高速列车隧道交会压力波特性

采用基于有限体积方法的计算流体力学软件,建立了列车几何模型和非定常可压缩湍流的三维流动模型,对高速列车隧道内等速和不等速交会的全过程进行了数值模拟。在软件的任意滑移界面动网格技术中嵌入了列车光滑启动方法,研究了列车交会过程中隧道断面的压力波动、流速变化和压力波的形成过程。研究结果表明:基于三维流动模型的计算结果能够清晰地展示高速列车隧道内交会时的压力场与速度场变化情况,同一隧道横截面上各点的压力波动趋势与断面压力均值的波动趋势虽然一致,但不同测点的压力差异较大,最大可达53.5%;等速交会时隧道中央的交会压力变化幅值最大,负压峰值达到约-7kPa;不等速交会时高速列车车体正压峰值与负压峰值均随低速列车速度的减小而减小,而低速列车比高速列车的正压峰值大约1.5kPa;两列车鼻尖交会处的隧道断面压力波负压峰值与低速列车速度的二次方近似成正比。     

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.     

CRH3高速列车隧道压力波特性浅析

高速列车通过隧道会引起较大的车内外压力波动,带来乘客舒适性问题和车体较大的气动疲劳载荷.与常规速度的列车比较,隧道压力波是高速列车车体设计和通风系统设计中所必须要考虑的问题.基于已研制的一维可压缩非定常不等熵流动和广义黎曼变量特征线数值计算程序,给出了CRH3高速列车单车通过隧道和两列车隧道交会过程中隧道内压力波和车外压力波的形成过程,分析了同一编组上不同车厢车内外压力和压差的变化规律,以及8节车辆和16节车辆两种编组长度对车内外压力和压差的影响特征,得出了会车压力波变化比单车压力波变化更加剧烈,建议今后以隧道内会车工况为研究内容,研究车内外压力和压差的变化,确定最恶劣的会车工况和车内外压力和压差,为列车设计提供依据.     

高速列车隧道交会压力波特性分析

随着列车运行速度的大幅度提高,列车在隧道高速交会时就形成了瞬变的交会压力波。对车体侧壁而言,瞬变交会压力波是一种瞬态激励,激励频带宽,几乎能激发车体侧壁及相关部件的所有振动模态,并产生较强的空气动力噪声。这种复杂的动力学现象,对车体侧壁变形、列车隧道运行的噪声及运行安全性都有不可忽视的影响。论文从三方面对实测隧道交会压力波的特性进行了深入分析:交会压力波的时-频特性、主要参数值及其与车速的关系、交会压力波对车体侧壁振动的激励作用。论文通过倒频谱分析,得出隧道压力波不是单一线性叠加波,而含乘积性成分。本文为进一步研究瞬变交会压力波对车体侧壁变形的影响和对列车隧道运行噪声的影响,提供了新的依据。     

高速动车组通过隧道空气动力特性数值分析

应用Navier-Stokes方程对350 km/h高速动车组通过隧道的空气动力特性进行数值模拟,湍流模型采用标准κ-ε双方程模型.计算表明列车在隧道内运行时空气动力学响应发生了剧烈变化:表面最大正压出现在列车鼻端,为8 030 Pa,列车尾部过渡区产生最大负压-5 628 Pa;列车中车底部裙板最大负压为-5 763 Pa;列车阻力系数不断变化,最大值为1.048.列车过隧道时表面压力变化幅值远远超过明线运行,最大增加率达1 259%.计算结果不仅可以作为后续结构强度分析的基础,为车辆优化设计提供参考,同时也为轨道与隧道建筑设计提供了有价值的信息.     

地铁隧道纵坡坡型对隧道内压力波的影响分析

基于一维可压缩非定常不等熵流动模型,采用广义黎曼变量特征线法数值模拟隧道压力波.以国内某条地铁线路为背景,研究了地铁A型车以140 km/h恒速通过7 560 m隧道时,五种坡型、三种坡度对隧道压力的影响,给出隧道内压力最大值位置.结果表明:坡型对隧道压力的影响大于坡度;V型和W型坡隧道最大正压值随着坡度的增大而增大,人字坡反之;人字坡隧道最大负压值随着坡度的增大而增大,V型坡和W型坡反之.     

