图1 为隧道断面与测点布置，隧道断面采用国内时速350公里平直双线隧道断面，缓冲结构取京沪线某缓冲结构，隧道当量直径D为10.64 m，净空面积100.00 m²，线间距5.00 m。 图1 为隧道断面尺寸与测点布置。测点布置选择了从隧道入口到隧道内每隔10.64 m设置一个平面，距离地面高1.80 m处设置1、2、3三个测点，在1.80 m水平线与隧道中线45˚的壁面上设置测点4、5，在隧道顶部设置测点6。

图1. 隧道模型断面参数及测点布置

列车模型采用国内某在研CR450动车组。 图2 为列车气动几何模型及计算模型，由头车、中间车、尾车组成的三编组列车模型，各车厢之间由风挡连接。为准确模拟出列车进入隧道时的流场，列车模型尽可能的保留了风挡、转向架舱、转向架等结构。列车模型长83.04 m、宽3.36 m、高3.85 m，列车鼻尖长15.00 m。

图3 为计算区域的示意图，各边界如图中所标识，流场的参考压力和温度按照海平面国际标准大气(ISA)给定，远场压力取101,325 Pa，参考温度取288 K。隧道入口处远场空间区域沿x方向(列车行驶方向)长度为603.00 m，沿y方向(列车宽度方向)宽度为300.00 m，沿z方向(列车高度方向)高度为200.00 m。沿x轴方向将计算区域尺寸划分为车后空间长度280.00 m、列车长度83.04 m、光滑启动距离140.00 m、匀速至缓冲结构或隧道洞口长度100.00 m、隧道长度500.00 m。

图3. 计算区域示意图

列车通过隧道引起的空气流动是三维可压缩非定常不等熵湍流流动。采用Rans湍流模型，压力速度耦合采用SIMPLE算法，壁面采用低y+壁面处理，时间采用二阶离散，对流项采用二阶逆风格式离散，扩散项采用中心差分格式离散。可压缩流体的基本控制方程为：

(1) 连续性方程：

$\frac{\partial \rho }{\partial t}+\nabla \cdot \left(\rho V\right)=0$(1)

式中， $\rho$为空气密度， $V$为流场中速度矢量， $\nabla$为哈密顿算子。

(2) 动量方程：

$$ $\frac{\partial \left(\rho V\right)}{\partial t}+\nabla \cdot \left(\rho V\otimes V\right)=\nabla \cdot P+f_b$(2)

式中， $\otimes$为克罗内克积， $\rho$为空气密度， $V$为为流场中速度矢量， $\nabla$为哈密顿算子， $f_b$为作用于连续体上的单位体积的质量力(如重力和离心力)的合力， $P$为应力张量。

(3) 能量方程：

$$ $\rho T\frac{DS}{Dt}=div\left(kgradT\right)+\phi$(3)

式中， $\rho$为空气密度， $T$为流场温度， $k$为导热系数， $\phi$为耗散功。

为验证本文数值计算方法的合理性和计算精度，采用日本动模型实验的结果进行验证 [15] 。实验模型与实际比例为1:30。通过一个发射系统对列车进行加速，发射系统由一个气管和一个10 m的加速管构成，通过气罐中排出的气体推动列车模型。随后经过35 m的测试段，完成列车通过隧道的过程。在距离隧道入口38 m处布置P1测点。

本文的计算基于STAR CCM+软件采用Trim网格，为了更精确的捕捉近壁面的流场数据，在隧道壁面拉伸Prism网格5层，第一层网格厚度为1.4 mm，总厚度为27.5 mm；在车体表面拉伸了5层Prism网格5层，第一层网格厚度为1.08 mm，总厚度为17.6 mm。列车附近的网格如 图4 所示。

