摘要
基于横风下高速列车流场的非定常特性，建立横风-隧道-列车数值模型进行计算，研究隧道类型对横风下高速列车驶出过程中气动压力、流场特性和列车气动荷载的影响.结果表明：隧道出口处气动压力受隧道类型影响最为显著，单线隧道列车迎、背风侧气动压力变化幅值比双线隧道气动压力变化幅值分别大15.7%和22.6%；在列车类型、车速和横风条件相同情况下，阻塞比是导致单线隧道气动压力较大的根本原因；列车背风侧分离涡形成位置到头车鼻尖距离相同，但双线隧道列车背风侧流场偏移程度更大；头车与中车周围流场分布规律基本相同，受隧道类型影响较小，而尾车流场分布特性受隧道类型影响较大.尾车气动荷载对隧道类型更加敏感，双线隧道尾车横向力系数、升力系数变化幅值分别比单线隧道大27.3%和7.1%.当高速列车在横风环境中驶出隧道时，建议考虑隧道类型对列车气动性能的影响.
随着我国高速铁路网建设向西部多风山区拓展延伸，受地形条件限制，铁路隧道占比日益增加，而且面临复杂的气候环境.例如川藏铁路拟建雅安至林芝段线路全长969.3 km，隧道长度占比超过80
当列车驶入或驶出隧道时列车周围产生复杂绕流，列车气动荷载发生改变，极易出现瞬态气动效应突变导致的运行不稳定现象，影响行车安全.王磊
基于此，考虑横风下列车流场的非定常湍流特性，建立横风-隧道-高速列车数值模型并进行计算，研究横风下列车驶出过程中隧道类型对气动压力、流场分布特性的影响，分析列车气动荷载变化规律，以期对今后高铁隧道设计和列车运行安全性评价提供参考.
1 数值模型
1.1 几何模型
本文以三车编组某型高速列车为研究对象， 车身宽度W=3.38 m，高度H=3.7 m，头车、尾车长26.25 m，中车长24.5 m，列车全长Ltr=77 m，横截面积Atr=11.2
（a） 双线隧道
（b） 单线隧道
图1 隧道断面示意图（单位：m）
Fig.1 Dimension of tunnel （unit： m）
1.2 边界条件
以列车高度H为特征长度，隧道出口端空气域尺寸长81H，宽43.2H，其中隧道中线到横风入口与出口的水平距离分别为10.8H和32.4H，可保证列车驶出隧道后流场充分发展.入口端空气域长约27H，宽均27H，高度约21.6H.列车到出口的初始距离为145.83 m，车速为97.22 m/s.
本文采用滑移网格方法（Sliding Mesh Method， SMM）模拟列车驶出隧道过程，滑移区（Moving Zone）与静止区（Station Zone）之间采用交换面（Interface）交换信息.强横风采用均匀速度入口（Velocity-Inlet）边界条件，vwind=30 m/s；出口采用压力出口边界条件，即Pressure-Outlet边界；列车入口端空气域采用压力远场边界条件（Pressure Far-field），压力边界均取值为101 325 Pa.列车表面、隧道壁面和地表采用非滑移壁面（No-Sliping Wall）条件.
图2 模型边界条件示意图（单位：m）
Fig.2 Schematic of boundary conditions（unit： m）
1.3 网格划分
本文采用六面体网格进行网格划分.为准确捕获列车表面的流动结构，边界层内共布置12层网格，首层网格高度为0.01 mm，对应的无量纲高度y+≤1，远离列车表面方向网格渐变率为1.1，
（a） 头车
（b） 单线隧道
（c） 双线隧道
图3 头车与隧道网格划分
Fig.3 Meshing of head vehicle and tunnel
1.4 测点设置
由于隧道洞口处气动效应显著，故对出口附近断面进行加密.沿隧道纵向设置6个横断面，分别位于隧道出口和距出口10 m、20 m、50 m、80 m和110 m处，如
图4 隧道内测点分布示意图（单位：m）
Fig.4 Schematic of measurement points in tunnel（unit： m）
（a）俯视图 （b）正视图
2 求解策略与数据处理
由于SST 湍流模型对近壁面流动有更好的计算精度，对分离流准确性高，已经广泛应用于高速列车气动效应研究
本文数值求解思路如下：1）列车保持静止状态，采用定常计算模式计算至计算域初始流场达到稳定状态；2）以稳定流场条件为瞬态计算的初始条件进行非定常运算，此时考虑列车的真实运动.
为便于对比分析，通常对空气动力学指标进行无量纲化处理，气动压力采用压力系数Cp表示，表达式为：
| （1） |
式中：为计算气动压力；为无穷远处的静压值； 为空气密度，取1.225 kg/
作用在列车上的气动横向力Fs、升力Fl对列车运行安全的影响最
| （2） |
| （3） |
式中：Li、W和H分别代表车身长度、宽度和高度.
3 数值验证
为验证数值模拟的准确性，将数值结果与动模型试验结果进行对比.动模型试验依托中国科学院力学研究所高铁动模型试验平台进行.试验设备如
（a） 高铁列车
（b） 隧道
图5 试验设备
Fig.5 Experimental equipment
图6 数值模拟与动模型试验结果对比
Fig.6 Comparison of numerical result and experimental test
为进一步验证横风情形下数值计算的合理性，依据文献［
（a） 数值模拟
（b） 文献［
图7 流场分布对比
Fig.7 Comparison of flow field distribution
当列车在横风作用下驶入隧道和驶出隧道时，列车周围流场、列车表面压力及气动荷载变化规律均存在差异.然而受当前试验设备限制，无法开展横风下高速列车通过隧道动模型试验研究.故本文分别从无横风与有横风方面对本文数值结果进行了对比，验证了本文数值模拟的准确性和合理性.