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。      

时速250km动车组设备舱裙板气动载荷线路测试分析

为制定时速250 km速度等级动车组设备舱裙板气动载荷谱,通过对实际运行中的时速250 km等级动车组设备舱裙板气动载荷开展线路测试研究,并将全线所有列车通过隧道、列车明线交会工况集中起来统计分析,得出了设备舱裙板各测点内外压差的最大值、最小值和峰峰值的统计分布规律.经分析,列车隧道通过、隧道交会、明线交会时,设备舱裙板各点绝对压力的有不同特征;设备舱裙板气动载荷压差峰峰值最大不超过1500 Pa,该值可作为时速250 km速度等级列车设备舱裙板静强度载荷设计输入参考值;压差峰峰值主要集中在1000 Pa左右,该值可以作为时速250 km等级动车组设备舱裙板气动载荷疲劳设计输入参考值.     

真空管道磁浮交通气动特性的尺度效应

为了探究管道列车的尺度对波系、尾涡以及气动载荷的影响，基于CFD软件建立三种模型尺度（1∶1,1∶5和1∶10），同时考虑两种悬浮间隙关系（车轨相对间隙不变和绝对悬浮高度不变）的模型；采用改进的延迟分离涡模拟（IDDES）湍流模型和重叠网格技术模拟了列车在管道动态运动，并用风洞试验数据验证了数值方法和网格策略的合理性.研究结果表明：列车尺度（雷诺数）增大，车前活塞区域变长，尾流扰动区范围缩短；雷诺数对近尾流区的涡对演化影响较小，但在远尾流区，随着列车尺度减小，涡对脉动变强，涡对强度的差异导致了车后正激波形态的差异；列车表面最大正压值和最大负压值均随着列车尺度增大而增大，悬浮间隙对最大正压值影响较小，但与最大负压值成正相关关系；尺度效应从压差阻力和摩擦阻力两方面共同影响气动阻力，整车摩擦阻力和头、中间车的压差阻力与雷诺数正相关，但是尾车压差阻力受附着激波的强度影响恰恰相反；列车尺度和悬浮高度均对升力影响较大.相对于全尺寸模型，1∶10模型（悬浮高度20 mm）的最大正压值减小3.82%，最大负压值增大3.94%，整车总阻力增大8.64%，头车升力减小101.56%，尾车升力增大15.88...     

制动充气时间对快捷列车纵向冲动影响研究

利用空气制动和纵向动力学联合仿真程序,采用了KZ1空气制动系统和胶泥缓冲装置,建立了P160D快捷货车组成的快捷列车模型,计算紧急制动下不同制动缸充气时间对不同装载状态快捷列车纵向冲动的影响.结果表明,紧急制动距离随着制动缸充气时间延长而增大;满载、空载快捷列车和空重混编快捷列车中最大车钩力、最大加速度随着制动缸充气时间延长而减小;不同制动缸充气时间下,满载、空载快捷列车和空重混编快捷列车的纵向车钩力小,车辆瞬时加速度大,快捷货运列车运行中需对加速度进行控制.     

隧道结构对高速列车穿行过程气动特性的影响

以CRH2型高速列车穿行隧道过程的气动特性为研究对象,建立了列车模型及具有不同缓冲结构、不同阻塞比的隧道计算模型,并与相同工况下的模型实验进行对比,验证了仿真模型的可行性.以kε-湍流模型为基础,对高速列车以不同速度进入具有不同缓冲结构、不同阻塞比的隧道时的外流场进行了仿真模拟.分析了列车在进入隧道时压缩波的产生机理,得到了列车表面风口在车体进入隧道过程中的压力波动情况.仿真结果表明：隧道缓冲结构的缓冲性能按抛物线型、线性、不连续性的顺序依次减小;压力值随阻塞比增大而线性减小.由此提出了减小列车进入隧道时表面压力波动的方法.     

