时速600公里磁浮列车隧道初始压缩波洞内传播特征和洞口微气压波特征

基于三维数值模拟方法，采用一维可压缩非定常不等熵流动模型和改进广义黎曼变量特征线方法，在隧道入口端未设置以及设置开口型缓冲结构条件下，分别研究了初始压缩波在隧道洞内的传播及洞口(默认为出口)的微气压波特性。研究结果表明:隧道入口设置开口型缓冲结构与无缓冲结构相比，其产生的初始压缩波的最大压力梯度下降了67.56%；初始压缩波在隧道内的传播过程中存在先激化后衰减的过程，其中未设置缓冲结构和设置开口型缓冲结构的临界长度分别为2和6 km，而满足微气压波控制标准的临界隧道长度分别为33和34 km；虽然开口型缓冲结构可较大幅度降低初始压缩波的最大压力梯度，但是对于长大隧道而言，由于传播过程中压缩波不断激化，开口型缓冲结构实际上对减缓微气压波的作用存在较大幅度的弱化，建议还应采取如竖井等工程措施以减缓激化；缓冲结构对不同隧道长度的洞口内压缩波的最大压力梯度的影响不同，所以需要结合不同类型缓冲结构和长度等因素来确定对应的最佳隧道长度匹配关系。      

时速600 km磁浮列车驶入隧道时初始压缩波特征的数值模拟

为分析高速磁浮列车驶入隧道时产生的初始压缩波特征, 采用三维可压缩非定常流动的N-S方程和SST κ-ω湍流模型, 基于重叠网格法和有限体积法, 以国内正在研发的时速600 km高速磁浮列车头型为研究对象, 建立了高速磁浮列车驶入隧道的计算模型, 通过分析距隧道进口端内不同距离横截面上不同测点的压力及压力变化率, 得到了车头驶入隧道洞口初始压缩波的空间分布特性和传播特性, 以及不同速度对初始压缩波波动幅值的影响。研究结果表明: 初始压缩波在列车驶入隧道前开始形成, 形成初期具有三维特性, 在隧道截面同一高度上, 靠近车体一侧的初始压缩波压力要比远离车体一侧大; 在隧道截面同一侧, 靠近车体一侧高度越低, 初始压缩波压力越大, 而远离车体一侧初始压缩波压力与高度无关; 当列车驶入隧道一定距离后, 在列车头部前方约36 m处隧道内同一断面处压力相同, 初始压缩波由三维波变成一维平面波; 在列车流线型头部驶入隧道约0.15 m时, 位于隧道300 m测点处的初始压缩波的压力变化率达到最大值; 列车速度越高, 初始压缩波压力峰值越大, 位于隧道100 m处测点的初始压缩波的压力峰值与列车速度的2.5次方近似成正比, 压力变化率峰值与速度的3次方近似成正比。      

横通道设置对车隧气动多波峰的影响

为了研究横通道设置对压力波传播特性的影响,基于列车进入隧道所产生的压缩波在隧道与横通道交叉点的传播、反射理论,采用三维数值方法对设置横通道情况下的压力波传播特性进行了分析,对横通道设置不同位置时缓解微气压波的效果进行了比较.研究表明:首波压力梯度在列车进入隧道较短范围内（10 m）即达到峰值,横通道距隧道洞口距离增大,会使列车经过横通道所产生的2次波压力梯度峰值减弱,横通道距洞口距离由20 m调整为50 m,可使2次波峰值降低50%.      

