流模型，对速度为100km/h的两辆带盖敞车隧道口交会运行的工况进行空气动力学性能进行研究分析。数值方法釆用有限体积法，对流项采用二阶迎风格式，粘性项采用二阶中心差分格式。
1.2 模型建立
该文以加顶盖装置的某型敞车为模型，首先创建以电力机车牵引机后3辆拖车在隧道口交会的计算模型，并对模型进行简化，去除转向架等复杂部件，尽可能体现出其外轮廓，车体表面尽量圆滑，以达到提升网格质量的目的。简化后的模型如图1所示。
1.3 监测点设定
为了准确分析隧道口交会的压力变化，在隧道壁面和头车前端设置监测点，监测点分布如图2所示，其中监测点1、2分别位于两敞车头车交会面上，位置相同，距鼻尖1000mm，距地面1850mm。监测点3、4对称分布在隧道内壁两侧，距隧道前表面675mm，距地面1610mm。
1.4 计算区域及网格划分
通过计算比较，两车明线运行流场设为矩形流场，初始两车位置相距505.4m，由于两车需在隧道口交会，因此两车初始位置并不对称，且一侧外流场需设置比另一侧外流场更长，左侧明线流场的长宽高分别设为381m、65m和31m，右侧明线流场的长宽高分别设为281m、65m和31m，高度方向距车顶27m，下方轨面高度距车顶4m，隧道长度由列车压力波传播规律确定，由于货运列车进入所产生的压力波会沿隧道以近声速传播并震荡，隧道长度过长将使震荡波在隧道中过多衰减，而过短的隧道长度将导致压力波不能完全作用在列车表面[8]，综合列车长度和速度，最终确定隧道长度为200m，计算区域如图2。该文采用动网格方式，应用Hypermesh划分网格，列车表面及其周围小部分区域划分三角形和四边体网格，流场空间采用六面体网格，初始网格单元约为1720万。
2 计算结果分析
2.1 单列敞车隧道口运行仿真
为了与隧道口交会进行对比，首先对单列敞车在隧道口运行工况进行数值仿真，图3为单列敞车出入隧道口瞬间的车体压力分布云图。
如图3所示，敞车进入隧道瞬間，由于存在压缩波的影响，导致车体压力升高，头车前面中心区域压力达到1614.72Pa，其他区域压力为1361.77Pa，整车内侧面压力随着与隧道口距离的增加而降低，头车内侧面前端压力较高达到1024.50Pa，中部区域压力值为855.87Pa，尾端压力为687.23Pa。敞车出隧道瞬间，因压缩波和膨胀波同时作用于车体，导致车体压力小于入隧道瞬间，头车前面主要区域压力值达到770.36Pa，车体内侧面压力较低，头车内侧面大部分区域压力为301.40Pa，尾端压力为145.07Pa，两种工况下车体压力都分布均匀。
2.2 两列敞车隧道口交会气动特性分析
入隧道敞车在隧道口处存在压缩波影响，出隧道敞车在隧道口处存在压缩波和膨胀波混合影响，且两车交会产生交会压力波，因此在隧道口处交会情况较复杂，会对敞车的运行安全性产生影响。该文中两敞车整个运行过程持续18s，交会过程从9.1s开始11.6s结束，交会过程持续2.5s。
2.2.1 头车与头车交会
两列带盖敞车运行至9.1s时，在隧道口处敞车头部进入交会时刻，入隧道车以及出隧道车受压缩波、膨胀波和两车交会产生的交会压力波的混合影响，情况较为复杂，两车车体压力分布如图4所示。
从图4可以看出，入隧道车前面压力较高达到1027.20Pa，且分布均匀，头车车体压力较低并出现负压，交会面压力分布范围为-78.81～51.31Pa，出隧道车车体压力均为正压，头车前面压力呈现梯度变化，在交会处压力最高为441.67Pa，整个车体压力较高且交会面压力随着与隧道口距离的增加而降低，交会面压力最高值位于交会处为571.79Pa，头车交会面前端区域压力为441.67Pa，后端区域压力为311.55Pa。
与单车在隧道口处运行相比，增加了交会压力波的影响，入隧道车体压力相差较大，最高相差1000Pa，车体正面压力由于压缩波的影响基本相同，对于出隧道车体，由于在隧道内受到压缩波和膨胀波，情况较复杂，增加了交会压力波的影响，车体压力增加了300Pa左右。
通过对两辆头车相同位置设立的监测点1、2进行压力统计，得出监测点1、2随着敞车运行的压力变化图，如图5所示。
由监测点1、2压力变化图可知，在9.1s时当两车在隧道口处开始交会时，监测点的压力瞬间增高，由于受到隧道口和相对车的影响，产生多种波的混合作用，入隧道车因受到出隧道车产生的影响，敞车车体基本呈现负压，出隧道车由于受到压缩波等影响，因此敞车车体呈现正压，且随着两车交会的进行，入隧道车的压力变化幅度较小，出隧道车压力变化幅度较大。此时两车气动系数如表1所示。
在明线交会时，由于两车速度、形状以及尺寸相同，所以两车气动系数应相同，但通过对隧道口交会进行数值模拟分析，发现在隧道口交会时两车气动系数并不相同，尤其阻力系数相差较大，入隧道头车阻力系数为2.29，出隧道头车为0.692，说明隧道口交会对入隧道车阻力较大，横力系数与升力系数相差较小。
2.2.2 头车与拖车交会
