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通风竖井对隧道内压力场的影响研究 骆建军 王梦恕 张顶立 (北京交通大学隧道及地下工程研究中心，北京，100044) 摘 要 本文给出了高速列车穿越隧道压力波的三维黏性流场数值模拟过程，控制方程为三维黏性、 可压缩、等熵、非定常流的N—s方程，空间离散采用了中心有限体积法格式，运用移动网格技术模 拟列车与隧道之间的相对运动。计算结果与国外的实验结果相吻合。研究结果表明，竖井能够有效降 低隧道内的瞬变压力，其位置和断面大小对瞬变压力的变化有重要的影响。在此基础上，对隧道内竖 井的最佳位置的设置以及隧道内最大瞬变压力出现的位置提出新的看法。 关键词 高速列车；客运专线；瞬变压力；竖井；隧道 为适应全面建设小康社会的要求，我国在今后15～20年间铁路建设将有大的发展。根据国务院批准 的《中长期铁路网规划》，到2020年全国铁路营业里程将达到10万km，其中客运专线营业里程 12 000km，包括新建客运专线10 000km。而规划中的客运专线，有的要穿越丘陵和山区，需兴建大量隧 道，特别是许多长大隧道(据不完全统计，这些隧道包括以石太线1lkm长的南梁隧道、27km长的太行 山隧道以及武广客运专线lOkm长的大瑶山一号隧道等为代表的多座长大或特长隧道)。当列车高速(200～ 250 km／h)通过隧道时，会引起一系列的空气动力学效应。减缓空气动力学效应的措施主要是在隧道人口 设置缓冲结构。另外，在隧道内设置通风竖井，也能达到降低隧道内压力的目的。 由于客运专线存在着较多的隧道，且出现长大隧道，因此通风竖井的位置以及断面大小的选择对降低 隧道内的瞬变压力有重要的影响。目前国内外对通风竖井位置的确定主要是根据经验公式，但其有一定的 缺陷性，主要表现在竖井的位置设置范围太大；其次是没有解决隧道内最大瞬变压力出现的位置，这个位 置是与竖井设置的位置相关。本文采用三维黏性、可压缩、等熵、非定常流的数学模型对英国 Ueberlinger西部隧道进行数值模拟，并与现场实际测量值相比较，两者基本一致。在此基础上，对长大 隧道竖井的位置设置进行了探讨，提出了新的观点，并希望通过本文提出的数学模型，针对具体的工况， 进行大量的计算和统计分析，得出最佳的竖井位置，直接用来指导施工。 1 控制方程 在笛卡儿坐标系下，对空间任意控制体V，积分形式的时三维可压缩性N—S方程为 10 yffUdVq__ffF刊s=胪州s U一[ID pu pv pw PE]T F— D“ p甜2+p DUM DWM puH DU _D“口 Du2+P pwv pvH DW o“W JD勘∞ 』Du2+户 pWH ． G一 作者简介：骆建军(1972年一)，男，主要从事隧道空气动力学方面的研究。 (2) 四 苎竺竺!! Z一“b+铆b+训k--qx，m一甜rF+vr坩+wr弦--qy，竹一“r盯+vr斜+wr嚣--q： 式中：P为气体的密度、(口，口，锄)分别为z、Y、z方向的速度、P为压力、E为单位体积的总能量、r 为黏性应力张量、q为热流通量的分量。为了封闭上述方程组，引进下列关系式： p—pRT，户=(y一1)EE-p(“2+钉2+伽2／zl，H—E+p／p 2方程的求解 数值模拟利用流体分析软件FLUENT,进行三维模拟。采用滑移网格法，模拟列车进入隧道的过程。 采用耦合解法对方程(1)进行求解，即同时求解连续性方程、动量方程、能量方程。如图1所示，其一 般过程是： ． (1)据当前解，更新各数据。如果为计算开始，则流体特性即为求解的初始值。 (2)同时求解连续性方程、动量方程、能量方程。 (3)用更新后的值求解紊流方程。 (4)检查收敛性，多步迭代，直到满足收敛准则。 3计算结果与分析 3．1 实测值与计算值的比较 根据参考文献2，该隧道长为948 m，阻塞比为0．36 785。在距离隧道 西口589 m处有一横断面为矩形的通风竖井，尺寸为1．8m×1．5 m。列车 长为122 m，列车速度为79 m／s。在隧道中布置了4个测点，其位置距隧 道西入口的距离分别为117 m、583．5 m、683．5 m和843 m。根据计算结 果表明，在竖井打开的情况下，测点P。。、P。：、P。。、P。。的各自最大压力 下降了30％、20％、18％和7％，这与实际测量值基本上一致。图2为 测点P。，压力的历时变化。可以看出，由于通风竖井的存在，使得列车前方 的压力有较大的降低。从图3可以看出，有通风竖井时的压力梯度明显比 无竖井时的压力梯度小。 图1 流体方程求解过程示意图 图2测点P2。处压力变化曲线 图3测点P2，处压力梯度dp／dt变化曲线 3．2 竖井断面积， 竖井位置变化对测点压力变化的影响 通过分析知道，数值模拟值与现场量测值比较吻合，说明采用上述的数学模型是正确的。在此基