基于气动声学理论的喇叭型隧道缓冲结构优化

为了有效缓解隧道空气动力学效应导致的声爆现象,基于气动声学理论,对带喇叭型缓冲结构的隧道入口参数进行了优化。采用Green函数求解气动声学FW-H方程,得到了隧道内初始压缩波波前的压力和压力梯度,并根据喇叭型缓冲结构的特点,对缓冲结构的横断面积函数、入口断面积和长度进行优化设计。优化结果显示:隧道内压力梯度峰值随缓冲结构长度的增大而逐渐减小;考虑经济性因素,喇叭型缓冲结构的优化长度为10倍的隧道半径,优化缓冲结构的横断面积函数、入口断面积后,可使压力曲线成线性变化,压力梯度峰值降低63.9%,可避免入口处压力突变,缓解了声爆等微压波现象。      

隧道内浅支坑对初始压缩波波形变形影响初探

当高速列车进入隧道时，在列车的前部形成压缩波．压缩波以接近音速的速度在隧道内传播，并在隧道出口处部分向外释放出一种脉冲压力波，造成了新的环境问题．这种脉冲压力波的大小取决于到达隧道出口的压缩波的波前形状，作为降低脉冲压力波的减缓方法，研究了隧道内浅支坑对压缩波波前的减缓效果，建立了在设置有浅支坑的板式轨道隧道内传播的压缩波波前变形的基本方程，并与国外的计算结果进行比较，能较好的吻合．     

SV波入射下衬砌尺寸对引水隧道动力响应的影响

采用波函数的Fourier-Bessel级数展开方法,得到了SV波入射时,大型引水隧道平面地震响应的解析解,并对建立的场地模型进行数值计算.计算结果表明：SV波入射时,引水隧道衬砌的径向动应力随隧道内径的增大而增大,径向动应力的最大值与隧道内径呈线性关系,SV波入射引起的引水隧道衬砌的切向动应力随隧道内径的增大而增大.当入射角小于临界角时,切向动应力受隧道内径变化的影响很大.此外,引水隧道衬砌的径向动应力随衬砌厚度的增大而增大,切向动应力则随衬砌厚度的增大而减小.     

坡度对铁路隧道火灾影响的机理分析

以狮子洋隧道为背景,对隧道火灾因坡度引起的影响进行了数值模拟,分析了火灾时隧道内的温度、能见度及烟气蔓延特征,结果显示:隧道坡度对烟气蔓延的影响随坡度的增大而增大,并且存在着一个临界突变值.得出了烟气蔓延到最大又回流的一段长度,是由于隧道内、外的温度差产生烟囱效应的结果.并对临界风速公式中坡度对临界风速的影响系数提出了修正.为研究隧道火灾及制定火灾情况下人员疏散方案提供参考.     

薄壁箱形截面扭转中心及主扇性坐标研究*

基于薄壁箱梁约束扭转理论中有关几何特性的计算过程,导出了双室箱形截面扭转中心及主扇性坐标的实用计算公式,数值算例验证了所推导公式的正确性。结合数值算例,详细分析了双室箱形截面的悬臂板宽度及梁高变化对扭转中心及主扇性坐标的影响。对扭转中心位置的研究结果表明：扭转中心至顶板中面的距离随着梁高的增大而线性增大;当悬臂板宽度小于某一临界宽度时,随着悬臂板宽度的增大,扭转中心位置逐渐降低;当悬臂板宽度超过该临界宽度后,扭转中心位置随着悬臂板宽度的增大而逐渐升高;悬臂板的这一临界宽度随梁高的增大而减小。     

高速铁路隧道缓冲结构的气动作用分析

为了减轻高速列车进出隧道时引起的洞口压力波效应,常在隧道入口加建缓冲结构.采用计算流体力学数值分析的方法,仿真计算了高速铁路隧道入口缓冲结构参数对列车以350 km/h进入隧道时的气动作用,分析了过渡段长度、缓冲段长度、缓冲结构开孔率、缓冲结构入口形式对隧道口内气体压力的影响和缓冲结构对隧道内会车压力波的影响.计算结果表明:过渡段长度和缓冲结构入口形式对隧道内气动影响很小,其他参数一定时缓冲段长度存在一最优值;缓冲结构上开孔有助于减小气体压力升高率,缓冲结构的存在有助于降低隧道内会车压力波峰值.     