敞车运行至9.7s，头车开始与拖车交会。拖车一与头车开始交会瞬间，入隧道拖车一交会处最高压力达到402.97Pa，随着与交会处距离的增加压力逐渐降低，与其交会的出隧道头车前面最高压力达到614.11Pa，出隧道拖车一在交会处最高压力达到614.11Pa，且由于在隧道内发生交会，遂整个交会面压力较高，亦随着与交会处距离的增加压力逐渐降低，与其交会的入隧道头车前面最高压力达到772.47Pa。两车车体压力分布如图6所示。
随着敞车运行至9.9s，头车与拖车2开始交会，入隧道拖车2交会处最高压力达到227.06Pa，交会面压力相对较低，主要区域压力为220.88Pa，与其交会的出隧道头车前面压力最高为782.60Pa，出隧道拖车2交会面压力相对较高，最高压力达到501.74Pa，主要区域压力为389.40Pa，与其交会的入隧道头车鼻前面压力最高值达到614.09Pa，且两拖车交会面均满足与交会处距离的增加压力减小。两车车体压力分布如图7所示。
当敞车运行至10.1s时，头车与拖车3开始交会，由于距隧道口距离较远，因此交会面压力较低且变化较小，入隧道拖车3在交会处最高压力为195.39Pa，交会面主要区域压力较低为31.92Pa，与其交会的出隧道头车前面压力最高值为1094.46Pa，出隧道拖车3交会处最高压力达到358.86Pa，除交会处压力较高外，其余处压力为195.39Pa且分布较均匀，与其交会的入隧道头车前面最高值为685.79Pa。两车车体压力分布如图8所示。
通过对3节拖车的交会过程进行数值模拟，发现3节拖车与头车交会距隧道口皆有一定距离，且随着与隧道口距离的增加，车体压力逐渐降低，隧道口交会所产生的影响也逐渐降低，但出隧道拖车的交会面压力始终高于入隧道拖车的交会面压力，且交会面压力变化幅度也是出隧道车较为明显。头车与拖车交会瞬间两车气动系数如表2所示。
由表2可知，就整个车体而言，入隧道车体阻力系数皆大于出隧道车，说明入隧道车受到阻力较高，横力系数和升力系数因计算面积较大，所以数值较小，遂相差较小。
2.2.3 隧道壁面压力分析
为了更深入地研究隧道口交会所产生的压力波动问题，将两头车交会时的隧道壁面压力变化进行分析，其压力分布云图如图9所示。
如图9所示，当两车在9.0s时还未交会，两侧壁面压力基本相同，且压力较低，在9.1s时两头车交会瞬间，靠近入隧道车的壁面压力较高。在9.2s、9.3s进入交过过程中，压力逐渐向后推移，但入隧道侧壁面压力始终高于出隧道侧。图10为壁面监测点3、4的压力变化图。
如图10所示，在9.1s两车交会瞬间监测点压力发生突变，入隧道车侧的监测点压力由于压缩波和交会波导致压力突增，出隧道口侧的监测点由于受膨胀波、压缩波以及交会波这3种波的影响导致压力突降，两侧压力差为780.72Pa左右，当两车驶过监测点后，压力逐渐趋于平稳，压力向隧道后方传播。
3 结论
通过对两辆在隧道口以100km/h速度交会的敞车进行流场仿真分析，得出以下结论。
（1）与单车在隧道口处运行相比，在入隧道瞬间，隧道内单车运行头车交会面压力与隧道口交会头车交会面压力相差1000Pa左右，在出隧道瞬間，隧道内单车运行头车交会面压力与隧道口交会头车交会面压力相差300Pa左右，隧道内单车运行车体表面压力分布较均匀，隧道口交会车体表面压力在交会处产生突增，且随着与交会处距离的增加压力逐渐降低。
（2）在整个运行过程中，入隧道头车交会面压力相差最大值为634.13Pa，出隧道头车交会面压力相差最大值为1193.74Pa，当距离隧道口较近时两车压力变化幅度较大，距离隧道口较远时变化幅度较小，但相比出入两车监测点压力变化，发现入隧道车交会面压力变化幅度较小，出隧道车交会面压力变化幅度较大，说明隧道口交会对出隧道车的影响较大。
（3）隧道口交会过程中，入隧道侧的隧道内壁压力波动较高，出隧道侧的隧道内壁压力波动较低，两车在隧道口处交会时左右两内壁最大相差780.72Pa，且压力在隧道内也随着交会的进行而向后传播。
（4）在整个交会过程中，入隧道阻力系数始终大于出隧道车，说明隧道口交会对于入隧道车的阻力较大，两车横力系数和升力系数相差较小。
参考文献
[1] 严隽耄，傅茂海.车辆工程[M].北京：中国铁道出版社，2007：351.
[2] 王瑞丽，梅元贵，许建林，等.高速铁路隧道进口波特性数值模拟研究[J].现代隧道技术，2016，53（2）：95-100，113.
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[4] 郗艳红，毛军，柳润东，等.高速列车明线会车压力波波幅研究[J].华南理工大学学报：自然科学版，2016，44（3）：118-127.
[5] 马伟斌，张千里，程爱君，等.高速铁路隧道洞口微气压波影响因素与变化规律研究[J].铁道学报，2013，35（5）：97-102.
[6] 何德华，陈厚嫦，张岩，等.空气动力学临界隧道交会理论与仿真研究[J].铁道机车车辆，2013，33（1）：58-62.
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[8] 王建宇，万晓燕，吴剑.隧道长度对瞬变压力的影响[J].现代隧道技术，2008，45（6）：1-4.