4 结果分析
4.1 气动压力
（a） 迎风侧A1
（b） 背风侧B1
图8 隧道出口气动压力系数曲线
Fig.8 Aerodynamic pressure coefficient curves of at tunnel exit
此外，单线隧道测点A1、B1压力系数变化幅值分别比双线隧道压力系数变化幅值大15.7%和22.6%.在列车完全驶出隧道前，双线隧道测点B1的压力系数大于单线隧道，这是由于列车非对称驶出双线隧道，背风侧空间远大于单线隧道，气流流速较小，气动压力值较大.此外，自列车驶出隧道时刻起，背风侧测点B1压力系数曲线一致性较差，具体原因在4.2节进行分析.
（a） 迎风侧A2
（b） 背风侧B2
图9 S2断面压力系数时程曲线图
Fig.9 Time-history curves of Cp at S2 section
（a） 迎风侧A3
（b） 背风侧B3
图10 S3断面压力系数时程曲线
Fig.10 Time-history curves of Cp at S3 section
（a） 迎风侧A4
（b） 背风侧B4
图11 S4断面压力系数时程曲线图
Fig.11 Time-history curves of Cp at S4 section
（a） 迎风侧A5
（b） 背风侧B5
图12 S5断面压力系数时程曲线
Fig.12 Time-history curves of Cp at S5 section
4.2 流场分布
隧道内气动压力变化规律与流场分布特性密切相关.
图13 列车在隧道内运行时流场分布
Fig.13 Flow field distribution of HST running in tunnels
（a）单线隧道 （b）双线隧道
随着列车驶出隧道，横风对列车周围流场影响逐渐增大.
图14 列车中部驶出隧道时流场分布图（单位：m）
Fig.14 Flow field distribution when the HST middle exits tunnel（unit： m）
（a）单线隧道 （b）双线隧道
高速列车由单、双线隧道驶出时背风侧分离涡与列车中心线的夹角分别为8.3°和10.3°，列车由双线隧道驶出时流场偏移程度更大.此外，隧道类型对隧道内流场分布亦有影响，其中单线隧道中垂向涡旋纵向尺度较大，涡核距隧道出口24.8 m，而双线隧道中涡旋纵向长度小，涡核距离出口仅11 m.
由于隧道内列车两侧空间差异较大导致列车驶出隧道时流场分布规律不同.
（a） 单线隧道
（b） 双线隧道
图15 尾车驶出隧道时流场分布云图
Fig.15 Cloud map of flow field distribution when the tail car exits the tunnel
需要注意的是，隧道类型对尾车背风侧流场分布影响较大.由S5、S6断面分析可知，单线隧道情形下尾车背风侧仅存在涡旋A、B，而双线隧道列车背风侧存在分离涡A、B和C.分析S7断面可知，单线隧道尾车后方的一对反向涡旋尺度接近，而双线隧道尾车后方涡A与涡C相互作用形成涡D.此外，双线隧道中列车尾涡尺度差别显著.
图16 t=2.806 s时列车周围三维流场分布
Fig.16 3D flow field distribution around HST at t=2.806 s
4.3 气动荷载
（a） Cs
（b） Cl
图17 头车气动荷载时程曲线
Fig.17 Time-history curves of aerodynamic load of the HV
相较Cs而言，虽然隧道类型不同，但头车升力系数曲线变化规律相似.双线隧道头车升力系数绝对值较大，单、双线隧道中头车Cl变化幅值分别为0.08和0.12，后者比前者大50%.头车横向力受隧道类型影响较小，而头车升力变化幅值受隧道类型影响非常显著.
（a） Cs
（b） Cl
图18 中车气动荷载时程曲线
Fig.18 Time-history curves of aerodynamic load of the MV
在中车驶出隧道之前，不同类型隧道情形下中车Cl非常接近，表明此时隧道类型对中车升力影响较小.中车驶出单、双线隧道时其Cl先急剧增大后迅速减小，Cl变化幅值分别为0.086、0.09，后者较前者大4.7%.当中车完全驶出隧道后，单线隧道中车Cl较双线隧道大28.6%，详见
（a） Cs
（b） Cl
图19 尾车气动荷载时程曲线
Fig.19 Time-history curves of aerodynamic loads of the TV
当列车在双线隧道内运行时涡结构沿列车纵向逐渐发
由
5 结 论
基于列车流场的非定常特性，建立流体力学计算模型，结合动模型试验进行验证.采用数值模拟方法探究了隧道类型对横风下高速列车驶出过程中气动压力、流场分布及列车气动荷载的影响，主要结论如下：
1） 隧道出口处气动压力受隧道类型影响最为显著.单线隧道列车迎、背风侧压力变化幅值分别比双线隧道相同位置测点大15.7%和22.6%.列车类型、车速及横风条件相同时，阻塞比是导致单线隧道气动压力变化幅值更大的根本原因.
2） 横风下列车由不同类型隧道驶出时背风侧涡结构形成位置相同，但双线隧道列车背风侧涡结构偏移角度更大.此外，头车与中车流场分布基本相同，受隧道类型影响较小，而尾车流场分布受隧道类型影响显著.
3） 列车气动特性与隧道类型有密切关系.尾车横向力对隧道类型更加敏感，双线隧道中尾车横向力与升力变化幅值分别较单线隧道大27.3%和7.1%.因此在进行横风下驶出隧道列车气动特性分析时不能忽略隧道类型对列车气动特性的影响.
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