保温套衬对季冻区隧道空气动力学的影响研究

时间：2024-09-03

刘龙卫侯占鳌崔光耀祁家所

(1. 中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401123；2. 北方工业大学，北京 100144)

我国季节性冻土面积辽阔，占版图面积的53.5%，其中西北、华北、东北以及西南高海拔山区分布密集[1]。近年来，我国交通基础设施持续、深入发展，季冻区铁路隧道大量涌现，运营期间冻害不断出现，其危害已严重影响铁路隧道的运营安全。

研究表明，聚氨酯-波纹钢板保温套衬对季冻区隧道保温效果明显[2-3]。但隧道的净空面积会因保温套衬的增设相对减少，这将对隧道内列车高速通过时的空气动力学效应产生影响。目前国内外专家、学者主要对不同隧道长度、速度等级、缓冲结构等因素进行了大量研究[4-11]，但对于隧道不同净空面积的研究，特别是对隧道增设套衬对于衬砌空气动力学影响方面的研究较少。本文基于有限体积法，采用CFD流体动力学软件进行建模，后将模型导入Fluent进行计算并输出计算结果。建立列车在不同净空面积下以一定速度通过隧道的Fluent计算模型，使用滑移网格技术，模拟运动状态下，列车在隧道内穿行时的三维非定常可压缩理想空气流场，研究高速列车在隧道不同位置时，隧道衬砌空气动力学效应的变化规律。

1 榆树川隧道工程概况

榆树川隧道处于布尔哈通河低山丘陵区，隧道最大埋深158 m，全长 2 211 m，进口里程DK 237+624，出口里程DK 239+835。布尔哈通河低山丘陵区属于北亚温带湿润半湿润大陆性季风气候，最冷月的平均气温为-15.2 ℃，根据影响铁路工程的气候分区，布尔哈通河低山丘陵区为严寒地区。冬季酷寒漫长，夏季温暖短促，极端最低气温曾达 -37.1 ℃，因此隧道设计需增设保温套衬。已知隧道掌子面未增设保温套衬时的内轮廓净空面积为72 m2，增设保温套衬后的隧道净空面积减少为 69 m2，隧道掌子面设计如图1所示。

图1 掌子面设计图(m)

2 数值模拟模型建立

采用计算流体动力学软件CFD、FLUENT共同完成此次模拟。由于CFD软件自带的滑移网格划分技术能够很好地模拟三维非定常可压缩流场，因此采用CFD进行模型全程的建立与网格划分。FLUENT通过有限体积算法，把整个流体计算模型进行区域分类，将区域模型划分为系列控制体积，然后对划分好的控制体积进行待解微分方程积分，最终解得一组积分后的离散方程。

列车穿行隧道的空气动力学计算过程属于大区域变形运动过程，CFD的滑移网格技术是针对大区域变形运动的网格划分技术，其流体网格根据隧道内列车位置的不断变化而作相应调整，要求每一个时间步均需向CFD计算提供计算信息。

本文将计算域分为隧道、空气、车体三部分。空气状态采用密度为1.185 kg/m3的可压缩空气。

2.1 计算模型

数值模拟列车高速通过隧道时的三维非定常可压缩理想空气流场，分别计算200 km/h列车通过增设保温套衬隧道(净空面积为 69 m2)和未增设保温套衬隧道(内轮廓净空面积为72 m2)两个流场[12]。受列车的复杂外形和FLAC3D计算条件的限制，在不影响模型计算精度的情况下，对列车模型作适当简化，隧道长取200 m，FLUENT列车隧道模型如图2所示。

图2 fluent模型图

2.2 计算网格

由于客运专线列车高速通过隧道引起的流场变化属于三维非定常问题，模型网格技术采用分区对接网格。其中地面、衬砌、隧道采用六面体结构网格离散，列车采用四面体的非结构化网格进行划分。不断重划分共同滑移面之间网格，可将数据在各区域间完成交换。

2.3 边界条件设置

本文fluent模型设置出口、速度和固定壁面边界。具体设置如下：(1)速度边界根据不同的列车速度分别设置；(2)隧道内部气压与外部大气相通，出口边界设置压力出口边界；(3)轨道壁面、列车壁面、隧道壁面均设置为固定壁面，边界条件为无滑动位移，模型流体速度为0[13]。

2.4 测点布置

沿隧道入口每隔50 m设置1个监测断面，共设置3个(分别为隧道进口、隧道中部、隧道出口)监测断面，监测点的断面布置如图3所示，断面监测点布置如图4所示。

图3 监测断面布置图

图4 监测点布置图

3 计算结果分析

列车分别在未增设保温套衬隧道(内轮廓净空面积为72 m2)与增设保温套衬隧道(净空面积为 69 m2)运行0～1.08 s的隧道衬砌压力如图5～图12所示。

图5 0 s未增设保温套衬隧道衬砌压力云图(Pa)

图6 0 s增设保温套衬隧道衬砌压力云图(Pa)

图7 0.36 s未增设保温套衬隧道衬砌压力云图(Pa)

图8 0.36 s增设保温套衬隧道衬砌压力云图(Pa)

图9 0.72 s未增设保温套衬隧道衬砌压力云图(Pa)

图10 0.72 s增设保温套衬隧道衬砌压力云图(Pa)

图11 1.08 s未增设保温套衬隧道衬砌压力云图(Pa)

图12 1.08 s增设保温套衬隧道衬砌压力云图(Pa)

由图5～图12可知，隧道衬砌所受压力的最大值部位随列车的运行一同移动。在列车行驶到同一位置时，增设保温套衬隧道的衬砌压力均大于未增设保温套衬隧道的衬砌压力。

当列车全程通过时，未增设保温套衬隧道(内轮廓净空面积为72 m2)与增设保温套衬隧道(净空面积为69 m2)衬砌在隧道进口、隧道中部、隧道出口处的压力变化如表1、表2所示。

表1 未增设保温套衬隧道衬砌压力表

表2 增设保温套衬隧道衬砌压力表

由表1可知，当列车接近某一位置衬砌时，该位置衬砌压力达到最大值，由表2可知，隧道净空面积减小后，隧道衬砌压力明显增大。

未增设保温套衬隧道(内轮廓净空面积为72 m2)与增设保温套衬隧道(净空面积为69 m2)衬砌的压力变化如图13～图15所示。

图13 隧道进口衬砌压力变化图

图14 隧道中部衬砌压力变化图

图15 隧道出口衬砌压力变化图

由图13～图15可知，在车头到达时，隧道衬砌内壁压力变化达到最大，无论是否增设套衬，隧道衬砌内壁在车头到达时的压力变化均达到最大。隧道增设保温套衬后，由于净空面积的减小，衬砌空气动力学影响增加，在车头到达时，隧道进口衬砌压力变化较未增设保温套衬增加2.93%，中部衬砌压力变化较未增设保温套衬增加6.29%，出口衬砌压力变化较未增设保温套衬增加3.22%。

不同净空面积隧道不同位置的衬砌压力变化最大值如图16所示。

图16 隧道衬砌压力变化最大值图

由图16可知，隧道衬砌所受压力变化最大值均出现在隧道中部以后，隧道中部以后的压力变化最大值成收敛趋势，隧道进口至中部的压力变化最大值相对较小，成线性增长趋势。