中国高速铁路隧道气动效应研究进展

论述了现场实车试验、数值仿真计算和室内模型试验等高速铁路隧道气动效应的研究方法,分析了隧道气动效应的影响因素,系统研究了动车组通过隧道及交会条件下车体内和隧道内瞬变压力与洞口微气压波随速度的变化规律、缓冲结构的设置条件、隧道附加阻力的计算方法、隧道内辅助设施所承受的气动荷载要求以及长大隧道远程测试控制技术和隧道内精确交会控制方法。研究结果表明:高速列车通过隧道引起的气动效应直接影响到列车运行的安全性、乘员舒适性以及隧道周边的环境,是高速铁路隧道设计中必须解决的关键技术问题;建议提出适合中国国情的隧道内复合型舒适度、微气压波标准,开展多孔吸能材料、洞口缓冲结构、减压竖井、横通道设计等减缓措施研究。     

都市快轨列车圆形与矩形隧道运行气动特性数值分析

基于连续性方程Reynolds时均Navier-Stokes方程以及RNG k-ε湍动能模型方程对都市快轨列车隧道运行的空气动力流场进行数值计算.研究在以160 km/h隧道运行速度分别通过圆形和矩形隧道的工况下,从列车进入隧道直至整车完全驶出隧道的空气阻力以及车体表面压力变化情况,并对圆形及矩形隧道流场特性进行对比.计算结果表明:列车在矩形隧道和圆形隧道运行过程中的最大阻力分别达到15 458.5 N和13 829.3 N,最大表面压力分别达到4252.3 Pa和3 815.8 Pa.在两种隧道中运行的列车阻力变化规律及列车表面压力变化规律相同,矩形隧道运行时列车的最大阻力与圆形隧道相比增加了14.3％,表面最大压力增加了l3.8％.     

重载列车纵向冲动机理及参数影响

利用重载列车空气制动与纵向动力学联合仿真系统,仿真计算列车制动过程中的冲动过程,发现纵向冲动是由冲击作用和挤压作用共同形成,最大车钩力就是这两者中力较大的一个.如果最大车钩力是由冲击力产生,则最大车钩力发生在列车尾部,反之最大车钩力是挤压力时,最大车钩力发生在列车中部.车钩间隙对列车纵向冲击力和挤压力都有影响,车钩间隙对冲击力的影响比对挤压力影响更大,对后部车辆的影响更显著;车钩间隙越大,最大车钩力越大.闸瓦摩擦系数对挤压力影响较大,对冲击力影响较小;摩擦系数越大,挤压力越大,发生车位越向前移.     

隧道内会车压力波的边界条件

提出了高速列车的隧道内交会过程中会车压力波数值计算所必要的边界条件,验证计算表明,本文的分析及结果是正确合理的。     

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%.      

CRH3A型动车组通过隧道时的压力变化试验与CFD计算

通过动模型试验与CFD计算,研究时速250 km/h的CRH3A型城际动车组单车通过隧道时列车表面以及隧道表面的压力变化.结果表明:列车单车过隧道时隧道中流场的压力变化主要是由列车车头刚进入隧道时形成的压缩波与车尾进入隧道时形成的膨胀波在隧道内往返传播、反射等影响造成;单列车通过净空面积80 m2的隧道时最大压力变化量ΔP为2.6 k Pa,出现在鼻尖点.列车过隧道时头尾部附近的隧道内流场呈现一定的三维变化过程.数值仿真分析与动模型试验结果基本吻合,可以相互验证.     

无调车作业重载列车制动工况缓冲器特性研究

使用大容量缓冲器是重载列车主要特征,大容量缓冲器的大刚度特性使得重载列车运行中车钩力增加.调车工况是对缓冲器容量需求的主要工况,在无调车需求的重载线路中没有将缓冲器大容量特性发挥,反而引起列车运行过程中的过大车钩力.使用列车空气制动与纵向动力学联合仿真方法,针对神华铁路无调车作业的重载列车设计出新型缓冲器特性,仿真结果表明万吨列车在减压50、减压170 k Pa常用制动和紧急制动时车钩力分别降低11.5%、26.7%、43.8%,空气制动减压量越大,车钩力降低越明显.新缓冲器可以满足相对速度5.0 km/h的冲击需求.该研究为缓冲器开发提供了理论指导.     

磁悬浮列车穿越隧道引起的压力波传播规律研究

在对Fluent软件进行二次开发的基础上，对磁悬浮列车穿越隧道引起的压力波进行了三维数值模拟，得出了隧道内的压力波时程曲线。并将隧道内的压力波动情况与列车的运行情况相结合，对压力波在隧道内的传播规律进行了详细的分析和解释，这对磁悬浮铁路隧道的设计提供了理论基础。     

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.