隧道入口侧风条件下高速铁路隧道内流场特性

为了保证高速列车在隧道入口有侧风环境中的安全,采取数值分析的方法,建立高速列车进入隧道口存在侧风时的三维可压缩、粘性、非稳态湍流数学模型,研究了当隧道洞口有无侧风和隧道洞口侧风速度变化时隧道内的压力变化以及隧道内活塞风的变化规律.研究结果表明:隧道入口存在侧风时,隧道内测点先出现负压力峰值,后逐渐上升到正压力峰值;随着压缩波的向前传播,波形逐渐分化成两个波峰,并且压缩波越往前传播,第一个波峰逐渐消失,第二个波峰得到加强,其波峰的正压峰值超过无侧风时的最大正压峰值;隧道内速度场出现明显的非对称性,隧道内靠近迎风一侧的环状空间的列车风比背风一侧环状空间的小,背风一侧隧道入口处出现比较明显的涡流,侧风速度越大,最大负压值绝对值越大,隧道内测点的最大正压值、最大负压值均与侧风的速度成正比;当列车速度为350 km/h,侧风速度到达40 m/s时,隧道内活塞风的速度可达21.8 m/s,隧道内的压缩波的最大负压值可达-6 547 Pa.     

基于三维时域Green函数法的船舶在规则波浪中的运动数学模型

在小时间区域采用级数展开法, 在大时间区域采用渐进展开法, 在大、小时间过渡区域采用精细积分法, 对三维时域Green函数进行数值计算; 采用线性叠加原理求解船舶辐射与绕射问题, 构造出船舶在规则波浪中的运动数学模型, 并采用数值方法计算WigleyⅠ型船舶和S60型船舶以Froude数为0.2迎波浪航行时的水动力系数、波浪激励力与运动时间历程。计算结果表明: 由于不规则频率的影响, 当量纲一频率为1.7时, WigleyⅠ型船舶的垂荡附加质量计算结果比试验结果小44%, 当量纲一频率为2.5时, S60型船舶的纵摇阻尼系数计算结果比试验结果小43%;随着入射波频率的增加, WigleyⅠ型船舶和S60型船舶的水动力系数和波浪激励力的大部分计算结果与试验结果的相对误差小于30%, 且二者的变化趋势一致; 对于WigleyⅠ型船舶, 当波长与船长比为1.25时, 采用三维时域方法计算的垂荡幅值响应因子和纵摇幅值响应因子分别比试验值小11.3%和4.8%, 采用三维频域方法计算的垂荡幅值响应因子比试验值大48.4%, 纵摇幅值响应因子比试验值小48.4%, 当波长与船长比为1.50时, 采用三维时域方法计算的垂荡幅值响应因子和纵摇幅值响应因子分别比试验值小3.0%和11.3%, 采用三维频域方法计算的垂荡幅值响应因子比试验值大9.8%, 纵摇幅值响应因子比试验值小23.6%。可见, 采用三维时域方法能准确地仿真船舶在波浪中的运动时间历程。      

初始挠度缺陷圆柱形扁壳颤振临界动压研究

为研究初始挠度缺陷对圆柱形扁壳气动弹性系统颤振临界动压的影响,将初始挠度引入圆柱形扁壳气动弹性方程,采用微分求积法进行离散,运用特征值方法分析了线性系统在超声速轴向流中的颤振临界动压.研究结果表明,初始挠度缺陷会显著影响颤振临界动压.在本文计算参数下,当初始挠度周向半波数等于1时,颤振临界动压参数与初始挠度缺陷因子成比例关系;当周向半波数小于4时,随着初始挠度缺陷因子的增加,系统颤振临界动压大都呈现减小趋势;对于小曲率情况,当周向半波数大于4时,初始挠度缺陷因子的增加带来的颤振临界动压变化并不显著;对于大曲率情况,当周向半波数大于4时,随着初始挠度缺陷因子的增加系统颤振临界动压显著减小;初始挠度的形式会影响产生耦合模态颤振的周向半波数.      

