中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035
摘要：在客运专线某段持续大坡度线路上存在长大密集的隧道群，列车高速通过时带来的车外压力波动非常复杂和剧烈，同时在持续大坡度和长大密集的隧道群耦合作用下，压力波传入车内会引起车内压力变化，进而引起司乘人员不适，如耳鸣、头晕、呕吐等。本文对隧道内压力波动影响进行研究，分析引起压力舒适性问题的原因，在理论上提出两种验证方法，一种是基于Ansys Icem CFD和Fluent仿真试验，另一种是车内舒适性实车测试，为解决高速列车运行过程中司乘人员出现的舒适性问题提供帮助。
关键词：压力波动，舒适性，Icem CFD，Fluent，实车测试
1、产生舒适性问题的原因
列车低速运行时，车体与空气的相互作用对双方的影响都很小，但是当列车高速运行时，空气的影响则变得重要而不可忽视。高速列车空气动力学就是伴随着高速铁路的发展而产生的一门学科[1]。对于高速列车的空气动力学问题，除空气阻力、列车风等，压力波动对列车乘坐舒适性的影响也非常大。
我国西部某新建客运专线地质地貌十分复杂，在某省境内部分隧道总计34座，隧道总长近200km，占线路总长度的一半以上，尤其是秦岭山区，隧道占比超过八成。秦岭隧道群超过10km的特长隧道有7座，形成了长大密集隧道群，隧道群中存在持续长达近50km的25‰的连续坡度，落差超过1000m，隧道内气压会因为高速列车的冲击引起巨大的波动，持续大坡度和长大密集的隧道群气体耦合作用会给运行中的高速列车带来极大的影响，因此需要研究高速列车进出隧道时产生的气体压力波动情况。而高速空调客车是密封车体，只有空调系统的新风口和废排单元与外界相通，车内环境完全依靠空调系统保证，列车在经过隧道途中产生的气体压力波动，会通过列车空调系统的新风入口传到车内，使车内气体压力产生波动，引起噪声造成司乘人员出现耳鸣、头晕等不适现象。我国发展高速列车的时间不长，评价客室内乘坐舒适性的标准还不够健全，适用性不足，通过试验来确定评价指标很具有现实意义，特别是探索适合长大密集隧道群地质情况的评价指标具有重要意义。
2、研究内容
近年来对于高速列车与空气相互作用的研究越来越多，已经逐渐形成了高速列车空气动力学分支学科，由于高速列车空气动力学运动具有十分复杂的特点，国内外众多学者采用了许多不同的方法，其中研究高速列车气动特性基本方法有三种：理论分析、数值分析和试验研究。理论分析只适用于简单流场分析，流场信息捕捉不准确，只能做定性分析，不能做定量分析。数值分析方法是计算机技术和计算流体力学的发展结合，以数学物理模型为基础，对实际工况进行仿真。数值分析仿真性好、可重复性强、成本低，可以获得优选试验方案。试验研究方法包括：实车试验、水洞试验、风洞试验、动模型试验[2]。采用实车试验可获得高速列车动力学研究最真实的数据。但是，它试验费用相对较高，常用于数值模拟结果校核和新产品的验收。本文提出数值分析和试验研究两种研究方案来探索高速列车在长大密集的隧道群中空气动力学特性以及获得列车真实压力数据。
2.1动力学仿真试验
第一种方法采用数值分析的仿真方法，以计算流体力学中应用最为广泛的有限体积法为理论基础，运用Ansys软件对在长大密集的隧道群中运行的单列高速列车的空气动力学特性进行仿真，通过Ansys Icem CFD建立仿真模型，并用Fluent进行仿真计算。
仿真模型的建立包括几何模型的建立，有限体积网络模型的划分，以及边界条件设立。由于在列车通过隧道时，流场处于湍流状态，因此采用方程紊流模型和标准壁面函数模拟列车周围流场，然后确定计算区域。计算区域的网格划分要尽可能使流体矢量平行于坐标轴，物理量梯度大的网格密度应加大。隧道地面设为无滑移速度的固壁边界，列车设为方向固定速度恒定的移动固壁边界。
用Fluent进行仿真计算主要分析压力波情况。首先，得到某一恒速下，爬坡和下坡压力波形分布图。其次，测试相同工况下不同运行速度的压力波情况，得出压力波峰值和副值系数与速度关系式，比较爬坡和下坡工况下的异同。
2.2车内舒适性实车测试
试验方法：图2-1给出动车组车内外压力试验方案方框图。测试系统以便携式计算机为核心，通过安装在头车、尾车车内外的压力传感器测量压力。
测量过程中，便携式计算机实时显示车内外压力和车内压力时间历程曲线，同时根据车内压力舒适性及司机室侧窗气动载荷科学实验的要求，给出车内每1s、每3s、每10s的压力变化量，统计压力极值。评定变量按照技术标准要求校核，列车运行中车内空气压力变化值应满足：不大于500Pa/s，800Pa/3s，1000Pa/10s。
试验内容：实车测试试验进行列车车头车尾车内外压力测试，共设置10个压力测点，其中头车5个测点，尾车5个测点，其中6个车外压力测点，4个车内压力测点。
（1）测试动车组以不同速度通过长大坡度隧道群时，动车组头车、尾车车内、外压力变化特性，并分析计算动车组不同时间间隔内车内压力变化量，包括每1s、3s、10s等不同时间间隔内的压力变化量，比较与舒适性技术标准的差异；
（2）测试试验工况下压力保护装置头部静压取压孔处压力，考察空调新风、废排开关状态关联性；
（3）测试在站停状态下塞拉门开关时的车内压力变化状态；
（4）测试列车高速头车司机室空调冷凝器顶部周围压力；
（5）在全列车静止升弓供电时，模拟新风压力波阀门关闭、废排风机和压力波阀门打开时的车内负压状态下塞拉门无法打开的故障临界条件。
压力测点布置：（1）车外压力测点如图2-2所示，在车外压力保护装置静压取压孔位置、空调冷凝器顶部，以及沿车长方向客室车窗位置左右对称布置共6个测点。
（2）车内压力测点如图2-3所示，在车内司机室侧窗、客室车窗适宜位置布置2个压力测点。
3、结论
本文分析了高速列车在隧道内运行时的空气动力学特征及对列车车身内外的影响，通过提出基于Ansys Icem CFD和Fluent仿真试验，以及车内舒适性实车测试两种验证方法，为探索高速列车在持续大坡度线路上存在长大密集的隧道群工况下运行过程中司乘人员出现的舒适性问题的解决提供了理论方法和思路，为下一步实践和分析研究奠定了基础。
参考文献
[1]刘杰. 高速列车气动作用对乘坐舒适性的影响研究[D].西南交通大学,2012.
[2]戚振宕. 高速列车明线会车气动特性研究[D].西南交通大学,2010.
论文作者:王群
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第02期
论文发表时间:2019/5/6
标签：压力论文; 列车论文; 车内论文; 隧道论文; 测试论文; 舒适性论文; 密集论文; 《工程管理前沿》2019年第02期论文;