模型采用SST k-Omega湍流模型进行计算，采用了overset技术实现列车进入隧道的过程仿真。 图5 为数值计算结果与动模型试验结果的对比。可知初始压缩波压力梯度峰值出现在0.28 s，与试验结果误差为1.34%，数值计算结果与动模型试验结果吻合度较好，验证了网格划分方法和数值计算方法的正确性与合理性。

图6 表示列车进入无缓冲结构隧道时，距隧道入口7D截面上测点1、测点3、测点7压力时间历程变化曲线。图中t = 0 s时刻表示列车车头鼻尖到隧道进口端，此时产生初始压缩波，初始压缩波传播到该截面的时间为t = 0.21 s。列车在t = 0.65 s时到达距隧道入口7D截面。

由 图6 可以看出，初始压缩波压力是持续增大，且压力梯度先增大后减小，呈现明显的单峰性。在约0.59 s的时刻，由于列车从测点1旁经过，引起了压力剧烈变化，使测点1的压力曲线开始明显陡于测点3，测点6。说明在列车周围的压力变化要更剧烈，这与 图7 中隧道近车侧壁面等压线密集的情况相吻合。

图6. 隧道距入口测点压力及压力梯度时间历程曲线

图7 为隧道洞口无缓冲结构列车进入隧道时的压力分布情况，当t = −0.0675 s时刻，列车还未进入隧道，但是由于列车对鼻尖前方的空气进行挤压，部分空气进入隧道内，造成了隧道内的压力开始上升。

列车近隧道壁面的压力大于另一侧的压力，所以在图中靠近列车一侧与远离列车一侧的压力不同，形成了图中的“斜切式”形状的等压线。在t = 0 s时刻，列车鼻尖到达隧道入口处，由于列车对隧道前方的空气进行挤压，使得隧道内的压力继续升高。此刻隧道壁面的压力仍是靠近车的一侧压力更大，初始压缩波正在形成。T = 0.0675 s时刻列车驶入隧道0.5L_nose距离，列车前方的空气受到挤压，压力还在持续增大。从隧道的洞口到列车前方靠近列车隧道壁面的压力开始了由负压到正压的压力变化，在洞口处出现负压是因为列车前方的空气受到列车鼻尖的挤压，造成部分流体从列车车头向四周排开，流体从列车与隧道间的环状空间流出。在列车前方处，隧道壁面的压力开始由低正压转换为高正压。在列车前方一段距离的壁面处，隧道壁面上的等压线开始从“斜切式”转变成“正切式”的形状。

图8 为隧道洞口设置京沪线某缓冲结构列车进入隧道时的压力分布情况，当t = −0.0675 s时，列车鼻尖距缓冲结构入口0.5L_nose，列车周围压力场变化逐渐剧烈，鼻尖前为正压区，鼻尖后为负压区；当t = 0 s时，列车鼻尖到达缓冲结构洞口，隧道内空气已经开始压缩；当t = 0.0675 s时，列车已进入缓冲结构0.5L_nose。列车车头对缓冲结构中流场的挤压作用，已经有部分气流从缓冲结构中排出。对比 图7 中15 m头型列车进入无缓冲结构隧道时压力云图可以看出缓冲结构起到了减缓列车进入缓冲结构压缩周围气流的作用，缓冲结构内压力值明显小于无缓冲结构隧道内压力。

图9 表示有无缓冲结构距隧道入口7D截面上的测点7的压力时间历程曲线对比，以更清楚展示西渴马1号缓冲结构对初始压缩波的影响。定义列车车头鼻尖到有缓冲结构隧道的缓冲结构进口端时刻为红色线的零时刻，定义列车车头鼻尖到无缓冲结构隧道进口端的时刻为黑色线的零时刻。

由 图9 可知，有缓冲结构时测点处的压力缓慢上升，最终达到峰值；无缓冲结构检测点处的压力分为两个阶段上升，先急剧增加，再缓慢上升达到峰值；有缓冲结构压力梯度峰值大幅降低，幅值降低了5.937 kPa/s，降低率为32.10%，且峰值出现时间也更晚。