无砟轨道层间裂纹内动水压力特性分析

在雨水丰富和排水不畅的地区,水对无砟轨道层间裂纹扩展的影响比较突出.为研究高速列车作用下无砟轨道裂纹内水压力的分布规律及压力大小的影响因素,基于质量守恒和动量定理,采用控制体积法,导出了裂纹内动水压力分布解析式.应用有限元分析软件ANSYS和CFX,分析了荷载频率、荷载幅值、裂纹深度、裂纹开口量等对动水压力的影响.分析结果表明:沿着裂纹出口的方向,水压力呈减小趋势,其最大值发生在裂纹尖端处;动水压力与荷载频率近似呈二次方关系,与荷载幅值呈线性关系,与裂纹开口量呈一次反比关系.在幅值为10 kN、频率为5 Hz荷载作用下,水压力分布的试验测试结果与理论分析基本一致,两种方法获得的水压力峰值分别为0.177、0.161 kPa.      

Calculation Method of Wave Forces on Large Round-Ended Caisson Foundation

This paper presents an analytical formula for estimating the longitudinal wave forces on a large roundended caisson foundation. The establishment of the formula is based on the superposition of the theoretical formula of wave forces on a large circular cylinder and the empirical formula of wave forces on a large rectangular cylinder. With the formula transformed into an inertial force form, a specific inertia coefficient with an exact expression is extracted from the formula. The numerical calculations of the wave forces on round-ended cylinders are carried out by the boundary-element method. The undetermined coefficients in the expression of the inertial coefficient are determined by the numerical results. It is obvious that the numerical values can be well expressed by the computation values from the established formula. By a model experiment carried out in laboratory wave flume, the correctness of the analytical formula is further verified by the measured wave forces on a test model of a round-ended bridge caisson foundation. The comparison shows that the experimental forces can be approximately estimated by this simple calculation method.     

列车气密性静态泄漏理论模型与计算

基于一维等熵流动理论推导了列车气密性静态泄漏状态方程, 考虑泄漏孔流量系数, 得到了压降泄漏时间和总泄漏时间计算公式; 数值模拟了列车气密性静态泄漏的动态过程, 并研究了长细比分别为1∶1、1∶4、1∶8和1∶16, 车内初始气压分别为6、5、4和3 kPa时, 泄漏孔长细比和车内初始气压对列车气密性的影响。分析结果表明: 在车内空气压力从3.0 kPa下降到0.8 kPa的过程中, 数值仿真和理论公式计算得到的压降时间分别为20.25、20.23 s, 与试验结果的相对误差分别为1.41%和1.51%;当泄漏孔长细比为1∶8和1∶16时, 列车车厢内空气压力下降时程曲线基本一致, 泄漏孔气流流量保持不变; 泄漏过程中泄漏孔的气流速度呈现中间大周围小的分布特征, 这是由泄漏孔壁面的黏滞作用引起的; 根据出口截面的中心速度和质量流率得到泄漏孔流量系数为0.71, 车内初始气压对相同指定压力下降时间的影响不足1%;若压降范围一致, 随着初始气压的增大, 压降时间减小, 压力从4 kPa下降到1 kPa的时间为24.18 s, 从5 kPa下降到2 kPa的时间为19.80 s; 数值仿真得到的压降泄漏时间与理论计算结果的最大相对误差为1.22%, 表明理论模型与数值仿真计算方法可以用于计算列车泄漏面积或气密性。      

岩质边坡结构面的水力劈裂效应分析

为了对岩质边坡结构面的水力劈裂效应进行分析,通过岩质边坡水力模型,结合岩体结构面裂纹的应力状态,运用断裂力学和水力学理论,推导出结构面水力劈裂的临界水头公式,在临界水头公式基础上分别获得了最易发生拉剪型水力劈裂和压剪型水力劈裂破坏的裂纹角度。实例验证表明:边坡在满足条件时会发生水力劈裂。得出结论:随着水力劈裂现象的发生,结构面裂隙扩展、贯通,而裂隙的扩展会加强地下水的下渗作用,水头损失减少,扬压力进一步加大,将更容易诱发滑坡。