Моделирование движения поезда в туннеле

Исследование нестационарных аэродинамических характеристик поезда, возникающих при его движении через туннель.

Моделирование движения поезда в туннеле является актуальной в современном железнодорожном транспорте по нескольким причинам:

• Повышение скоростей движения поездов: современные высокоскоростные поезда создают значительные аэродинамические эффекты при въезде в туннель, которые необходимо тщательно изучать и учитывать при проектировании как поездов, так и туннелей.
• Увеличение протяженности и сложности туннелей: строительство длинных и сложных туннелей (в том числе подводных) становится все более распространенным, что приводит к увеличению времени нахождения поезда в туннеле и повышению влияния аэродинамических эффектов на безопасность и комфорт.
• Повышение комфорта пассажиров: аэродинамические эффекты (такие, как вибрации и внезапные изменения давления) могут вызывать дискомфорт у пассажиров. Разработка мер по смягчению этих эффектов является важной задачей.
• Безопасность: аэродинамические силы, возникающие при проезде поезда через туннель, могут создавать значительные нагрузки, что потенциально может привести к аварийным ситуациям.

Движение поезда через туннель представляет собой сложный аэродинамический процесс, характеризующийся следующими явлениями:

• волновые процессы (при въезде поезда в туннель и выезде из него происходит генерация волн давления);
• сжатие и разрежение воздуха;
• изменение сопротивления.

Серьезное влияние на процесс также оказывают формы поезда и туннеля; отдельным вопросом является взаимодействие потоков воздуха от нескольких поездов.

Для проведения исследований выбрана математическая модель сжимаемых дозвуковых течений, реализованная в решателе свободного программного комплекса OpenFOAM. Для возможности моделирования нестационарного процесса движения поезда через туннель использовался метод динамических сеток Arbitrary Component Mesh Interface (ACMI).

Рассматривалась трехмерная модельная конфигурация поезда и туннеля. Скорость движения модели поезда равна 32 м/с. В начальный момент времени голова поезда расположена на расстоянии 3/8 его длины от въезда в туннель. Заданы следующие граничные условия: на стенках туннеля и земле — граничные условия прилипания, на поверхности поезда — граничное условие движущейся стенки, при этом все стенки считались адиабатическими. В качестве начальных условий использованы результаты стационарного моделирования движения поезда вдали от туннеля на открытой местности.

Проведено численного моделирование нестационарного процесса движения поезда через туннель. Определены основные особенности структур течения и перепады скорости. Проведено сравнение с экспериментальными данными. Сложная структура течения в туннеле с образованием вихревых колец и обратного течения показана на рисунке 1.

Экспериментальные и численные исследования показали, что въезд поезда в туннель вызывает резкие колебания давления. Вначале наблюдается скачок давления, а при приближении головной части поезда к точке измерения — кратковременное его падение. Вдоль поезда давление остается относительно постоянным. В момент въезда хвостовой части давление в туннеле снижается, а после её прохождения — вновь возрастает. При выезде поезда происходит обратная картина: давление растет, когда головная часть покидает туннель, и возвращается к атмосферному, когда выезжает хвостовая часть. Эти резкие изменения давления создают градиент давления вдоль всего туннеля. На рисунке 2 показано изменение скорости в заданной точке внутри туннеля в зависимости от расстояния между ней и головной частью поезда.

Рисунок 1. Структура обтекания поезда при движении через туннель
Рис. 2. Перепад скорости в зависимости от расстояния от носа поезда